Способ контроля диаграммы направленности активной фазированной антенной решётки

Изобретение относится к контролю электрических характеристик антенн, в частности активных фазированных антенных решеток (АФАР), содержащих электрически управляемые фазовращатели для формирования заданной диаграммы направленности (ДН). Технический результат заключается в упрощении контроля диаграммы направленности. Предлагаемый способ контроля диаграммы направленности применим как для приемной, так и излучающей части АФАР. При реализации способа измерительный или излучающий зонд располагается неподвижно в ближней зоне АФАР в направлении нулевого пеленга антенной решетки. Диаграмма направленности АФАР с помощью фазовращателей каждого из каналов антенной решетки фокусируется в точку на поверхности сферы радиусом, равным расстоянию от геометрического центра АФАР до зонда. Точка фокусировки определяется углами, соответствующими исследуемым лепесткам. Таким образом, при фокусировке АФАР в ближней зоне на расстоянии примерно 60-70% от границы ближней зоны и использовании неподвижного зонда можно получить ДН в относительных величинах, повторяющую форму ДН в дальней зоне с погрешностью не более 3 дБ. 2 ил.

 

Изобретение относится к радиолокации, в частности к работе активных фазированных антенных решеток, содержащих электрически управляемые фазовращатели для обеспечения сканирования луча и формирования заданной диаграммы направленности (ДН).

Контроль характеристик диаграммы направленности осуществляется методами измерений в дальней зоне (облетный, полигонный и т.п.) и методами измерений в ближней зоне (голографический и коллиматорный).

Измерения в дальней зоне требуют сложного оборудования для транспортирования средств измерений по заданной траектории или перемещения (поворота) контролируемой активной фазированной антенной решетки (АФАР) на заданные углы.

Методы измерений в ближней зоне позволяют в восемь раз сократить расстояние, необходимое для проведения измерений, и соответственно уменьшить мощность излучения.

Голографический метод основан на фиксировании откликов неподвижной контролируемой антенны, работающей в режиме приема, на сферические волны, посылаемые зондом при его перемещении относительно антенны в ее ближней зоне, и восстановлении диаграммы направленности путем преобразования полученных откликов (Методы измерений параметров излучающих систем в ближней зоне. Л.Д. Бахрах и др. - Л.: Наука, 1985). Полученные данные требуют длительной обработки после проведения измерений.

Наиболее близким к предлагаемому способу измерения является коллиматорный метод (Методы измерений параметров излучающих систем в ближней зоне. Л.Д. Бахрах и др. - Л.: Наука, 1985), при котором с помощью вспомогательной отражающей антенны формируется квазиплоский фронт волны излучения зонда. Возможно, также отказаться от вспомогательной антенны и использовать вместо зонда линейный коллиматор, формирующий квазиплоскую волну, но он будет превышать размеры контролируемой АФАР. В обоих случаях для проведения измерений необходимо изменение направления фронта волны излучателя, которое осуществляется механическим поворотом устройств.

Таким образом, существующие способы контроля диаграммы направленности в ближней зоне применимы только для проверки диаграммы направленности приемной части АФАР, требуют физического перемещения антенной решетки или излучающего зонда, точной настройки устройств и их взаимного расположения, и весьма трудоемки в реализации.

Предлагаемый способ применим в отношении АФАР с электрическим сканированием для проверки, как приемной части, так и излучающей. Измерительный или излучающий зонд располагается неподвижно в ближней зоне АФАР в направлении нулевого пеленга антенной решетки. Диаграмма направленности АФАР с помощью фазовращателей каждого из каналов антенной решетки фокусируется в точку на поверхности сферы радиусом, равным расстоянию от геометрического центра АФАР до зонда. Точка фокусировки определяется углами, соответствующими исследуемым лепесткам. В случае линейной антенной решетки сфера вырождается в окружность.

Для проведения измерений необходимо иметь реальную диаграмму направленности АФАР, нормированную относительно главного направления. Тогда, при фокусировке АФАР в ближней зоне на расстоянии 60-70% от границы ближней зоны, можно получить диаграмму направленности (также в относительных величинах), повторяющую форму диаграммы направленности в дальней зоне с погрешностью не более 3 дБ.

Измерения в ближней зоне проводятся по следующему алгоритму: Неподвижный зонд располагается в ближней зоне АФАР в направлении нулевого пеленга. Диаграмма направленности АФАР фокусируется в точке расположения неподвижного зонда. Измеряется уровень мощности (излучаемый или принимаемый АФАР). Производится перефокусировка ДН АФАР на угол, соответствующий контролируемой точке диаграммы направленности, измеряется уровень мощности в направлении нулевого пеленга относительно уровня мощности, измеренного при фокусировке в точке расположения неподвижного зонда. Относительный уровень мощности бокового лепестка ДН, сфокусированной в ближней зоне, совпадает с относительным уровнем мощности лепестка ДН, измеренной в дальней зоне.

Расчет фазовых сдвигов, которые необходимо задать на каждом элементе линейной антенной решетки для ее фокусировки в необходимой точке, ведется следующим образом:

Определяются координаты фокуса антенной решетки (х₀, у₀).

где R - расстояние от центра антенны до неподвижного зонда,

α - угол расположения бокового лепестка, он же - угол поворота диаграммы направленности.

На рис. 1 показано пояснение расположения системы координат относительно линейной АФАР. Ось X здесь расположена вдоль антенной решетки, ось Y перпендикулярна антенной решетке и совпадает с нулевым направлением ДН АФАР в дальней зоне. Точка (0,0) находится в геометрическом центре антенной решетки. Угол α измеряется от оси Y.

Определяется расстояние от точки фокусировки до i-го элемента АФАР (R_i)

где х_i - координата центра i-го элемента АФАР (измеряется как расстояние от центра АФАР (точки (0,0))).

Определяется значение фазового сдвига (ϕ_i) i-го элемента АФАР для поворота ДН и фокусировки в ближней зоне по формуле

где ƒ₀ - рабочая частота антенной решетки,

с - скорость света,

max{R_1,2,…,N} - максимальное значение из набора расстояний от точки фокусировки до элементов АФАР (R_i).

Для плоской (двумерной) антенной решетки формулы (1-2) видоизменяются следующим образом:

где α и β - углы расположения бокового лепестка, они же - углы поворота диаграммы направленности.

На рис. 2 показано пояснение расположения системы координат относительно плоской АФАР. Ось Z перпендикулярна антенной решетке и совпадает с нулевым направлением ДН АФАР в дальней зоне, оси X и Y расположены в плоскости самой антенной решетки. Точка (0,0,0) находится в геометрическом центре антенной решетки. Угол α измеряется от оси X, угол β - от оси Z.

где x_i и y_i - координаты центра i-го элемента АФАР (измеряется как расстояние от осей симметрии АФАР - осей Y и X соответственно).

Значение фазового сдвига (ϕ_i) i-го элемента АФАР определяется по формуле (3).

Контроль характеристик диаграммы направленности по данному способу можно осуществить при помощи стандартного неподвижного измерительного излучающего зонда и разработанного для расчетов и установки требуемых фазовых сдвигов программного обеспечения.

Таким образом, при фокусировке АФАР в ближней зоне на расстоянии примерно 60-70% от границы ближней зоны и использовании неподвижного зонда можно получить ДН в относительных величинах, повторяющую форму ДН в дальней зоне с погрешностью не более 3 дБ.

Способ контроля диаграммы направленности активной фазированной антенной решетки, заключающийся в измерении диаграммы направленности антенной решетки с помощью зонда, расположенного в ближней зоне, отличающийся тем, что уровень как принимаемого, так и излучаемого АФАР сигнала измеряется с помощью неподвижного зонда, расположенного в направлении нулевого пеленга, при фокусировке диаграммы направленности на заданный угол и расстояние, равное расстоянию от центра АФАР до измерительного зонда, путем задания фазовых сдвигов на фазовращателях каждого элемента решетки.