Методы измерения параметров и диагностики отказов фазированной антенной решётки в ближней зоне без применения механических позиционеров

Введение

Фазированные антенные решётки (ФАР) пред­ставляют собой сложные технические устрой­ства. В отличие от многих других антенн они могут существенно изменять форму и направ­ление главного луча диаграммы направлен­ности (ДН), в связи с чем объём измерений для достаточно полной оценки характеристик ФАР, как правило, заметно превышает объём данных, требуемых для антенн с неизменной формой ДН. Поэтому измерение параметров и диагностика требуют проведения измерений большого числа характеристик с весьма высо­кой точностью и скоростью.

Большой практический интерес пред­ставляет измерение параметров ФАР в ближ­ней зоне, т. к. это позволяет выполнять работы на компактных антенных полигонах, закрытых от негативного влияния факторов окружающей среды (температура, осадки, ветер), а также заметно облегчает решение задачи электро­магнитной совместимости при выполнении измерений.

Измерения в ближней зоне нередко про­изводятся методами, основанными на исполь­зовании теоремы эквивалентности и включа­ющими измерение параметров поля вблизи испытуемой антенны на некоторой поверхно­сти. При таких измерениях обычно происходит механическое перемещение испытуемой и/или вспомогательной антенны друг относитель­но друга. Для позиционирования испытуемой антенны обычно используется опорно-пово­ротное устройство (ОПУ), а вспомогательной - механический позиционер (сканер), переме­щающий её вдоль одной или двух ортогональ­ных осей.

Реализация измерений с использованием механических позиционирующих устройств сопряжена с рядом технических трудностей:

1. вносятся неизбежные погрешности позиционирования, вызванные, например, вы­носом фазового центра антенны перед точкой пересечения осей ОПУ, отклонениями от ор­тогональности координатных осей ОПУ или сканера и т. п.;
2. измерения выполняются с довольно низкой скоростью. Это связано с необходимо­стью выполнения прецизионного механическо­го перемещения антенн;
3. необходимо обеспечивать высокую стабильность амплитуды и фазы коэффици­ента передачи в СВЧ тракте между входами измерительной техники и антеннами при их различных положениях;
4. возникают паразитные отражения от конструкции сканера, позиционирующего зонд;
5. для применения указанных методов из­мерения в процессе испытаний активных ФАР (АФАР) в передающем режиме необходимо, чтобы все элементы ФАР излучали мощность одновременно. Это создаёт серьёзные пробле­мы по защите персонала и техники от воздей­ствия электромагнитного излучения большой мощности.

Вместе с тем особенности ФАР позво­ляют измерять многие важные параметры без механического перемещения.

1. Коммутационные методы измерения параметров ФАР

Широкий спектр применения имеют коммута­ционные методы измерения параметров ФАР, активно развивающиеся на протяжении по­следних пяти десятилетий [1-4]. Для их реа­лизации, как правило, требуется лишь наличие небольшого зонда, неподвижно расположен­ного в ближней зоне ФАР, анализатор цепей и стендовый компьютер (типичная измеритель­ная установка представлена на рис. 1). Можно выделить следующие основные операции этих методов:

• измерение суммарного сигнала от всех элементов ФАР;
• изменение состояния одного или не­скольких фазовращателей ФАР;
• повторение операций (1) и (2) при раз­личных состояниях фазовращателей ФАР;
• определение комплексных значений возбуждения каждого элемента при помощи математической обработки результатов изме­рений.

1.1. Измерение ДН ФАР при помощи коммутационных методов

Можно с достаточно высокой для практики точностью определять ДН ФАР в произволь­ных направлениях при помощи следующей математической модели ФАР [3]. ДН плоской ФАР  в  направлении,   задаваемом   угла­ми (θ,φ), может быть определена следующим образом [5]:

где  -    ДН элемента в  составе ФАР;

A_n - амплитуда n-го элемента;

ψ_n - фаза возбуждения n-го элемента;

x_n, y_n - координаты n-го элемента;

k=2π/λ ;

N - число элементов в ФАР.

Из (1) видно, что для определения ДН ФАР достаточно знать значения ДН элемен­та в составе ФАР и амплитудно-фазовое рас­пределение (АФР) в её апертуре. ДН элемента можно получить один раз в отдельном экспе­рименте, например, со сравнительно неболь­шим фрагментом апертуры ФАР. Для измере­ния АФР можно применить коммутационный метод измерений с коррекцией результатов, учитывающей разность хода сигнала от раз­ных элементов до вспомогательной антенны и разброс амплитуд, вызванный различной вза­имной ориентацией разных излучателей ФАР относительно вспомогательной антенны.

При этом следует отметить, что исполь­зование в качестве вспомогательной антенны коллиматора позволяет избавиться от необхо­димости коррекции амплитуд и фаз, что зна­чительно облегчает задачу определения ДН ФАР [6].

1.2. Измерение характеристик возбуждений элементов ФАР

Для управления ФАР (реализации требуемого АФР) необходимо знать, какое комплексное значение возбуждения имеет каждый элемент при каждом значении кода (управляющего воз­действия). Задача определения таких характе­ристик может решаться путём помещения со­гласованного зонда поочерёдно на каждый из элементов ФАР. Однако этот процесс является очень трудоёмким и затратным по времени из-за достаточно большого числа дискретов фазирования и количества элементов в круп­ных ФАР.

При применении коммутационного мето­да измерений [3] характеристики возбуждений элементов ФАР могут быть измерены в автома­тическом режиме с высокой скоростью.

Следует отметить, что обычно характери­стики элементов надо знать для каждой рабо­чей частоты, следовательно, объём измерений растёт пропорционально числу используемых частот, что приводит к значительному увеличе­нию времени измерений. Так как у современ­ной измерительной техники удельная скорость измерений на одной частоте в режиме качания частоты заметно больше, чем в режиме непрерывной генерации, то измерения характери­стик предпочтительнее выполнять в режиме качания частоты. Это можно реализовать при соответствующем планировании эксперимента и модификации метода обработки измеренных данных [7, 8].

1.3. Измерение параметров взаимных связей элементов

Традиционные методы измерения коэффициен­тов взаимных связей (взаимных сопротивлений или проводимостей) подразумевают подключе­ние источника СВЧ-сигнала и измерительного прибора напрямую к исследуемым элементам. Как правило, в реальной ФАР для этого тре­буется существенное изменение распредели­тельной системы, т. е. такие измерения обычно удаётся проводить лишь на макетах фрагмен­тов ФАР. Поскольку разработка и изготовление макетов требует существенных затрат времени и средств, то большой практический интерес представляют методы исследования взаимных связей элементов ФАР со штатной распредели­тельной системой.

Применение таких средств цифровой об­работки, как преобразования Фурье и Уолша - Адамара, позволяет выделять значения воз­буждений отдельных элементов, и они могут эффективно использоваться для решения дан­ной задачи [9, 10].

Кроме того, применение к спиральным неэквидистантным ФАР описанных в [3] ме­тодов цифровой обработки показало, что эф­фекты взаимных связей хорошо описываются с помощью аппарата статистической теории антенн, и параметры законов распределений случайных искажений с достаточной для прак­тических целей точностью могут быть полу­чены путём цифровой обработки результатов измерений [11, 12]. Например, исследование реальной антенны показало, что амплитудные и фазовые искажения АФР хорошо описы­ваются нормальным законом распределения (рис. 2).

1.4. Диагностика отказов управляемых устройств элементов ФАР

Наличие в ФАР большого (от нескольких со­тен до десятков тысяч) числа устройств с элек­тронным управлением требует применения быстрых и точных методов диагностики их неисправностей. Так как напрямую подклю­чить контрольно-измерительную аппаратуру к каждому элементу в условиях эксплуатации ФАР весьма затруднительно, то большой прак­тический интерес представляет диагностика отказов элементов ФАР при помощи комму­тационных методов измерения [4], которая не требует демонтажа распределительной систе­мы и/или радиопрозрачного укрытия и может реализовываться с помощью штатных средств радиотехнической системы [13], что особенно важно в полевых условиях.

В случаях, когда ФАР находится в труд­нодоступных местах (например, на башен­но-мачтовой конструкции корабля, на кос­мическом аппарате) возникают технические трудности при размещении вспомогательной антенны перед апертурой ФАР. В этом случае для диагностики можно использовать подход, во многом похожий на коммутационный метод измерения, когда измеряются сигналы, отра­жённые от переходов «излучатель - свободное пространство» [14], а паразитные составляю­щие, вызванные наличием взаимных связей между элементами ФАР, фильтруются при помощи специализированной многоуровневой обработки измеренных данных на основе пре­образования Уолша - Адамара [15-17].

Возможности метода можно продемон­стрировать на ФАР Ζ-диапазона со спадаю­щим амплитудным распределением, которая состоит из четырех линеек по 16 излучателей.

Каждый из излучателей представляет собой электрический вибратор специальной формы (рис. 3). График отношения амплитуд элемен­тов ФАР, измеренных при наличии отказов (об­рыв СВЧ-тракта у четырёх элементов - с 53-го по 56-й) и при внесении затухания величиной 10 дБ в СВЧ-тракты элементов 29...32), к тем же амплитудам, измеренным в исправном со­стоянии (рис. 4), показывает, что отказы уве­ренно диагностируются.

2. Измерение ДН путём электронного ска­нирования

Одним из вариантов работы в ближней зоне является использование коллиматора - устрой­ства (как правило, параболической антенны), создающего в области испытуемой антенны поле с равномерным амплитудным и фазо­вым распределением. Благодаря встроенной способности ФАР управлять фазовым распре­делением возможно измерение её ДН путём электрического сканирования. Для реализации данного метода в апертуре ФАР создаётся при помощи её фазовращателей специальное фазо­вое распределение:

где (θ, φ) - углы, характеризующие физиче­скую ориентацию ФАР;

 - фазовое распределение, при котором необходимо измерить ДН;

(θ', φ') -виртуальные углы, в направлении которых требуется измерить ДН.

Подставив (2) в (1), получаем:

Таким образом, если положение ФАР остаётся неизменным, то, изменяя углы (θ', φ') , используемые для формирования фазового распределения ФАР, можно измерять множитель решётки ФАР.

Данный метод имеет ряд важных практи­ческих преимуществ:

• измерения ДН выполняются с высокой скоростью, т. к. отклонение луча ФАР занима­ет весьма малое время;
• измеренная ДН косвенно демонстриру­ет значение фонового уровня ДН, вызванного случайными искажениями АФР ФАР;
• появляется возможность измерять ДН в произвольных сечениях либо строить трёх­мерные ДН.

Следует отметить, что если вместо кол­лиматора использовать рупор и создавать фо­кусирующее фазовое распределение, то можно быстро проверять работоспособность ФАР в полевых условиях [18].

Экспериментальные и расчётные ДН ре­альной антенны (рис. 5) представлены на рис. 6, 7. Видно, что применение при измерении электронного сканирования позволяет измерить ДН с высокой точностью. Различия ДН объясняются наличием фазовых искажений, вызванных дискретом фазирования и неточно­стью реализации заданных фазовых сдвигов.

Заключение

Постоянно растущие требования к рабочим и эксплуатационным характеристикам ФАР ставят задачу повышения скорости и точно­сти измерений её параметров. Рассмотренные методы представляют практический интерес по основным направлениям измерений и диа­гностики параметров ФАР.

Опыт авторов показывает, что эффектив­ность решения данных задач в большинстве практически важных случаев существенно по­вышается путём применения методов цифровой обработки измеряемых данных. В неко­торых случаях использование таких методов является единственно возможным практически реализуемым способом получить необходимую информацию.