УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ СВЧ СОЕДИНИТЕЛЕЙ СЕКЦИОНИРОВАННОЙ ФАР

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для контроля СВЧ соединителей в многоканальных устройствах, в том числе в фазированных антенных решетках, на этапах изготовления и эксплуатации.

Если в фазированных антенных решетках (ФАР) излучатели, установленные в апертуре, соединены с управляемыми фазовращателями и последующими устройствами разводки СВЧ сигналов посредством СВЧ соединителей, чаще всего врубных, то эти СВЧ соединители существенно снижают надежность ФАР.

Конструктивно излучатели обычно закрепляются на полотне апертуры, а последующие элементы управления фазой и разводки СВЧ сигналов выполнены в виде блоков, секций.

Сзади апертуры находятся конструктивные элементы, позволяющие секции (блоки) вдвигать внутрь до стыковки выходных частей СВЧ соединителей секций с входными частями врубных СВЧ соединителей, размещенных на излучателях.

Последующее закрепление секции должно обеспечить постоянство коэффициента передачи каждого СВЧ соединителя.

Подобные конструктивные построения ФАР описаны в статье Б.В. Бондарева, А.В. Вайсблата и др. ″Модульное построение аппаратуры фазированных антенных решеток″, ″Вопросы специальной радиоэлектроники″, сер. РЛТ, №18, 1976 г.

Существующие устройства контроля позволяют выявить неисправный канал, куда входят излучатель, СВЧ соединитель, управляемый СВЧ-излучатель, и часть СВЧ разводки с выхода до одного из входов системы разводки.

Например, в патенте США №3.378.846 от 16.04.1968 г. описано устройство, которое предусматривает подачу контрольного СВЧ сигнала из дальней зоны, поочередную модуляцию сигнала в контролируемом канале с помощью управляемого фазовращателя, выделение промодулированного сигнала контролируемого канала на одном из выходов системы разводки ФАР, измерение амплитуды и фазы выделенного сигнала и оценке по нему коэффициента передачи контролируемого канала.

Основные недостатки этого устройства связаны с тем, что контролируется вся ФАР, то есть необходимо собрать ФАР, обеспечить возможность включения ее на полигоне, определить те каналы, коэффициенты передачи которых отличаются от заданных пределов, и только после этого выяснять, какое из входящих в состав отказавшего канала устройство вышло из строя.

Далее, если удастся достоверно выяснить, что вышел из строя один из многих СВЧ соединителей, замена его чрезвычайно затруднительна, сопряжена с частичной разборкой ФАР и последующей сборкой.

После этих операций может быть выявлено еще несколько вышедших из строя соединителей. Следовательно, очень важно выявить некачественные СВЧ соединители на этапе сборки ФАР.

В этом случае легче предпринять меры по замене СВЧ соединителя или обеспечению нормального контакта.

Часто перед установкой в ФАР секции (или, как их иногда называют, подрешетки) проверяют в условиях, близких к условиям работы в ФАР.

Подрешетки вставляются в стапель, содержащий фрагмент апертуры ФАР с излучателями. Фрагмент облучается плоской СВЧ волной, измеряются модули и фазы коэффициентов передач секции (подрешетки) при нескольких направлениях луча.

Основные недостатки этого устройства заключаются в том, что, во-первых, качественное соединение излучателей с выходами подрешетки в составе стапеля еще не гарантируют столь же качественного соединения их в составе ФАР и, во-вторых, увеличение КСВН в одном или нескольких СВЧ соединителях и изменения коэффициентов передач по этим излучателям не вызовет в ряде случаев заметных изменений модуля и фазы коэффициента передачи всей подрешетки и останется незамеченным.

В общем случае качество СВЧ соединителей оценивается КСВН (см. книгу ″Соединители радиочастотные коаксиальные″, В.С. Савченко и др., изд. ″Сов. радио″, 1977 г.).

Наиболее часто контроль СВЧ соединителей производят путем измерения КСВН этих соединителей после их стыковки.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство измерения КСВН с помощью одного подвижного зонда (измерительная линия) или нескольких неподвижных зондов (3-4 зонда).

Такое устройство принимается в качестве прототипа. Это может быть измеритель полных сопротивлений на базе трех или четырех-зондового датчика полных сопротивлений (смотри описание приборов Р3-6, Р3-10) или только датчики полных сопротивлений (они описаны, в том числе в книге И.К. Бондаренко и др. ″Автоматизация измерений параметров СВЧ трактов″, изд. ″Сов. радио″, 1965 г., стр. 138-153), выходы которых подключаются к селективным усилителям и устройствам последующей обработки сигналов.

Это может быть также измерительная линия (ИЛ) и селективный усилитель с индикатором (смотри описание измерительных линий P1-18, P1-36 и т.д.).

Прототип содержит генератор амплитудно-манипулированного СВЧ сигнала фиксированной или изменяющейся по какому-либо закону частоты, СВЧ устройство связи с трактом и амплитудного детектирования, селективный усилитель (который может состоять из нескольких усилителей, в соответствии с количеством зондов в СВЧ устройстве связи с трактом и амплитудном детектировании), настроенный на частоту F_м (F_м - частота амплитудной манипуляции генератора СВЧ сигналов) и индикатора, в состав которого может входить вычислитель.

Работу прототипа рассмотрим на примере измерителя, выполненного на базе измерительной линии, т.е. в качестве СВЧ устройства связи с трактом и амплитудного детектирования используется подвижный зонд и амплитудный детектор измерительной линии. Контролируемая подрешетка (секция) вставляется в соответствующие конструктивные элементы ФАР. При этом происходит соединение n выходов подрешетки с излучателями посредством n СВЧ соединителей.

К входу контролируемой секции (подрешетки) подключают выход измерительной линии (если имеется несколько входов-выходов в подрешетке, то их необходимо нагрузить на согласованные нагрузки).

К входу измерительной линии подключают СВЧ генератор, работающий в режиме ″меандр″ (амплитудная модуляция выходного сигнала), к амплитудному детектору измерительной линии подключают селективный усилитель, настроенный на частоту ″меандра″, а к выходу усилителя подсоединяют стрелочный или цифровой индикатор. Плавно перемещая каретку измерительной линии, находят минимальные (Amin) и максимальные показания (Amax) индикатора. КСВН со входа контролируемой подрешетки определяют по формуле:

;

предполагается (смотри описание на измерительные линии), что характеристика амплитудного детектора - квадратичная.

Достоинствами устройства-прототипа является в первую очередь, простота и возможность осуществлять контроль СВЧ соединителей на этапе сборки ФАР.

Недостатки устройства-прототипа связаны с трудностями оценки КСВН соединителей по результатам измерения КСВН на входе подрешетки (секции). Кроме того, невозможно определить в каком же СВЧ соединителе резко возросло КСВН. Отраженный сигнал на входе подрешетки является геометрической суммой сигналов, отраженных от СВЧ соединителей с излучателями, фазовращателей, делителей и т.д. Увеличение КСВН и связанное с этим увеличение отраженного сигнала i-го СВЧ соединителя может быть скомпенсировано отраженным противофазным сигналом от иного СВЧ соединителя. Необходимо также учесть, что коэффициент передачи i-го выхода подрешетки на вход подрешетки невелик (ниже 0,1), а амплитуда сигнала, отраженного i-м СВЧ соединителем на входе подрешетки будет близка к величине:

;

где - модуль коэффициента передачи с i-го выхода подрешетки на вход ее,

- модуль коэффициента отражения i-го СВЧ соединителя.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, а именно, обеспечение контроля каждого СВЧ соединителя и повышение точности контроля.

Положительный эффект достигается за счет того, что в устройстве контроля СВЧ соединителей секционированной фазированной антенной решетки, включающей СВЧ генератор, СВЧ устройства связи с трактом и амплитудного детектирования, вход которого соединен с выходом СВЧ генератора, а выход с одним из входов контролируемой секции ФАР, селективный усилитель (или усилитель) сигналов частоты F_м и индикатор, в него введены генератор сигналов манипуляции F_м и коммутатор сигналов управления, выход и вход которых соответственно соединены между собой, а выходы коммутатора сигналов управления соединены через управляющие входы контролируемой секции ФАР с управляемыми фазовращателями, при этом СВЧ генератор выполнен в виде генератора непрерывных СВЧ колебаний.

Реализация предполагаемого устройства позволяет в процессе сборки ФАР на заводе-изготовителе непосредственно после установки очередной секции в предназначенное для нее место ФАР проверить качество СВЧ соединителей. Если будут обнаружены некачественные СВЧ соединители, то сразу же производят доработки, затем вторично вставляют секцию и опять проверяют СВЧ соединители и т.д. И только после этого могут производиться последующие операции по сборке ФАР и установке последующих за секциями устройств. Это обеспечивает надежную стыковку секции ФАР с излучателями и снижает трудоемкости, затрачиваемые при сборке и настройке ФАР за счет исключения последующих пересборок из-за выявленных отказов, возникших из-за отсутствия или некачественного соединения в СВЧ соединителях.

Описание изобретения иллюстрируется чертежами. На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого устройства контроля СВЧ соединителей.

На фиг. 2 приведена блок-схема устройства-прототипа.

Устройство контроля СВЧ соединителей секционированной ФАР состоит из генератора непрерывного СВЧ сигнала (1), СВЧ устройства связи с трактом и амплитудного детектирования (2) (смотри блок-схему фиг. 1), селективного усилителя (или усилителей) сигнала частоты F_М (3), индикатора (4), контролируемой секции (подрешетки) ФАР (5), N СВЧ излучателей (6), которые связаны с N выходами подрешетки (5) через СВЧ соединители (7), генератора сигналов манипуляции F_М (9) и коммутатор сигналов манипуляции (8), вход которого соединен с выходом генератора сигналов манипуляции F_М (9).

Выход СВЧ генератора (1) соединен с СВЧ входом устройства связи (2), выход которого, в свою очередь, соединен со входом (или одним из входов) контролируемой подрешетки (5). С НЧ выходом устройства связи с трактом и амплитудного детектирования (2) соединен вход селективного усилителя (или усилителей) сигналов частоты F_М (3), выход которого соединен со входом индикатора (4). В коммутаторе (8) имеется N выходов (по количеству выходов в подрешетке (5), которые соединены через управляющие входы контролируемой секции (5) с управляемыми фазовращателями). Следует подчеркнуть, что устройство контроля СВЧ соединителей, смотри блок-схему рис. 1, может быть по-разному реализовано в зависимости от конкретного выполнения устройства связи с трактом и амплитудного детектирования (2). Это, как мы уже отмечали при описании устройства-прототипа (см. блок-схему фиг. 2), может быть подвижный зонд с амплитудным детектором (реализовано в измерительной технике в виде измерительной линии), это может быть несколько неподвижных зондов, отстоящих один от другого на расстоянии λ/4 (где λ - длина волны в тракте, содержащем зонды), это может быть направленный ответвитель (чаще всего ответвитель на 3 дБ), ответвляемые выходы которого соединены с амплитудным детектором и подвижным короткозамыкателем (применение подобного устройства связи с трактом и амплитудного детектирования описано, к примеру, в книге Силаева М.А., Брянцева В.Ф. ″Приложение матриц и графов к анализу СВЧ устройств″, изд. ″Сов. радио″, М., 1970).

Мы приводим описание предлагаемого устройства контроля СВЧ соединителей при реализации устройства связи с трактом и амплитудного детектирования (2) на базе измерительной линии. То есть в качестве СВЧ устройства связи с трактом и амплитудного детектирования (2) использовался подвижный зонд и амплитудный детектор измерительной линии (ИЛ). Тип ИЛ определяется частотным диапазоном и типом применяемой СВЧ линии (волновод, коаксиал, волновое сопротивление и т.д.). На этапе макетирования применялась ИЛ типа Р1-18. В качестве генератора непрерывных по амплитуде СВЧ сигналов (1) может применяться серийно-выпускаемый СВЧ генератор (ГСС или свип-генератор), работающий в режиме НГ (непрерывный режим). На этапе макетирования применялись ГСС типа Г4-80 и Г4-81.

В качестве селективного усилителя (3) также можно применять серийный измерительный усилитель, например, У2-4 или изготовить усилитель на базе схем активных фильтров.

В качестве индикатора (4) на этапе макетирования использовался стрелочный индикатор из усилителя У2-4. В принципе, в качестве селективных усилителей (3) и индикаторов (4) можно применять серийно-выпускаемые индикаторы Я2Р-67, которые содержат 2 селективных усилителя на частоту 100 кГц, схемы сравнения и индикатор на электронно-лучевой трубке.

В качестве контролируемой секции (подрешетки) (5) использовался макет, содержащий систему разводки на 16 выходов, к которым, в свою очередь, были подключены 16 четырехразрядных фазовращателей. Выходы фазовращателей посредством врубных разъемов типа ″Набор″ (7) соединялись с 16 излучателями (6) фрагмента апертуры ФАР. В качестве генератора сигналов манипуляции (9) могут быть использованы любые доступные схемные решения. Например, генератор ″меандра″ можно собрать на дискретных схемах 133 или 155 серий, можно использовать операционные усилители 140 УД 6 ÷ 140 УД 11 и т.д.

На этапе макетирования применялся измерительный генератор импульсов Г5-26, который выдавал ″меандр″ частотой F_м≈10 кГц.

В качестве коммутатора сигналов управления (8) на этапе макетирования использовались галетные переключатели. В принципе устройства типа (8) строятся на основе дискретной техники и обеспечивают автоматическую коммутацию управляющих сигналов поочередно на каждый фазовращатель.

Работу предлагаемого устройства контроля СВЧ соединителей рассмотрим на примере работы макета. Контролируемую секцию (5) вставляют в фрагмент ФАР с излучателями (6). К входу секции (5) подключают выход измерительной линии (2). Может оказаться, что непосредственное соединение ИЛ (2) и СВЧ входа подрешетки (секции) (5) затруднено по каким-либо конструктивным причинам. Тогда соединение выхода ИЛ (2) и СВЧ входа (5) производится с помощью СВЧ линии связи, например, СВЧ кабеля, потери которой должны быть оценены и учитываться при определении допустимых пределов на измеряемые КСВН. К выходу амплитудного детектора измерительной линии подключают селективный вольтметр (3) и (4) У2-4 настроенный на частоту порядка 10 кГц. Следует обратить внимание на необходимость обеспечения определенного, строго заданного, коэффициента усиления К_у селективного усилителя (3). В усилителе У2-4 имеется калибратор, с помощью которого перед началом измерений проверяется и устанавливается К_у. К управляющему разъему секции (или подрешетки, или блока) (5) подключают выходной разъем с N-управляющими выходами с коммутатора (8).

В нашем случае, как уже отмечалось, N=16. Кроме того, через этот разъем может подаваться, при необходимости, питающее напряжение и различные сигналы-разрешения, отпирания и т.д. К входу измерительной линии (2) подключают ГСС (1), работающий в непрерывном режиме (НГ). Выходная мощность ГСС должна быть определенной и постоянной, например - 7 дБ к мВт.

С помощью коммутатора (8) подают сигнал манипуляции ″меандр″ с частотой F_М от генератора (9) поочередно на каждый дискретный фазовращатель, например, вначале на первый, потом второй и т.д., подрешетки (5). Управляющий сигнал изменяет фазу дискретного фазовращателя с частотой F_М на 90° (например 0° и 90°) по закону ″меандр″. На дискретные фазовращатели других выходов подрешетки (5) управляющие сигналы не подают.

Плавно перемещая каретку измерительной линии (2) находят по индикатору (4) максимальные показания и фиксируют эти показания, например U₁. Затем с помощью коммутатора (8) подают сигнал манипуляции F_М с (9) на второй дискретный фазовращатель и определяют U₂. Затем определяют U₃, U₄ и т.д. СВЧ соединители считаются исправными, если U₁<U_доп, U₂<U_доп, U₃<U_доп и т.д.

Если, например, U₃>U_доп, то необходимо извлечь подрешетку (секцию) из ФАР, проверить и отремонтировать СВЧ соединители, опять вставить подрешетку и произвести контроль СВЧ соединителей. Если среди измеренных U₁, U₂, U₃ и т.д. выполняется условие U_i<U_доп, то устанавливают следующую секцию (подрешетку) и т.д., постепенно наращивая аппаратуру как вширь по апертуре, так и в глубину конструкции. Остановимся подробнее на определении U_доп. Сигнал на входе зонда равен

Представим сигнал как векторную сумму отраженных сигналов от всех существующих в подрешетке неоднородностей и от контролируемого в данный момент СВЧ соединителя и излучателя . В свою очередь

Тогда (1) можно представить в виде:

Обычно . Поэтому для упрощения последующих выкладок (2) можно представить в виде:

В вышеприведенных формулах приняты следующие обозначения:

- сигнал ГСС;

- коэффициент передачи секции (подрешетки или блока) (5) со входа на i^й выход;

- коэффициент отражения i-го СВЧ соединителя и излучателя;

- фазовая постоянная;

l - расстояния от входа измерительной линии.

Выражение (3) справедливо для первого полупериода манипуляции (φ=0°). Для второго полупериода манипуляции (3) примет вид:

Если амплитудный детектор измерительной линии (2) квадратичный, то выходные напряжения для первого и второго полупериодов манипуляции будут равными:

;

Здесь φ_г - фаза коэффициента отражения Г_i.

В селективном усилителе (3), во-первых, выделяется переменная составляющая, т.е. U~=U′g-Ug′′ и, во-вторых, переменная составляющая усиливается

Перемещение каретки измерительной линии вызывает изменение l и, следовательно, βl.

В момент максимальных показаний индикатора (4)

cos(φ_г-2βl)=π·n, где n=0, 1, 2, и т.д.

Следовательно, U₁, U₂, U₃ и т.д. пропорциональны

Если величины и - известные и постоянные, то величина U_i зависит от . С увеличением U_i растет. Следовательно, определение U_доп связано с выбором допустимого значения . Необходимо обратить внимание, если СВЧ соединитель исправен, то Г_i определяется в основном коэффициентом отражения излучателя. Если СВЧ соединитель неисправен, то Г_i определяется, в основном, соединителем.

Предлагаемое устройство позволяет в процессе сборки и настройки ФАР, как минимум, в два раза сократить время настройки, и, как минимум, в 3 раза уменьшить время наработки приборов и блоков ФАР, систем формирования гетеродинных сигналов и систем управления лучом.