Кольцевая антенная решетка с системой контроля

 

Изобретение может быть использовано для параллельного контроля работоспособности каналов кольцевых антенных решеток, фазируемых по методу кольцевых гармоник. Сущность изобретения состоит в том, что в кольцевую антенную решетку, содержащую первый СВЧ-коммутатор, первую диаграммообразующую матрицу, входы которой соединены с излучателями антенной решетки, фиксированные фазовращатели по числу излучателей и вторую диаграммообразующую матрицу, входы которой связаны с выходами фиксированных фазовращателей, а выходы - с соответствующими входами первого СВЧ-коммутатора, выход которого является выходом антенной решетки с системой контроля, включающей генератор контрольного сигнала и вспомогательную антенну, дополнительно введены анализатор спектра, второй СВЧ-коммутатор и направленные ответвители по числу излучателей, входы которых подключены к выходам первой диаграммообразующей матрицы, первые выходы подключены к входам фиксированных фазовращателей, а вторые - к соответствующим входам второго СВЧ-коммутатора, соединенного с входом анализатора спектра. Периодическое подключение вторым СВЧ-коммутатором выходов направленных ответвителей к входу анализатора спектра приводит к модуляции фазы сигналов излучателей по линейному закону со скоростью, пропорциональной номеру излучателя, что приводит к различному смещению их частоты и позволяет наблюдать эти сигналы на экране анализатора спектра раздельно. 3 ил.

Изобретение относится к технике радиоизмерений и может быть использовано для параллельного контроля работоспособности каналов кольцевых антенных решеток, фазируемых по методу кольцевых гармоник.

Известные устройства параллельного контроля работоспособности каналов антенных решеток (АР) можно разделить на две большие группы: устройства встроенного контроля [1] и устройства вынесенного контроля [2].

Характерной особенностью устройств вынесенного контроля является наличие источников контрольных сигналов, содержащих генератор и вспомогательную антенну.

Известные устройства вынесенного контроля функционируют на основе одного из способов: модуляционного [3] или коммутационного [4]. В обоих способах в контролируемом канале АР осуществляют переключение фазовращателя в последовательные состояния. Разница состоит в том, что в модуляционном способе контролируемые параметры оценивают после измерения спектральных компонент сигнала, что в большинстве случаев наиболее просто выполнить с помощью радиотехнических устройств. Для коммутационного же метода характерно временное представление сигнала, причем параметры контролируемого канала оценивают по выборкам наблюдаемого сигнала в конечном числе точек преобразованием сигнала на ЭВМ.

Известно устройство модуляционного контроля ФАР [3], предназначенное для селективной проверки каждого элемента ФАР, содержащее передатчик, посылающий опорный сигнал на элемент АР, приемник, принимающий результирующие сигналы, измерительное устройство, оценивающее глубину амплитудной и фазовой модуляции, и управляемые многоэлементные фазовращатели, связанные с каждым элементом АР, манипуляцией которых производят модуляцию сигнала опорного канала, в результате чего в спектре суммарного сигнала на выходе приемника появляются боковые гармоники, отстоящие от основной частоты на некоторые кратные ей интервалы.

Одним из недостатков рассмотренного устройства модуляционного контроля является использование управляемых фазовращателей в каналах излучателей.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство, основанное на способе контроля работоспособности ФАР кругового обзора [5], принцип действия которого заключается в последовательном контроле работоспособности каждого канала ФАР путем изменения фазы в контролируемом канале ФАР и проведении измерений параметров сигнала на выходе сумматора ФАР при облучении апертуры ФАР внешним источником излучения, расположенным в минимуме ее диаграммы направленности, обеспечиваемом противофазным суммированием сигналов неконтролируемых каналов ФАР; определение по результатам измерения параметров сигнала на выходе сумматора ФАР производят путем подключения контролируемого канала ФАР к излучателю, расположенному вблизи внешнего источника излучения, а неконтролируемых каналов - к излучателям, расположенным на противоположной стороне апертуры ФАР, затененной от внешнего источника излучения.

Недостатком данного устройства является невозможность применения в АР, фазируемых по методу кольцевых гармоник (с матричной схемой возбуждения) [6] .

В качестве диаграммообразующей матрицы могут использоваться матрицы параллельного типа (матрицы Батлера) или последовательного типа (матрицы Бласса).

На фиг. 1 представлена структурная схема цилиндрической АР, фазируемой по методу кольцевых гармоник; на фиг. 2 - структурная схема предлагаемой кольцевой АР с системой контроля; на фиг. 3 показана спектрограмма, видимая на экране анализатора спектра при осуществлении контроля заявляемым устройством.

Для правильного понимания принципа действия предлагаемого устройства контроля предварительно рассмотрим работу АР с фазированием по методу кольцевых гармоник с использованием матриц Батлера [6].

Структурная схема N-элементной цилиндрической АР представлена на фиг. 1. Она состоит из системы излучателей 1, первой матрицы Батлера 2, фиксированных фазовращателей 3, второй матрицы Батлера 4, СВЧ-коммутатора 5 и передатчика (приемника) 6.

Для возбуждения в цилиндрической АР любой m-й кольцевой гармоники (m=1, 2, . . ., N) излучатели АР 1 могут быть подключены к выходам матричной схемы Батлера 2. Последняя представляет собой пассивную цепь без потерь с N входами и N выходами, причем N равно некоторой степени двух. Входы матрицы развязаны между собой и возбуждением любого (m-го) из входов приводит к появлению на всех (n-х) выходах токов равной амплитуды с линейно изменяющейся фазой, т.е.

Это означает, что при возбуждении m-го входа матрицы Батлера 2 в цилиндрической АР возбуждается m-ая кольцевая гармоника (фаза N-го излучателя ϑ_mN = 2πm ) . Если все входы матрицы Батлера 2 возбудить синфазно, то в цилиндрической АР одновременно будут существовать N кольцевых гармоник. Каждая гармоника имеет амплитудную диаграмму направленности , которая является ненаправленной, и фазовую диаграмму направленности argF_m(ϕ) , значение которой при ϕ = 0 является различным для каждой гармоники.

В связи с этим на входах матрицы Батлера 2 необходимо установить фиксированные фазовращатели 3, которые должны выровнять фазы кольцевых гармоник в нулевом направлении. Тогда ток в n-ом излучателе можно записать в виде где Ψ_m = arg F_m(0) . (3) В результате диаграмма направленности решетки, возбужденной N кольцевыми гармониками, оказывается подобной диаграмме направленности N-элементной линейной АР: Из (4) следует, что при введении прогрессивного фазового сдвига между кольцевыми гармониками (mϕ₀) диаграмма направленности поворачивается на угол ϕ₀ . Для управления положением луча цилиндрической АР, в которой кольцевые гармоники формируются с помощью матричной схемы Батлера 2, используется вторая матрица Батлера 4.

В этом случае приемник (передатчик) 6 подключается к одному из входов (p-му) второй матрицы Батлера 4 через СВЧ-коммутатор 5, а ее m-й выход соединен с m-м входом первой матрицы Батлера 2 через фиксированный фазовращатель 3 со сдвигом фаз, равным (3). Подобно (1) можно записать выражение для фазы на выходе m второй матрицы Батлера 4 при подаче сигнала на p-й вход:
где
- угловое положение центра p-ого излучателя.

В итоге фаза сигнала m-й гармоники на входе излучателя с номером n при подсоединении СВЧ-коммутатора 5 к p-му входу второй матрицы Батлера 4 составит:
.

Как следствие, диаграмма направленности цилиндрической АР в этом случае примет вид (4), причем ϕ₀ = ϕ_p .
Таким образом, при подключении СВЧ-коммутатора 5 к p-му входу второй матрицы Батлера 4 ориентация луча будет совпадать с угловым положением центра p-го излучателя. В соответствии с принципом взаимности в случае приемной АР при падении на нее плоской волны с направления ϕ_p сигнал появится на p-м выходе второй матрицы Батлера (на p-м входе СВЧ-коммутатора).

Изобретение направлено на проведение модуляционного контроля параллельно во всех излучателях кольцевой АР, фазируемой по методу кольцевых гармоник. Контроль может осуществляться как в режиме приема, так и в режиме передачи.

Сущность изобретения состоит в том, что в кольцевую антенную решетку (содержащую СВЧ-коммутатор, первую диаграммообразующую матрицу, входы которой соединены с излучателями антенной решетки, фиксированные фазовращатели по числу излучателей и вторую диаграммообразующую матрицу, входы которой связаны с выходами фиксированных фазовращателей, а выходы - с соответствующими входами СВЧ-коммутатора, выход которого является выходом антенной решетки) с системой контроля, включающей генератор контрольного сигнала и вспомогательную антенну, дополнительно введены анализатор спектра, второй СВЧ-коммутатор и направленные ответвители по числу излучателей, входы которых подключены к выходам первой диаграммообразующей матрицы, первые выходы подключены к фиксированным фазовращателям, а вторые - к соответствующим входам второго СВЧ-коммутатора, соединенного с входом анализатора спектра.

В приемном варианте кольцевая АР с системой контроля (см. фиг. 2) содержит систему излучателей 1, первую диаграммообразующую матрицу 2, фиксированные фазовращатели 3 по числу излучателей, вторую диаграммообразующую матрицу 4, СВЧ-коммутатор 5, приемник 6, направленные ответвители 7 по числу излучателей, второй СВЧ-коммутатор 8 и анализатор спектра 9, а также блок вынесенного контроля, состоящий из вспомогательной антенны 10 и генератора контрольного сигнала 11.

Излучатели решетки 1 соединены с соответствующими входами первой диаграммообразующей матрицы 2, выходы последней подключены к входам направленных ответвителей 7, первые выходы которых соединены с входами фиксированных фазовращателей 3, а вторые - с входами второго СВЧ-коммутатора 8, выход которого подключен к входу анализатора спектра 9. В свою очередь, выходы фиксированных фазовращателей 3 подключены к соответствующим входам второй диаграммообразующей матрицы 4, выходы которой соединены с входами СВЧ-коммутатора 5, подключенного своим выходом к приемнику 6.

Рассмотрим работу устройства в режиме приема. Будем полагать, что генератор контрольного сигнала 11 генерирует монохроматический сигнал, частота которого равна ω₀. Вспомогательная антенна 10 излучает этот сигнал в направлении кольцевой АР. Обозначим фазу контрольного сигнала, принятого n-м излучателем, через Ψ_0n.
Поскольку диаграммообразующая матрица 2 является линейным взаимным устройством, то при поступлении на ее n-й вход контрольного сигнала, принятого n-м излучателем, на выходе с номером m появится сигнал с фазой

На каждом выходе диаграммообразующей матрицы 2 в каждый момент времени присутствуют контрольные сигналы, принятые всеми излучателями. Значит эти сигналы через направленные ответвители 7 поступают с m-х выходов диаграммообразующей матрицы 2 на соответствующие входы СВЧ-коммутатора 8. Последний подключает поочередно на время τ контрольный сигнал, имеющийся на каждом входе, к входу анализатора спектра 9.

Период переключения направленных ответвителей T = N·τ, где N-количество излучателей АР. Контрольный сигнал, принятый n-м излучателем, прошедший на m-й вход диаграммообразующей матрицы 2, оказывается подключенным к входу анализатора спектра 8 в момент времени (m-1)τ ≅ t ≅ mτ.
Учитывая, что , видим, что фаза контрольного сигнала, принятого n-м излучателем, на входе анализатора спектра 9 изменяется по закону, близкому к линейному, т.е.

Поскольку частота является производной от фазы, то, очевидно, линейное изменение фазы вызывает смещение частоты контрольных сигналов, пропорциональное номеру излучателя:

В итоге частота контрольного сигнала, принятого n-м излучателем, составит:
ω = ω₀ + Ω·n. (10)
Учитывая, что на входе анализатора спектра 9 контрольные сигналы, принятые различными излучателями 1, присутствуют одновременно, можно сделать вывод, что на его экране одновременно будут наблюдаться столько спектральных составляющих, сколько излучателей способны принять сигналы генератора контрольных сигналов 11.

Сопоставляя полученную на экране анализатора спектра 9 картину с эталонной, можно судить об исправности излучателей 1 и диаграммообразующей матрицы 2.

Очевидно, что в предложенном устройстве, несмотря на отсутствие в каналах излучателей управляемых фазовращателей, реализован модуляционный метод контроля [3], поскольку фаза контрольных сигналов, принятых n-м излучателем, изменяется на выходе СВЧ-коммутатора 8 по закону, близкому к линейному, причем скорость изменения фазы, как видно из выражения (8), пропорциональна номеру излучателя. Эта модуляция фазы позволяет раздельно наблюдать на экране анализатора спектра 9 сигналы, принятые различными излучателями.

Ввиду направленности излучателей, необходимо иметь два-три блока вынесенного контроля, у которых генераторы 11 контрольных сигналов должно быть достаточно разнесены по частоте и излучать в направлении АР монохроматические сигналы. Тогда на анализаторе спектра 9 будут наблюдаться две-три спектральные группы (см. фиг. 3). Каждая из спектральных составляющих этих групп соответствует определенному излучателю и несет информацию о состоянии этого излучателя и каналов диаграммообразующей матрицы 2.

В передающих АР необходимо вместо анализатора спектра 9 подключить к входу СВЧ-коммутатора 8 генератор контрольных сигналов, а вместо генераторов контрольных сигналов 11 подключить к вспомогательным антеннам 10 анализаторы спектра. В силу теоремы взаимности функционирование системы контроля останется прежним.

В зависимости от того, попадают ли частоты генераторов контрольных сигналов в пределы рабочей полосы частот системы или нет, предложенное устройство может быть отнесено к устройствам профилактического контроля (в первом случае) или оперативного контроля (во втором). Если частоты генераторов контрольных сигналов вынесены за пределы рабочей полосы системы, то контроль может осуществляться без прекращения основной работы, т.е. при наличии полезного сигнала.

Источники информации
1. А. с. 417864 СССР, кл. H 01 Q 21/08. Устройство для встроенного контроля дискретно-коммутационной антенной решетки /Г.М.Сабреков, А.Е.Чалых, В.А. Черкасов. - Опубл. 28.02.1974, бюл. 8.

2. А. с. 675377 СССР, кл. G 01 R 29/10. Способ контроля фазированной антенной решетки/ В. А. Волошин, Б. Д. Мануилов, В.В. Шацкий. - Опубл. 25.07.1979, Бюл. 27.

3. Пат. 3378846 (США). Способ контроля фазированных антенных решеток и аппаратура для его осуществления. - Опубл. 16.04.1968.

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

5. А. с. 1666979 СССР, кл. G 01 R 29/10. Способ контроля работоспособности фазированной антенной решетки /В.Н. Кошечев, Н.Р. Москович, А.М. Расин. - Опубл. 30.07.1991. Бюл. 28.

6. Шелег Б. Кольцевая решетка с матричной схемой возбуждения для непрерывного сканирования //ТИИЭР, т. 56, 11, 1968, с. 287 - 298.

Формула изобретения

Кольцевая антенная решетка с системой контроля, включающей генератор контрольного сигнала и вспомогательную антенну, содержащая первый СВЧ-коммутатор, первую диаграммообразующую матрицу, входы которой соединены с излучателями антенной решетки, фиксированные фазовращатели по числу излучателей и вторую диаграммообразующую матрицу, входы которой связаны с выходами фиксированных фазовращателей, а выходы - с соответствующими входами первого СВЧ-коммутатора, выход которого является выходом антенной решетки, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены анализатор спектра, второй СВЧ-коммутатор и направленные ответвители по числу излучателей, входы которых подключены к выходам первой диаграммообразующей матрицы, первые выходы подключены к фиксированным фазовращателям, а вторые - к соответствующим входам второго СВЧ-коммутатора, соединенного с входом анализатора спектра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3