Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

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

Полный текст:

Аннотация

Рассмотрена задача измерения параметров фазированных антенных решёток без механического перемещения испытуемой и/или вспомогательной антенн. Приведены примеры, демонстрирующие высокую эффективность и практическую значимость данного подхода к осуществлению измерений.

Для цитирования:


Ненартович Н.Э., Балагуровский В.А., Маничев А.О. Методы измерения параметров и диагностики отказов фазированной антенной решётки в ближней зоне без применения механических позиционеров. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2015;(3):36-42.

For citation:


Nenartovich N.E., Balagurovsky V.A., Manichev A.O. Methods of measuring the parameters and fault diagnosis phased antenna array in the near field without the use of mechanical positioners. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2015;(3):36-42. (In Russ.)

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.

 

Рис. 1. Внешний вид измерительной установки

 

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;

An - амплитуда n-го элемента;

ψn - фаза возбуждения n-го элемента;

xn, yn - 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).

 

Рис. 2. Плотность распределения вероятностей отно­сительных амплитудных искажений для ФАР со спада­ющим амплитудным распределением от нормирован­ной амлитуды (анорм=а/М{а}): χ2 = 7,71, r = 10, р = 0,66

 

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.

 

Рис. 3. Внешний вид испытуемой ФАР

 

 

Рис. 4. Зависимость отношения амплитуд отражённых сигналов элементов(Vоткл/Vиспр), измеренных при отказах, к амплитудам, измеренным в исправном состоянии (по оси абсцисс несмещенный номер элемента ФАР)

 

  1. 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.

 

Рис. 5. Внешний вид испытуемой АФАР

 

 

Рис. 6. Расчётная и экспериментальная ДН АФАР:

ДН БП по характестикам, измеренным в БЭК с применением коммутационного метода

 

 

Рис. 7. Рабочее окно программы, выполнившей измерение и расчёт трёхмерной ДН АФАР

 

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.

Список литературы

1. Lowenschuss O. Patent US 3378846 “Method and apparatus for testing phased array antennas”, published Apr. 16, 1968, p. 8.

2. Леманский А. А., Рабинович В. С., Соколов В. Г. Восстановление распределения поля в раскрыве решётки модуляционным способом // Радиотехника и электроника. 1976. Т. 21, № 3. С. 616–620.

3. Бубнов Г. Г., Никулин С. М., Серяков Ю. Н., Фурсов С. А. Коммутационный метод измерения характеристик ФАР. М.: Радио и связь, 1988. 120 с.

4. Воронин Е. Н., Нечаев Е. Е., Шашенков В. Ф. Реконструктивные антенные измерения. М.: Наука. Физматлит, 1995. 352 с.

5. Сазонов Д. М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высш. шк., 1988. 432 с.

6. Балагуровский В. А., Кондратьев А. С., Сергеев Е. А., Маничев А. О. Способ определения диаграммы направленности фазированной антенной решётки: Пат. № 2, 343, 495 Российская Федерация; опубл. 10.01.09.

7. Маничев А. О., Захаров А. А. Метод многочастотного измерения параметров возбуждения элементов фазированной антенной решётки // Антенны. 2009. № 8. С. 23–32.

8. Маничев А. О., Захаров А. А. Многочастотный метод измерения амплитудно-фазового распределения фазированной антенной решётки // Радиолокационные системы специального и гражданского назначения 2010-2012: сб. докл. ХХ научно-технической конференции ОАО "НИИП им. Тихомирова", г. Жуковский, 10-12 марта 2010 г. / под ред. Ю. И. Белого. М.: Радиотехника, 2011. С. 677-684

9. Шифрин Я. С., Лиепинь У. Р., Головин Г. А. Экспериментальная оценка и использование матрицы взаимных связей излучателей в ФАР // Успехи современной радиоэлектроники. 2005. № 7. С. 3–9.

10. Лиепинь У. Р., Свитенко Н. И. Метод измерения диаграмм направленности излучателей в составе ФАР // Успехи современной радиоэлектроники. 2005. № 7. С. 10–13.

11. Балагуровский В. А., Кондратьев А. С., Маничев А. О., Полищук Н. П. Расчёт статистических характеристик погрешностей амплитудно-фазового распределения в многоэлементной фазированной антенной решетке // Антенны. 2008. № 2. С. 20–26.

12. Балагуровский В. А., Кондратьев А. С., Маничев А. О., Полищук Н. П. Экспериментальный метод решения внутренней прямой задачи статистической теории антенн (применительно к задаче повышения помехозащищённости антенных систем) // Морские комплексы и системы : юбилейная науч.-техн. конф. ОАО «МНИИРЭ «Альтаир». М.: ОАО "МНИИРЭ "Альтаир", 15–16 октября 2008 г. С. 42–43.

13. Зайцев Н. А., Наумов С. В., Волков С. А., Кислицын В. Ю., Ивашко А. М., Киреев И. С. Оценка комплексных амплитуд возбуждения каналов фазированной антенной решётки // III научно-техническая конференция ОАО «НИЭМИ», 18–20 ноября 2008 г. М.: ОАО "НИЭМИ", 2008. С. 13.

14. Балагуровский В. А., Маничев А. О., Кондратьев А. С., Захаров А. А. Патент РФ №2,413,345 «Способ диагностики состояния элементов фазированной антенной решётки»; опубл. 27.02.11, Бюл. № 6.

15. Manichev A. O., Balagurovskii V. A. Design of Experiments and Data Processing for Diagnostics of Phased Array Antenna Elements with the Use of Reflected Signals // Progress in Electromagnetics Research Symposium : международ. симпозиум, Москва, 19–23 августа 2012 г.

16. Маничев А. О., Балагуровский В. А. Методы диагностики фазированной антенной решётки со взаимными связями по сигналам, отражённым от излучателей // Радиолокация и радиосвязь : сб. докл. VI Всероссийской конф. 19–22 ноября 2012 г., М.: ИРЭ им. В. А. Котельникова РА. С. 194–198.

17. Маничев А. О., Балагуровский В. А. Методы диагностики элементов фазированной антенной решетки по сигналам, отраженным от переходов излучатель – свободное пространство, при наличии взаимных связей элементов // Радиотехника и электроника. 2013. Т. 58, № 4. С. 348–359.

18. Scharfman W. E., August G. Pattern Measurements of Phased Arrayed Antennas by Focussing into the Near Zone // "Phased Array Antennas", Artech House, Norwood, Mass., 1972, P. 344–349.


Об авторах

Н. Э. Ненартович
ОАО «ГСКБ «Алмаз-Антей»
Россия

Ненартович Николай Эдуардович – кандидат технических наук, генеральный конструктор

Область научных интересов: разработка радиотехнических управляющих комплексов.

г. Москва



В. А. Балагуровский
ОАО «ГСКБ «Алмаз-Антей»
Россия

Балагуровский Владимир Алексеевич – начальник СКБ

Область научных интересов: разработка и измерение параметров фазированных антенных решёток.

г. Москва



А. О. Маничев
ОАО «ГСКБ «Алмаз-Антей»
Россия

Маничев Александр Олегович – начальник отдела

Область научных интересов: разработка и измерение параметров фазированных антенных решёток.

г. Москва



Для цитирования:


Ненартович Н.Э., Балагуровский В.А., Маничев А.О. Методы измерения параметров и диагностики отказов фазированной антенной решётки в ближней зоне без применения механических позиционеров. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2015;(3):36-42.

For citation:


Nenartovich N.E., Balagurovsky V.A., Manichev A.O. Methods of measuring the parameters and fault diagnosis phased antenna array in the near field without the use of mechanical positioners. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2015;(3):36-42. (In Russ.)

Просмотров: 44


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)