Способ определения амплитудно-фазового распределения в раскрыве фазированной антенной решетки

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано для определения амплитудно-фазового распределения (АФР) в раскрыве фазированной антенной решетки (ФАР).

Известен способ определения АФР в раскрыве ФАР, основанный на измерении амплитуд и фаз поля на заданной поверхности, расположенной в ближней зоне ФАР при модуляции фазовых сдвигов на элементах ФАР [Методы измерения характеристик антенн СВЧ / Л.Н. Захарьев, А.А. Леманский, В.И. Турчин и др.; Под ред. Н.М. Цейтлина. - М.: Радио и связь, 1985, с. 312-319]. Этот способ реализуется путем поочередного изменения фаз сигналов, проходящих через элементы ФАР, от 0 до 360° и регистрации мощности сигнала, излучаемого с помощью измерительной вспомогательной антенны и принимаемого всей ФАР при каждом фазовом состоянии. Недостатком известного способа является трудность обеспечения высокой точности восстановления АФР, особенно в ФАР с большим числом элементов.

В способе измерения амплитудно-фазового распределения поля фазированной антенной решетки [Авторское свидетельство СССР №1786452, МПК G01R 29/10, опубл. 07.01.93] предлагается повысить точность определения АФР за счет предварительной установки фазы принятого сигнала в канале каждого излучателя исследуемой ФАР. Предварительная установка фазы принятого сигнала осуществлялась путем L-кратной установки этой фазы по случайному закону, равномерно распределенному в пределах [-π; π]. Однако данный способ также имеет недостатки, суть которых заключается в необходимости сложной статистической обработки измеренных амплитуд и фаз суммарного сигнала, принятого ФАР, необходимости решения системы уравнений, а также необходимости точного взаимного расположения ФАР и зонда с учетом фазового центра зонда.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ определения диаграммы направленности фазированной антенной решетки [Патент RU 2343495 С2, МПК G01R 29/10, опубл. 10.01.2009], который выбран в качестве прототипа. В этом способе устранен недостаток, связанный с необходимостью точного взаимного расположения ФАР и зонда, например, благодаря использованию коллиматора, а также не требуется статистическая обработка измеренных амплитуд и фаз суммарного сигнала. Суть способа, заявленного в прототипе, заключается в приеме или излучении сигналов ФАР, изменении сдвигов фаз одного или нескольких элементов ФАР, измерении амплитуды и фазы сигнала, переданного или принятого вспомогательной антенной, определении из измеренных данных амплитуды и фазы возбуждения элементов и вычислении диаграммы направленности ФАР в соответствии с математической моделью

где - диаграмма направленности фазированной антенной решетки;

- комплексная амплитуда n-го элемента фазированной антенной решетки;

- диаграмма направленности n-го элемента фазированной антенной решетки;

N - количество элементов фазированной антенной решетки.

Испытуемая ФАР располагается перед коллиматором в такой области, где излучаемое или принимаемое электромагнитное поле представляет собой плоскую волну, параллельно фронту плоской волны таким образом, чтобы электрические длины путей от элементов ФАР до входа измерительной аппаратуры были одинаковы, а измеренные значения амплитуды и фазы сигнала, переданного или принятого вспомогательной антенной, непосредственно используются для восстановления диаграммы направленности в соответствии с вышеупомянутой математической моделью.

Определение из измеренных данных амплитуд и фаз возбуждения элементов в прототипе осуществляется решением системы линейных уравнений с использованием ДН элемента ФАР. Совокупность амплитуд и фаз возбуждения элементов ФАР, полученная в прототипе, составляет АФР на раскрыве ФАР.

Недостатками прототипа являются:

1. В прототипе в процессе измерений требуется перебор всех фазовых состояний каждого фазовращателя, что ведет к значительному увеличению времени измерений.

2. Для выполнения операции определения из измеренных данных амплитуд и фаз возбуждения элементов ФАР (операции определения АФР) необходимо решать систему линейных уравнений большого порядка, что требует значительного времени обработки.

3. При определении АФР (амплитуд и фаз возбуждения элементов) используется ДН одного элемента ФАР, что является источником дополнительных ошибок.

Задачей изобретения является достижение возможности определения АФР ФАР, в различных условиях проведения измерений.

Техническим результатом предлагаемого способа является повышение точности и уменьшение времени определения АФР в раскрыве ФАР.

Сущность предлагаемого способа определения амплитудно-фазового распределения в раскрыве фазированной антенной решетки включает прием или излучение сигналов фазированной антенной решеткой, при этом сигналы переносятся электромагнитным полем, изменение сдвигов фаз сигналов, проходящих через один или несколько элементов фазированной антенной решетки, измерение измерительной аппаратурой амплитуды и фазы сигнала переданного или принятого вспомогательной антенной, определение из измеренных данных амплитуды и фазы возбуждения элементов, при этом фазированная антенная решетка располагается в такой области, где излучаемое или принимаемое электромагнитное поле представляет собой плоскую электромагнитную волну.

Новым в заявляемом изобретении является то, что электрические длины путей от элементов фазированной антенной решетки до входа измерительной аппаратуры произвольны, плоскость раскрыва фазированной антенной решетки располагают под углом относительно фронта плоской электромагнитной волны, до начала измерений определяют расстояния T_u и T_ν в системе координат (u, ν), задают набор из Р направлений луча с координатами (u_s, ν_s), охватывающий в системе координат (u, ν) прямоугольную область, длина которой по координате и составляет T_u, а длина по координате v составляет 2*T_ν, при этом направления луча располагают в этой области по сетке с шагами Δu и Δν, меньше или равными λ/L_x и λ/L_y соответственно, изменяют сдвиги фаз сигналов, проходящих через элементы фазированной антенной решетки, устанавливая луч фазированной антенной решетки в одно из направлений набора, и измеряют амплитуду F_s и фазу ψ_s сигнала, затем операции повторяют, каждый раз устанавливая луч фазированной антенной решетки последовательно в остальные направления, определяют амплитудно-фазовое распределение (A_n, ϕ_n) на раскрыве фазированной антенной решетки по выражению:

где

T_u=λ/d_x - расстояние по координате u;

T_v=λ/d_y - расстояние по координате ν;

d_x - расстояние между элементами фазированной антенной решетки по координате х;

d_y - расстояние между элементами фазированной антенной решетки по координате у,

A_n - амплитуда возбуждения элемента с номером n;

ϕ_n - фаза возбуждения элемента с номером n;

n - номер элемента в раскрыве фазированной антенной решетки;

s - номер направления луча;

Р - количество направлений луча;

u_s, ν_s - направление луча с номером s в системе координат (u, ν);

u=sin(θ)cos(ϕ);

ν=sin(θ)sin(ϕ);

θ, ϕ - угловые координаты в сферической системе координат;

u_c=sin(θ_c)cos(ϕ_c);

ν_c=sin(θ_c)sin(ϕ_c);

θ_c - угол между плоскостью раскрыва фазированной антенной решетки и фронтом плоской электромагнитной волны по координате θ;

ϕ_c - угол между плоскостью раскрыва фазированной антенной решетки и фронтом плоской электромагнитной волны по координате ϕ;

Δu, Δν - шаг сетки направлений луча в системе координат (u, ν),

L_x - длина фазированной антенной решетки по координате х;

L_y - длина фазированной антенной решетки по координате у;

F_s - амплитуда сигнала, измеренная при направлении луча (u_s, ν_s);

ψ_s - фаза сигнала, измеренная при направлении луча (u_s, ν_s);

x_n, y_n - координаты элемента с номером n в раскрыве фазированной антенной решетки;

k=2π/λ - волновое число;

λ - длина волны сигнала в свободном пространстве.

Согласно предлагаемому способу для определения АФР требуется измерить амплитуды и фазы сигнала. Совокупность измеренных по предлагаемому способу значений амплитуд и фаз сигнала является «множителем направленности» ФАР [Марков Г.Т, Сазонов Д.М. Антенны - М.: Энергия, 1975, с. 307-310]. АФР в раскрыве плоской ФАР и ее множитель направленности связаны между собой посредством двумерного преобразования Фурье. Аналогичную математическую связь имеют также временные зависимости двумерных сигналов и их двумерные частотные спектры [Даджион Д., Мерсеро Р. Цифровая обработка многомерных сигналов: Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. - с. 49].

Для сигналов с ограниченным спектром справедлива теорема Котельникова (теорема отсчетов): если наивысшая частота в спектре функции s(t) меньше, чем ƒв, то функция s(t) полностью определяется последовательностью своих значений в моменты, отстоящие друг от друга не более чем на 1/(2ƒ_в) [Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1986. - с. 59.].

В применении к антенной технике это означает, что если размеры раскрыва ФАР составляют L_x и L_y, то АФР в раскрыве полностью определяется последовательностями значений двумерного множителя направленности в прямоугольной области пространства, размеры которой в системе координат (u, ν) составляют T_u и 2*T_ν, где T_u=λ/d_x; T_ν=λ/d_y. При этом значения множителя направленности отстоят друг от друга в системе координат (u, ν) не более чем на Δu≤λ/L_x и Δν≤λ/L_y.

На Фиг. 1. приведен один из вариантов реализации схемы измерений,

где:

1 - ФАР;

2 - компьютер;

3 - коммутатор сверхвысокой частоты;

4 - генератор сигнала сверхвысокой частоты;

5 - вспомогательная антенна;

6 - измерительная аппаратура;

7 - блок управления ФАР.

На Фиг. 2 приведен пример раскрыва плоской фазированной антенной решетки.

На Фиг. 3 приведен пример измеренных значений амплитуд сигнала в Р направлениях луча для плоской ФАР, приведенной на Фиг. 2. Окружность указывает границу области видимости ФАР.

На Фиг. 4 приведен пример амплитудного распределения на раскрыве плоской фазированной антенной решетки, определенного по измеренным амплитудам и фазам сигнала.

На Фиг. 5 приведен пример фазового распределения на раскрыве плоской фазированной антенной решетки, определенного по измеренным амплитудам и фазам сигнала.

В режиме работы ФАР (1) на прием определение АФР в раскрыве ФАР осуществляется следующим образом.

До начала измерений по известным значениям расстояний между элементами раскрыва ФАР по координатам х и y (d_x, d_y) определяют расстояния T_u и T_ν между точками в системе координат (u, ν) для того, чтобы ограничить область измерений. Затем набор из Р направлений луча задают координатами (u_s, ν_s), которые лежат внутри границы области измерений.

ФАР (1) до начала измерений располагается фиксировано относительно фронта плоской электромагнитной волны, в процессе измерений ФАР остается неподвижной. При этом у ФАР электрические длины путей от различных элементов ФАР до входа измерительной аппаратуры могут быть неодинаковы.

Компьютер (2) дает команду коммутатору (3) пропускать сигнал от генератора (4) на вспомогательную антенну (5), а сигнал, принятый ФАР (1), передавать на измерительную аппаратуру (6).

С помощью генератора (4) генерируется сигнал, который проходит через коммутатор (3) и непрерывно излучается в пространство с помощью вспомогательной антенны (5). Сигнал в пространстве представляет собой электромагнитную волну. Вспомогательная антенна (5) обеспечивает формирование в области расположения ФАР (1) плоского фронта этой электромагнитной волны.

Устанавливают луч ФАР (1) с помощью блока управления ФАР (7) и фазовращателей в заранее заданное направление и принимают сигнал, пришедший от вспомогательной антенны (5). Сигнал от ФАР через коммутатор (3) поступает на измерительную аппаратуру (6), которая измеряет амплитуду и фазу сигнала и запоминает их.

Затем луч ФАР устанавливают в следующее из заранее заданных направлений и повторяют измерения. Перечисленные действия повторяют для всех заданных направлений луча, при этом некоторые направления луча выходят за границы области видимости ФАР, приведенной на Фиг. 3 (окружность). Затем амплитуды и фазы сигнала, измеренные при каждом направлении луча, поступают в компьютер (2), где определяют амплитудно-фазовое распределение (A_n, ϕ_n) на раскрыве фазированной антенной решетки по выражению:

где

A_n - амплитуда возбуждения элемента с номером n;

ϕ_n - фаза возбуждения элемента с номером n;

n - номер элемента в раскрыве фазированной антенной решетки;

s - номер направления луча;

Р - количество направлений луча;

u_s, ν_s - направление луча с номером s в системе координат (u, ν);

u=sin(θ)cos(ϕ);

ν=sin(θ)sin(ϕ);

θ, ϕ - угловые координаты в сферической системе координат;

u_c=sin(θ_c)cos(ϕ_c);

ν_c=sin(θ_c)sin(ϕ_c);

θ_c - угол между плоскостью раскрыва фазированной антенной решетки и фронтом плоской электромагнитной волны по координате θ;

ϕ_c - угол между плоскостью раскрыва фазированной антенной решетки и фронтом плоской электромагнитной волны по координате ϕ;

Δu, Δν - шаг сетки направлений луча в системе координат (u, ν),

L_x - длина фазированной антенной решетки по координате х;

L_y - длина фазированной антенной решетки по координате y;

F_s- амплитуда сигнала, измеренная при направлении луча (u_s, ν_s);

ψ_s - фаза сигнала, измеренная при направлении луча (u_s, ν_s);

x_n, y_n - координаты элемента с номером n в раскрыве фазированной антенной решетки;

k=2π/λ - волновое число;

λ - длина волны сигнала в свободном пространстве.

Предлагаемый способ в случае излучения сигнала ФАР может быть осуществлен аналогичным образом. Компьютер (2) дает команду коммутатору (3) пропускать сигнал от генератора сигнала на ФАР (1), а сигнал, принятый вспомогательной антенной (5), передавать на измерительную аппаратуру (6). При этом сигнал излучается самой ФАР (1) и принимается вспомогательной антенной. Измерения амплитуд и фаз сигнала на передачу проводят по тем же операциям, что и на прием.

В процессе проведения измерений плоский фронт электромагнитной волны может быть сформирован как посредством использования коллиматора, так и удалением вспомогательной антенны в дальнюю зону ФАР. Главным условием в заявляемом изобретении является формирование плоского фронта электромагнитной волны в области расположения ФАР.

Приведем пример определения АФР, плоской ФАР с прямоугольным раскрывом, приведенной на Фиг. 2. При этом плоскость раскрыва ФАР расположена под углом θ_c=35°, ϕ_c=38° относительно фронта плоской электромагнитной волны. Длина ФАР по координате X составляет L_x=12λ, длина ФАР по координате Y составляет L_y=6λ. Шаги сетки измерений амплитуды и фазы сигнала выбираем равными Δu=(1/12.5), Δν=(1/6.5). Задаем количество измерений сигналов Р при отклонениях луча во всей области измерений с учетом ее прямоугольной формы и размеров в системе координат (u, ν): Р=25*25=625. Измеренные значения амплитуд сигнала приведены на Фиг. 3. Согласно формуле изобретения определяем АФР по выражению:

В результате получаем амплитудное распределение на раскрыве плоской ФАР, приведенное на Фиг. 4 и фазовое распределение на раскрыве плоской ФАР, приведенное на Фиг. 5.

Предлагаемый способ свободен от недостатков, присущих прототипу, поскольку:

1. в предлагаемом способе измерения можно проводить как в малогабаритных безэховых камерах, использующих коллиматор, так и в условиях полигонов при установке вспомогательной антенны в дальней зоне;

2. в предлагаемом способе не требуется перебор всех фазовых состояний каждого фазовращателя;

3. для определения АФР (амплитуд и фаз возбуждения элементов ФАР) из измеренных данных в предлагаемом способе необходимо применить обратное дискретное преобразование Фурье, что сокращает время обработки измеренных данных относительно прототипа.

4. в предлагаемом способе ДН одного элемента ФАР не используется.

Перечисленные преимущества предлагаемого способа позволяют считать способ универсальным по организации условий проведения измерений, а также повысить точность и уменьшить время определения АФР в раскрыве ФАР. Точность определения АФР в раскрыве ФАР в предлагаемом способе повышается за счет исключения из процедуры определения АФР ДН одного элемента ФАР. Так как перебора всех фазовых состояний каждого фазовращателя не требуется, обеспечивается уменьшение времени определения АФР в раскрыве ФАР в предлагаемом способе.