Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Метод измерения динамических диаграмм направленности пассивных и активных фазированных антенных решеток

Полный текст:

Аннотация

Рассмотрен метод измерения динамических диаграмм направленности фазированных антенных решеток и активных фазированных антенных решеток, заключающийся в измерении сигнала при электронном сканировании луча неподвижной антенны. Показаны основные различия динамических и статических диаграмм направленности. Исходя из теоремы отсчетов Котельникова, даны рекомендации по выбору минимального числа направлений измерения динамической диаграммы направленности. Приведена схема рабочего места для измерения динамических диаграмм направленности на стенде АО «НИИП имени В. В. Тихомирова». Представлены измеренные статические и динамические диаграммы направленности реальной активной фазированной антенной решетки.
Метод измерения динамических диаграмм направленности позволяет значительно сократить время определения характеристик излучения фазированных антенных решеток и активных фазированных антенных решеток как в отдельных угловых сечениях, так и во всей области видимости, а также существенно повысить их информативность. Кроме того, для измерения динамических диаграмм направленности не требуется поворотный стенд. Динамические диаграммы направленности могут быть использованы для определения статических (измеренных методом поворота антенны) диаграмм направленности в дальней зоне, для восстановления амплитудно-фазового распределения на апертуре и проведения диагностики неисправностей антенны.

Для цитирования:


Грибанов А.Н., Гаврилова С.Е., Дорофеев А.Е., Мосейчук Г.Ф., Алексеев О.С. Метод измерения динамических диаграмм направленности пассивных и активных фазированных антенных решеток. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2016;(4):32-40.

For citation:


Gribanov A.N., Gavrilova S.E., Dorofeev A.E., Moseychuk G.F., Alekseev O.S. A method for measuring dynamic radiation patterns of passive and active phased antenna arrays. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2016;(4):32-40. (In Russ.)

Введение

Современные радиолокаторы оснащают пас­сивными или активными фазированными ан­тенными решетками (ФАР) с плоскими раскрывами. В процессе настройки и исследова­ния характеристик таких антенн часто требу­ется оперативно определить их характеристи­ки излучения во всей области видимости.

Решение проблемы измерений диаграмм направленности (ДН) ФАР связано с высокой трудоемкостью, поскольку измерения необ­ходимо проводить в режимах на передачу и прием на разных частотных литерах при фор­мировании большого количества лучей специ­альной формы и отклонении лучей в разные направления. Кроме того, возникает необхо­димость в определении положений и уровней боковых лепестков ДН, расположенных вне главных угловых сечений, однако для изме­рения ДН в двумерной угловой области тре­буется довольно много времени. Также при измерениях необходимо использовать доро­гостоящее оборудование, например поворот­ный стенд.

На сегодняшний день разработано боль­шое количество методов определения ДН. Со­временные подходы к определению ДН основа­ны на модернизированных и адаптированных методах голографии или апертурно-зондовых методах, коммутационном и модуляционном методах, бесфазовых методах, а также методах фокусировки [1]. Многие из них используют­ся совместно, что позволяет снять некоторые ограничения. Однако перечисленные методы обладают существенным недостатком: восста­новление ДН в дальней зоне осуществляется посредством сложных математических опе­раций. Кроме того, измерение поля в ближней зоне требует больших временных затрат, свя­занных либо с механическим перемещением зонда, либо с многочисленными коммутация­ми фазовращателей.

В некоторой степени перечисленные не­достатки можно устранить при использовании метода измерений динамических ДН, разра­ботка которых велась на протяжении послед­них лет в АО «НИИП имени В. В. Тихоми­рова».

Понятие «динамическая ДН» (ДДН) и способы ее применения упоминались ранее в работах [2, 3], однако в полной мере рас­крыты в доступной литературе не были, при­чем термин «динамическая ДН» трактовался по-разному. В настоящей статье под динами­ческой ДН понимается диаграмма, измеренная при электронном сканировании луча ФАР по­средством изменения фазового распределения в ее раскрыве при фиксированных положениях испытуемой ФАР и вспомогательной антен­ны и последующей обработке полученных результатов, что согласуется с определением, данным в статье [2]. Краткие сведения о мето­де измерения характеристик направленности ФАР при сканировании лучом даны в рабо­те [3], в которой также отмечено, что такой метод сканирования является частным случаем коммутационного метода. Впервые метод из­мерения динамических ДН, определение с его помощью амплитудно-фазового распределения (АФР) и диагностика неисправностей антенны были рассмотрены в работе [4]. В противовес динамической ДН диаграмму направленности ФАР, измеряемую при неизменном АФР, будем называть статической ДН.

Принцип измерения динамических ДН

Измерения динамических ДН основаны на измерениях СВЧ-сигналов на входе ФАР (ре­жим приема) или на входе вспомогательной антенны (режим передачи) при фиксирован­ных взаимных положениях ФАР и вспомо­гательной антенны, при сканировании луча ФАР, в общем случае - в двумерной угловой области. При измерениях должно, как пра­вило, обеспечиваться формирование плоско­го фазового фронта на раскрыве ФАР, хотя в общем случае это условие не является обяза­тельным.

Главное отличие процессов измерения динамической и статистической ДН заключа­ется в использовании разных методов: метода механического поворота антенны для стати­ческой ДН и метода электронного отклонения луча для динамической ДН, - что показано на рис. 1.

 

Рис. 1. Схемы измерения статической ДН методом механического поворота антенны (а) и динамической ДН методом электронного отклонения луча (б)

 

Схема измерения статической ДН ФАР при работе на прием методом поворота ан­тенны показана на рис. 1, а. Вспомогатель­ная антенна формирует падающее на раскрыв электромагнитное поле с плоским фазовым фронтом. При измерениях методом поворо­та антенны АФР в раскрыве не изменяется, а раскрыв антенны вместе с ее ДН сканиро­вания (ДН одного излучателя в составе ре­шетки) поворачивается на некоторый угол θk . При этом в направлении приема сигнала от вспомогательной антенны оказывается уро­вень ДН, расположенный в исходной ДН на угле - θk , который фиксируется при измере­ниях. Важно отметить, что в процессе таких измерений форма ДН и соотношения между уровнями луча и боковых лепестков остаются неизменными.

В процессе измерений с помощью раз­рабатываемого метода (см. рис. 1, б) антенна остается неподвижной, а уровни ДН в задан­ном направлении θk измеряются при откло­нении луча на угол - θk путем формирования в раскрыве линейного наклонного фазового распределения. При этом значение ДН ска­нирования в направлении приема сигнала от вспомогательной антенны остается неизмен­ным, в процессе измерений в этом направле­

нии фиксируется уровень ДН ФАР, поэтому измеряемую ДН можно рассматривать как мно­житель решетки.

Аналитические выражения для ДДН

Формула расчета статической ДН плоской ФАР с большим числом излучателей выгля­дит следующим образом:

где F1(u, v) - диаграмма направленности од­ного излучателя в составе ФАР;

u, v - угловые переменные, являющиеся направляющими косинусами выбранного на­правления к осям X и Y соответственно (u = sin θ cos φ, v = sin θ sin φ);

M - число строк излучателей в раскрыве ФАР;

Nm - число излучателей в m-й строке;

Amn, φmn - амплитуда и фаза излучателя, расположенного в m-й строке и n-м столбце;

k = 2π / λ - волновое число;

xmn, ymn - координаты излучателя;

FMN (u, v) - множитель направленности ФАР.

Как было отмечено выше, динамическую ДН, получаемую в результате измерений, мож­но рассматривать как множитель решетки. В этом случае выражение для ее расчета отли­чается от (1) тем, что ДН одного излучателя в составе решетки F1(u, v) в нем не участвует. Кроме того, при измерениях ДДН каждое от­клонение луча ФАР сопровождается измене­нием АФР, которое обусловлено ошибками реализации амплитуд и фаз поля на раскрыве антенной решетки. Учитывая эти факторы, приведем формулу для описания ДДН плоской ФАР, излучатели которой расположены вдоль строк и столбцов:

где q - номер направления луча ФАР при ска­нировании;

∆Amnq, ∆φmnq - ошибки амплитуды и фазы (с нулевыми математическими ожиданиями) излучателя, расположенного в m-й строке и n-м столбце, при q-м направлении луча.

Значения Fq - это отсчеты ДДН в на­правлениях (uq, vq ). Для случая, когда нормаль к антенне совпадает с направлением прихода сигнала, для определения Fq луч ФАР необхо­димо отклонить на угол {-uq, -vq}.

Для ФАР, имеющих в качестве исходного возбуждения равномерное амплитудное рас­пределение Amn = I, в соответствии с работами [5, 6] получаем формулу оценки среднего уров­ня нормированной ДДН по мощности в q-м направлении при нормальном законе фазовых и амплитудных ошибок:

где Pq (uq, vq )0 - значение нормированной ДДН ФАР по мощности в отсутствие искаже­ний АФР;

σ2φ - среднее квадратическое отклонение (СКО) относительных фазовых искажений, выраженных в радианах;

σ2Α - СКО относительных амплитудных искажений;

K - общее число излучателей ФАР

Основные отличия динамических и статических ДН

Процесс измерений ДДН состоит в отклоне­нии луча ФАР по заданному направлению пу­тем изменения фазового распределения. При идеальной реализации АФР динамическая ДН точно соответствует множителю решетки. Однако в реальных условиях каждое измене­ние фазового распределения в ФАР приводит к появлению случайных ошибок фаз и ампли­туд, которые вносят искажения в заданное АФР. Случайные ошибки обновляются при каждом отклонении луча, что вызывает флук­туации принимаемого сигнала антенны. Из-за наличия случайной составляющей динами­ческая ДН, в отличие от статической, имеет изрезанный характер, что особенно заметно на ее низких уровнях. Для того чтобы проде­монстрировать это утверждение для плоской

ФАР, статическая и динамическая ДН были рассчитаны с помощью программы матема­тического моделирования, использующей выражения (1) и (2). Однако динамическая ДН отличается от статической не только изре- занностью, но и повышенным уровнем излу­чения в области дальних боковых лепестков (рис. 2), что обусловлено отсутствием влия­ния на динамическую ДН диаграммы одного излучателя.

 

Рис. 2. Рассчитанные статическая (пунктир) и динамическая (сплошная) ДН при наличии случайных ошибок АФР

 

Для сравнения динамической и стати­ческой диаграмм ДДН была умножена на ДН сканирования (рис. 3). Было установлено, что характер поведения обеих ДН совпадают.

 

Рис. 3. Рассчитанные статическая (пунктир) и динамическая ДН с учетом ДН сканирования (сплошная) при наличии случайных ошибок АФР

 

Кроме того, в динамической ДН присутству­ет случайная составляющая, которая сильнее сказывается на ее низких уровнях и практи­чески незаметна на высоких. На каждом угле динамической ДН ее уровень определяется новой реализацией АФР, в то время как ста­тическая ДН рассчитывается для одной реа­лизации АФР.

Ввиду описанных особенностей динами­ческая ДН, строго говоря, не является множи­телем решетки в его классическом понимании. Для рассматриваемой ФАР не существует та­кого АФР, которое позволило бы сформировать множитель решетки, точно соответствующий измеренной динамической ДН.

Минимальный объем измерений динамической ДН

Объем измерений одной ДДН определяется числом положений луча, при которых фикси­руется уровень сигнала. Необходимо опреде­лить минимальное число измерений, доста­точное для получения полной информации о ДДН. Как уже отмечалось, ДДН в первом приближении можно считать множителем на­правленности. Множитель направленности (МН) эквидистантной линейной антенной ре­шетки с равномерным амплитудным распре­делением имеет вид

где N - число элементов линейной решетки;

d - расстояние между элементами;

u = sin (θ).

При достаточно большом числе излу­чателей наивысшая частота изменения функ­ции fN (u) определяется числителем sin (2πNd/(2λ) u) и равна

Согласно теореме отсчетов Котельни­кова, для полного представления временной функции со спектром, ограниченным часто­той fmax, достаточно знать ее в точках отсчетов, взятых с интервалами Δt = 1/(2fmax). Отметим, что поведение сигнала во времени и его ча­стотный спектр, а также зависимость МН от u и возбуждение ФАР в раскрыве связаны между собой преобразованиями Фурье. По этой при­чине теорему отсчетов Котельникова можно использовать и для представления МН серией отсчетов, поскольку его спектр (АФР) ограни­чен размерами раскрыва L. Исходя из этого, МН надо измерять с угловым шагом не более Δu = λ/L, а минимальное число точек измере­ния на интервале Δu = 2 должно составлять

Здесь квадратными скобками обозначена опе­рация определения ближайшего сверху целого числа.

Таким образом, минимальное число то­чек, описывающих МН линейного раскрыва с равномерным амплитудным распределением, не зависит от числа излучателей или шагов их расположения, а определяется лишь электри­ческими размерами апертуры антенны и чис­ленно равно числу полуволн, укладывающихся на раскрыве. Для плоского раскрыва эллипти­ческой формы со спадающим амплитудным распределением, зависящим от радиуса, эту формулу можно применить лишь для получе­ния оценочного значения. Однако, как пока­зывают результаты расчетов, точное значение минимального числа измерений ДДН по коор­динатам u и v может отличаться от оценочного значения всего на несколько единиц. С учетом того, что для плоского раскрыва направления измерений ДДН лежат только в области види­мости (u2 + V2 ≤ 1) антенны, в качестве оценки минимального числа измерений ДДН плоской ФАР примем величину

где множитель π/4 - отношение площади кру­га единичного радиуса, вписанного в квадрат, к площади этого квадрата.

Результаты измерений динамической пространственной ДН

Измерения ДДН были проведены на одном из экземпляров АФАР в безэховой камере с коллиматором. Схема рабочего места и со­став оборудования приведены на рис. 4. Для измерения динамической пространственной диаграммы направленности (ДПДН) была разработана специализированная программа, реализованная в виде дополнительного модуля к программе управления АФАР. Время измерений одного отсчета ДПДН складыва­ется, главным образом, из времени перефазирования антенны, времени замера параметров векторным анализатором и передачи информации от анализатора к управляющему компьютеру, а также штатными параметрами работы АФАР. В данном случае время изме­рений одного отсчета ДПДН составило около 5 мс.

 

Рис. 4. Схема рабочего места для измерения ДПДН в режиме приема: БЭК - безэховая камера; АФАР - активная фазированная антенная решетка; ОПУ - опорно-поворотное устройство

 

На рис. 5 приведена одна из измеренных ДПДН во всей области видимости в системе координат (u, v ). ДПДН при наличии случай­ных ошибок АФР имеет сильно изрезанный характер, что продемонстрировано на рис. 6. Измерения проводились на сетке 201x201 (око­ло 32 000 точек в области видимости), поэто­му весь процесс измерений занял около 160 с.

 

Рис. 5. Измеренная суммарная ДПДН

 

 

Рис. 6. Азимутальное сечение измеренной суммарной динамической ДН

 

Определение статических ДН ФАР - одна из задач, которую можно решать с по­мощью измеренных динамических ДН. Было проведено сравнение измеренных динамиче­ских и статических ДН, полученных методом поворота антенны. Все измеренные ДПДН были обработаны в программе математиче­ского моделирования, где была учтена ДН од­ного излучателя в составе решетки (рис. 7, 8). На рис. 9 приведены аналогичные результаты сравнения для оптимизированной разностной ДН и одномерно расширенного луча АФАР. Результаты сравнения приведенных ДН по­казали, что ДН отличаются не более чем на 0,1 дБ выше уровня -31 дБ. Наилучшее совпа­дение представленных диаграмм наблюдается в угловой области ±40° относительно нормали. Отчасти разница ДН может быть объяснена тем, что уровень динамической ДН на каждом угле меняется с учетом реализации АФР, в то время как статическая ДН измеряется только при одной реализации АФР. Кроме того, на ре­зультатах измерений сказались все факторы, присущие как рабочему месту измерений, так и фиксации уровня сигнала.

 

Рис. 7. Измеренная ДПДН с учетом ДН одного излучателя в составе решетки

 

Заключение

Рассмотрен метод измерения динамических ДН антенных решеток с электронным управ­лением лучом. Показано, что в первом при­ближении результат измерений представляет собой множитель решетки. В соответствии с теоремой отсчетов Котельникова получены параметры минимальных размеров сетки, ко­торые можно рассматривать в качестве приближенных значений.

Проведены измерения пространствен­ной ДДН на одном из экземпляров АФАР. Со­поставление измеренных динамических ДН с учетом диаграммы одного излучателя и статических ДН в главных сечениях показало вы­сокую степень их соответствия.

Рассмотренный метод измерения дина­мических ДН позволяет проводить быстрые измерения ДПДН во всей области видимости и сократить время измерений характеристик излучения ФАР, к тому же для его применения не требуется опорно-поворотное устройство.

Динамические ДН могут быть примене­ны для быстрого определения статических ДН во всей области видимости, для определения амплитудно-фазового распределения на апертуре и диагностики неисправностей антенны, особенно для случая АФАР.

Список литературы

1. Исаков М. А., Лисинский В. П. Перспективы реконструктивных антенных измерений как основного метода приемо-сдаточных испытаний // Вестник Концерна ПВО «АлмазАнтей». 2015. № 3. С. 51–58.

2. Денисенко В. В., Дубров Ю. Б., Корчемкин Ю. Б., Макота В. Д., Николаев А. М., Толкачёв А. А., Шитиков А. М., Шубов А. Г., Шишлов А. В. Многоэлементная ФАР КА-диапазона волн // Антенны. 2005. № 1. С. 7–14.

3. Попов О. В., Сосунов Б. В., Фитенко Н. Г., Хитров Ю. А. Методы измерения характеристик антенно-фидерных устройств / Под ред. Б. В. Сосунова. Л.: ВАС, 1990. 182 с.

4. Грибанов А. Н., Гаврилова С. Е., Мосейчук Г. Ф., Алексеев О. С., Дорофеев А. Е. Метод измерения динамических диаграмм направленности для диагностики неисправностей ФАР и АФАР // Антенны и радары с электронным управлением лучом / Под ред. А. И. Синани, Г. В. Кауфмана. М.: Радиотехника, 2016. C. 129–134.

5. Самойленко В. И., Шишов Ю. А. Управление фазированными антенными решетками. М.: Радио и связь, 1983. 240 с.

6. Балагуровский В. А., Кондратьев А. С., Маничев А. О., Полищук Н. П. Расчет статистических характеристик погрешностей амплитудно-фазового распределения в многоэлементной фазированной антенной решетке // Антенны. 2008. № 2. С. 20–25.


Об авторах

А. Н. Грибанов
АО «НИИП имени В. В. Тихомирова»
Россия

Грибанов Александр Николаевич – кандидат технических наук, начальник сектора

Область научных интересов: активные антенные решетки, пассивные антенные решетки, СВЧ-техника, формирование диаграммы направленности, динамическая диаграмма направленности, статическая диаграмма направленности.

г. Жуковский



С. Е. Гаврилова
АО «НИИП имени В. В. Тихомирова»
Россия

Гаврилова Светлана Евгеньевна – инженер первой категории

Область научных интересов: активные антенные решетки, пассивные антенные решетки, СВЧ-техника, формирование диаграммы направленности, динамическая диаграмма направленности, статическая диаграмма направленности.

г. Жуковский



А. Е. Дорофеев
АО «НИИП имени В. В. Тихомирова»
Россия

Дорофеев Александр Евгеньевич – инженер первой категории

Область научных интересов: активные антенные решетки, пассивные антенные решетки, СВЧ-техника, формирование диаграммы направленности, динамическая диаграмма направленности, статическая диаграмма направленности.

г. Жуковский



Г. Ф. Мосейчук
АО «НИИП имени В. В. Тихомирова»
Россия

Мосейчук Георгий Феодосьевич – начальник лаборатории

Область научных интересов: активные антенные решетки, пассивные антенные решетки, СВЧ-техника, формирование диаграммы направленности, динамическая диаграмма направленности, статическая диаграмма направленности.

г. Жуковский



О. С. Алексеев
АО «НИИП имени В. В. Тихомирова»
Россия

Алексеев Олег Станиславович – начальник научно-исследовательского отдела

Область научных интересов: активные антенные решетки, пассивные антенные решетки, СВЧ-техника, формирование диаграммы направленности, динамическая диаграмма направленности, статическая диаграмма направленности.

г. Жуковский



Для цитирования:


Грибанов А.Н., Гаврилова С.Е., Дорофеев А.Е., Мосейчук Г.Ф., Алексеев О.С. Метод измерения динамических диаграмм направленности пассивных и активных фазированных антенных решеток. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2016;(4):32-40.

For citation:


Gribanov A.N., Gavrilova S.E., Dorofeev A.E., Moseychuk G.F., Alekseev O.S. A method for measuring dynamic radiation patterns of passive and active phased antenna arrays. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2016;(4):32-40. (In Russ.)

Просмотров: 46


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


ISSN 2542-0542 (Print)