Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Особенности реконструкции возбуждения в раскрыве плоской многоэлементной фазированной антенной решетки с использованием динамических диаграмм направленности

Полный текст:

Аннотация

Рассмотрены особенности реконструкции амплитудно-фазового распределения плоских многоэлементных пассивных и активных фазированных антенных решеток с использованием динамических диаграмм направленности, измеряемых при электронном сканировании лучом без механических поворотов и перемещений антенны. Описаны параметры измерения динамических диаграмм направленности, необходимые для реконструкции амплитудно-фазового распределения. Установлено, что для реконструкции амплитудно-фазового распределения по данным динамических диаграмм направленности не требуются повышенные вычислительные ресурсы ввиду использования алгоритмов преобразования Фурье. В результате экспериментальной проверки данного метода на конкретных образцах активных фазированных антенных решеток установлена его высокая эффективность. Приведены примеры реконструкции амплитудно-фазового распределения по динамическим диаграммам направленности при наличии неисправностей в активных фазированных антенных решетках.

Для цитирования:


Гаврилова С.Е., Грибанов А.Н., Мосейчук Г.Ф., Синани А.И. Особенности реконструкции возбуждения в раскрыве плоской многоэлементной фазированной антенной решетки с использованием динамических диаграмм направленности. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2017;(4):32-39.

For citation:


Gavrilova S.E., Gribanov A.N., Moseychuk G.F., Sinani A.I. Features of excitation reconstruction in flat multielement phased antenna array face using dynamic directional patterns. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2017;(4):32-39. (In Russ.)

Введение

Задача определения амплитудно-фазового распределения (АФР) в раскрывах пассивных фазированных антенных решеток (далее - ФАР) и активных фазированных антенных решеток (АФАР) приобретает все б0льшее значение для теории и практики разработки антенн. Это связано с необходимостью опера­тивного контроля исправности основных систем антенной решетки на этапах разработки и при эксплуатации готовых изделий.

Существующие на сегодняшний день ме­тоды реконструкции АФР основаны на измере­ниях параметров сигналов в каналах ФАР, либо предполагают восстановление АФР по данным измерений напряженности поля в ближней, промежуточной или дальней зонах антенн. Хорошо проработанными являются методы, базирующиеся на решении систем линейных уравнений [1, 2], однако при их использовании требуются большие вычислительные мощно­сти. Многие авторы, в том числе [2, 3], сходят­ся во мнении, что переход к плоским волнам и использование преобразования Фурье - наи­более быстрый и удобный способ для рекон­струкции АФР плоских антенных решеток.

Однако методы, основанные на таком подходе, часто требуют больших временных затрат на измерения.

В данной статье для реконструкции АФР предложено использовать динамические диа­граммы направленности (ДДН) ФАР [4], изме­ряемые при электронном сканировании лучом без механических поворотов и перемещений антенны. Это позволяет значительно сократить время измерений [4, 5]. Измерения ДДН могут проводиться как в дальней, так и в ближней зонах, например, в безэховых камерах с ис­пользованием коллиматора или методом сфо­кусированной апертуры. Для реконструкции АФР по измеренным ДДН не требуются повы­шенные вычислительные ресурсы благодаря использованию алгоритмов преобразования Фурье. Впервые практические результаты при­менения ДДН для реконструкции АФР были представлены в работе [6].

Базовые положения реконструкции АФР по ДДН

Реконструкция амплитудного распределения (АР) и фазового распределения (ФР) по из­вестной ДДН заключается в расчете параме­тров возбуждения в местах расположения центров излучающих элементов путем при­менения операции обратного преобразования Фурье [7]. Если структура расположения излучателей в плоском раскрыве прямоугольная или треугольная, а измерения ДДН произво­дились на эквидистантной сетке направлений в системе координат (и, v), то

где Amn, φmn - амплитуда и фаза излучателя;

s, p - номер строки и номер столбца сет­ки направлений;

Fps, ψps - значения амплитудной и фазо­вой составляющих ДДН в направлении с угло­выми координатами (up, vs);

u, v - угловые переменные, которые яв­ляются направляющими косинусами выбран­ного направления к осям раскрыва X и Y со­ответственно;

u = sin θ cos j, v = sin θ sin j;

k = 2π / λ - волновое число;

xn, ym - координаты излучателя, располо­женного в строке с номером m и столбце с номером n.

Исходя из выражения (1), воспользуемся преимуществами алгоритмов быстрого обрат­ного преобразования Фурье для реконструкции АФР, что значительно сократит время обра­ботки значений ДДН, особенно для антенных решеток с раскрывами, имеющими большие электрические размеры и, как следствие, боль­шое число излучателей.

Ввиду особенностей измерения диаграм­ма одного излучателя в составе решетки не оказывает влияния на ДДН, поэтому ДДН в первом приближении можно рассматривать как множитель направленности (МН) ФАР. Известно, что МН плоской антенной решетки с эквидистантным расположением излучателей по каждой оси является двумерной периодиче­ской функцией [8] в системе координат (u, v). Периодичность МН определяется структурой дифракционных максимумов. В ФАР с треу­гольной структурой расположения излучате­лей, у которых отсчет фаз при формировании наклонного фазового фронта начинается от центра, начало координат расположено между излучателями (рис. 1). Дифракционные макси­мумы имеют разный знак фазовой составляю­щей (рис. 2). Периодом комплекснозначной функции МН такой ФАР является область, по­казанная на рис. 2 красной линией.

 

Рис. 1. Фрагмент раскрыва ФАР с треугольной струк­турой расположения излучателей

 

 

Рис. 2. Структура расположения дифракционных ле­пестков МН ФАР

 

Для реконструкции АФР в раскрыве не­обходимо иметь значения МН в области перио­да. Размеры области периода МН зависят от шагов между элементами решетки dx и dy (см. рис. 1), нормированными на длину волны λ , и определяются выражениями:

При некоторых значениях dx и dy гра­ницы периода МН выходят за границы области видимости (см. рис. 2). Электронное сканиро­вание позволяет направлять луч ФАР за об­ласть видимости и измерять уровень принято­го при этом сигнала. Для измерения ДДН в направлении (U1, V1) в раскрыве необходимо сформировать фазовое распределение вида φ(χ, y) = 2π(Xu1 + yvД, поэтому набеги фаз на шаги dx и dy должны составлять

При больших отклонениях луча набеги фазы на шаги могут превышать 2π, что тех­нически вполне реализуемо, поскольку целое количество 2π при реализации фаз на излуча­телях можно не учитывать.

В соответствии с теоремой отсчетов (тео­ремой Котельникова) ДДН должна быть изме­рена с шагами

где Lx и Ly - электрические размеры раскры- ва по координатам X и Y.

По этой причине общее число измерений ДДН, например, в области одного периода, должно быть не менее

Однако в большинстве практических слу­чаев для реконструкции АФР по ДДН достаточ­но значений, измеренных в области, соответству­ющей по форме и размеру половине периода МН (далее - ячейка) с параметрами Tu = 1 / dx, Tv = 1 / dy . Это позволяет сократить число из­мерений до Nmin = [Tu / Δu][TV / Δν] ≈ NxNy, что приблизительно соответствует числу излу­чателей в прямоугольнике, описывающем рас­крыв ФАР. Если принять, что для ФАР, состо­ящей из 1000 излучателей, время одного измерения в штатном режиме составляет ≈10 мс, то общее время измерений ДДН составит все­го ≈10 с, а расчет АФР на персональном ком­пьютере средней производительности займет доли секунды.

Отметим, что комплекснозначная ДДН несет в себе информацию о координатах рас­положения излучателей и их возбуждении. Это легко демонстрируется на примере моделиро­вания ДДН АФАР с круглым раскрывом (≈600 излучателей) и реконструкции его АФР. Если по данным ДДН в области одной ячейки (рис. 3) реконструировать АФР на раскрыв б0льшего размера (рис. 4, здесь и далее значения по осям X и Y соответствуют числу длин волн), но с теми же шагами расположения излучателей, то амплитуды (рис. 5) и фазы реконструируются с очень высокой точностью. Причем амплиту­ды излучателей, расположенных за пределами исходного излучающего раскрыва, имеют зна­чения, близкие к нулю.

 

Рис. 3. Амплитудная составляющая ДДН

 

 

Рис. 4. Пример реконструкции амплитудного распре­деления на раскрыв большего размера

 

 

Рис. 5. Реконструированное амплитудное распределе­ние в центральной линейке раскрыва

 

Реконструкция при наличии регулярных ошибок возбуждения

Эффективность метода реконструкции АФР по измеренной ДДН можно показать на примере реконструкции возбуждения описанной выше АФАР. Исходное АР - спадающее (КИП = 0,9) со случайными ошибками АР σа0 = 0,02. К синфазному ФР добавлены ошибки с σφ 0 = 10°. В раскрыв также были введены не­исправности в виде отдельных и групповых отключенных излучателей (рис. 6, черные прямоугольники), а также постоянная фазо­вая добавка +60° в одной полной строке и од­ной полустроке (рис. 7). Дополнительные случайные ошибки АФР, обновляемые при каждом отклонении луча ФАР [4], в данном случае не учитывались.

 

Рис. 6. Исходное АР

 

 

Рис. 7. Исходное ФР

 

Результат расчета АФР по значениям ам­плитудной и фазовой составляющих ДДН, ле­жащим в области одной ячейки, практически полностью соответствует исходному АФР: СКО реконструированного АР от исходного составило σα ≈ 0,0015, СКО реконструиро­ванного ФР от исходного - σφ ≈ 0,2°.

Излучатели, отключенные в исходном раскрыве (с амплитудами, равными нулю), в результате реконструкции АФР получили не­значительные отклонения амплитуд от нуле­вого значения. Однако так как фазы этих из­лучателей принимают практически случайные значения в интервале ±180°, дополнительным индикатором отключенного излучателя явля­ется существенное отклонение значения его фазы от фаз других элементов (рис. 8).

 

Рис. 8. Реконструированное ФР

 

На основе полученных результатов мож­но сделать вывод, что при наличии регулярных ошибок возбуждения в раскрыве ФАР для ре­конструкции АФР достаточно иметь значе­ния в области ДДН, соответствующей одной ячейке МН.

Реконструкция при наличии нефазируемых излучателей

Особым является случай, когда в раскрыве ан­тенны присутствуют неуправляемые по фазе (так называемые нефазируемые) элементы. Если в раскрыве ФАР есть, например, неис­правная полустрока, в которой фазы элемен­тов при сканировании не изменяются, то точ­ность реконструкции АФР по области ДДН, соответствующей области одной ячейки МН, резко падает (рис. 9, 10).

 

Рис. 9. Реконструированное АР ФАР

 

Причиной снижения точности реконст­рукции АФР в данном случае является недо­статочность данных ДДН в одной ячейке МН. Достичь приемлемой точности реконструкции АФР удается при увеличении размеров обла­сти обработки ДДН до размеров периода МН (рис. 11, 12). На рис. 12 приведена фазовая со­ставляющая ДДН для демонстрации противо- фазности диффракционных лепестков ДДН, на рис. 13, 14 - результаты реконструкции АФР по данным ДДН в области периода МН.

 

Рис. 11. Амплитудная составляющая ДДН

 

 

Рис. 12. Фазовая составляющая ДДН

 

Особенность предложенного подхода за­ключается в том, что нефазируемые элемен­ты после реконструкции имеют близкую к нулю амплитуду (см. рис. 10, 14), что позво­ляет очень точно определить их положение в раскрыве. Кроме того, при реализации предло­женного подхода могут возникать трудности при раздельной идентификации неизлучающих элементов и элементов, неуправляемых по фазе. Эта особенность была подтверждена экспериментально.

 

Рис. 13. Реконструированное АР ФАР с нефазируемыми элементами

 

Заключение

Представлены базовые возможности рекон­струкции АФР по измеренной ДДН. Исполь­зование данного метода наиболее эффективно для многоэлементных ФАР/АФАР с плоскими раскрывами и эквидистантным расположени­ем излучателей вдоль строк и столбцов. Для таких решеток МН является двумерной перио­дической функцией, что значительно облегча­ет процесс измерений и обработки ДДН.

Показано, что при треугольном располо­жении излучателей в раскрыве при отсутствии в ФАР/АФАР нефазируемых излучателей для реконструкции АФР достаточно использовать данные ДДН, измеренные в области одной ячейки МН, а при наличии нефазируемых из­лучателей необходимо обрабатывать данные ДДН, измеренные в области двух ячеек МН (одного периода МН).

Важнейшими преимуществами рассмо­тренного метода являются:

  • возможность его использования для из­мерений ДДН штатного режима сканирования луча ФАР;
  • проведение измерений без механиче­ских поворотов и перемещений;
  • малые временные затраты на измерения и обработку;
  • достоверное определение в системах возбуждения и управления ФАР/АФАР неис­правностей, не меняющихся при сканировании;
  • достоверное прогнозирование характе­ристик направленности в области видимости.

Основные положения представленных результатов подтверждены в ходе эксперимен­тов на экземплярах разрабатываемых АФАР.

Список литературы

1. Балагуровский В. А., Кондратьев А. С., Маничев А. О., Полищук Н. П. Исследование работы коммутационного метода измерения амплитудно-фазового распределения антенной решетки с взаимодействующими элементами // Радиотехника. 2013. № 4. С. 70–81.

2. Гармаш В. Н., Малакшинов Н. П., Пузанков В. Ф. Численные методы решения некоторых обратных задач восстановления характеристик излучающих систем по измеренным полям в дальней и ближней зонах // Сб. научн.метод. статей по прикладной электродинамике. Вып. 5. М.: Высшая школа, 1983. С. 98–130.

3. Patton W. T., Yorinks L. H. Near-field alignment of phased-array antennas // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1999. Vol. 47. Iss. 3. Pp. 584–591.

4. 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. С. 32–40.

5. Способ определения диаграммы направленности фазированной антенной решетки / А. Н. Грибанов, Г. Ф. Мосейчук, С. Е. Гаврилова, Е. А. Павленко, О. А. Чубанова. Пат. RU № 2610820, МПК H01Q3/26. Опубл. 15.02.2017, Бюл. № 5. 2 с.

6. Гаврилова С. Е., Грибанов А. Н., 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. С. 129–134.

7. Способ определения амплитудно-фазового распределения в раскрыве фазированной антенной решетки / С. Е. Гаврилова, А. Н. Грибанов, Г. Ф. Мосейчук, Е. А. Павленко, О. А. Чубанова. Пат. RU № 2634735, МПК H01Q3/26. Опубл. 03.11.2017, Бюл. № 31. 2 с.

8. Хансен Р. К. Сканирующие антенные системы СВЧ / пер. с англ. под ред. Г. Т. Маркова, А. Ф. Чаплина. Советское радио, 1969. Т. 2. 496 с.


Об авторах

С. Е. Гаврилова
АО «Научно-исследовательский институт приборостроения имени В. В. Тихомирова»
Россия

Гаврилова Светлана Евгеньевна – инженер первой категории. Область научных интересов: активные и пассивные антенные решетки, СВЧ-техника.

г. Жуковский



А. Н. Грибанов
АО «Научно-исследовательский институт приборостроения имени В. В. Тихомирова»
Россия

Грибанов Александр Николаевич – кандидат технических наук, начальник сектора. Область научных интересов: активные и пассивные антенные решетки, СВЧ-техника.

г. Жуковский



Г. Ф. Мосейчук
АО «Научно-исследовательский институт приборостроения имени В. В. Тихомирова»
Россия

Мосейчук Георгий Феодосьевич – начальник лаборатории. Область научных интересов: активные и пассивные антенные решетки, СВЧ-техника.

г. Жуковский



А. И. Синани
АО «Научно-исследовательский институт приборостроения имени В. В. Тихомирова»
Россия

Синани Анатолий Исакович – кандидат технических наук, старший научный сотрудник, заместитель директора по научной работе. Область научных интересов: активные и пассивные антенные решетки, СВЧ-техника.

г. Жуковский



Для цитирования:


Гаврилова С.Е., Грибанов А.Н., Мосейчук Г.Ф., Синани А.И. Особенности реконструкции возбуждения в раскрыве плоской многоэлементной фазированной антенной решетки с использованием динамических диаграмм направленности. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2017;(4):32-39.

For citation:


Gavrilova S.E., Gribanov A.N., Moseychuk G.F., Sinani A.I. Features of excitation reconstruction in flat multielement phased antenna array face using dynamic directional patterns. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2017;(4):32-39. (In Russ.)

Просмотров: 43


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


ISSN 2542-0542 (Print)