Многолучевая цифровая активная фазированная антенная решетка с устройством калибровки приёмо-передающих модулей и способ калибровки

Изобретение относится к антенной технике, в частности к области многолучевых цифровых активных фазированных решеток с поляризационным управлением при излучении и адаптацией к поляризации электромагнитной волны на приеме и способу калибровки. Многолучевая цифровая активная фазированная решетка с поляризационным управлением может использоваться в радиоэлектронных системах (РЭС), таких как системы связи, радиолокационная техника, и позволяет решать многофункциональные задачи на базе одного РЭС. Технический результат при использовании многолучевой цифровой активной фазированной антенной решетки с управлением поляризацией излучаемой ЭМВ и адаптацией к поляризации ЭМВ на приеме с расширенной областью применения по частоте, с устройством калибровки приемо-передающих модулей, состоит в реализации компенсации частотных характеристик в цифровом виде после дискретизации колебаний, в обеспечении высокой направленности антенны, возможности формирования лучей на частотах, частотное расстояние между которыми превышает рабочие полосы ЦАП и АЦП, а устройство калибровки приемных и передающих каналов многолучевой цифровой активной фазированной антенной решетки позволяет повысить точность и достоверность измерений их комплексных коэффициентов передачи. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 14 ил.

 

Изобретение относится к антенной технике, в частности, к области многолучевых цифровых активных фазированных решеток с поляризационным управлением при излучении и адаптацией к поляризации электромагнитной волны на приеме и способу калибровки.

Многолучевая цифровая активная фазированная решетка с поляризационным управлением может использоваться в радиоэлектронных системах (РЭС), таких, как системы связи, радиолокационная техника, и позволяет решать многофункциональные задачи на базе одного РЭС.

Для формирования фазированной антенной решеткой требуемой диаграммы направленности (ДН) необходимо знание начальных фазовых сдвигов и амплитуд возбуждения каждого канала. Процесс получения этих параметров называется калибровкой приемо-передающих модулей (ППМ).

Элементы, образующие каждый модуль, не являются абсолютно идентичными и имеют отклонения параметров от номинального значения, вызываемые погрешностями при изготовлении, температурными воздействиями, старением и т.д. Отклонения параметров от номинального значения приводят к тому, что амплитуды и фазы сигналов на выходах разных ППМ будут отличаться от расчетных значений, это вызывает ошибки в амплитудно-фазовом распределении вдоль апертуры активной фазированной антенной решетки (АФАР) относительно расчетных величин. В конечном счете, это приводит к ухудшению важнейших параметров АФАР, таких как коэффициент направленного действия, коэффициент полезного действия АФАР и уровень боковых лепестков. Поэтому, для сохранения расчетных параметров АФАР в процессе эксплуатации, необходимо периодически проводить контроль параметров многоканального приемо-передающего тракта для восстановления работоспособности АФАР.

Сохранение расчетных параметров АФАР обеспечивается введением перед цифро-аналоговыми (ЦАП) и аналого-цифровыми (АЦП) преобразователями устройств коррекции амплитудно-фазовых характеристик каналов, параметры которых уточняются в процессе калибровки.

Известны технические решения построения МЛЦАФАР (Светличный Ю.А. и др. Схемы и компоненты перспективных радиотехнических систем с цифровыми фазированными антенными решетками. Материалы научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Научные чтения к 90-летию со дня рождения академика В.П. Ефремова». М., 19.09.2016), в которых решетка состоит из N приемо-передающих модулей, подключенных к модулю обработки. В модуле обработки после аналого-цифрового выхода каждого приемо-передающего модуля формируется многочастотный цифровой приемник, а на цифроаналоговый вход каждого приемо-передающего модуля из модуля обработки поступает сигнал, создаваемый цифровым многочастотным преобразователем. Выходы модуля обработки соединены с входами многоканальной схемы диаграммообразования, на выходах которой формируются лучи (диаграммы направленности), соответствующие заданным частотам. Со схемы цифрового диаграммообразования на входы многочастотных преобразователей поступают сигналы, которые после преобразования в аналоговую форму с помощью ЦАП и частотного преобразования, усиления в приемо-передающих модулях формируют на выходе излучателей амплитудно-фазовое распределение электромагнитного поля соответствующего луча. Основные недостатки указанной МЛЦАФАР:

- при приеме электромагнитной волны ширина диапазона рабочих частот ограничена полосой рабочих частот по входу АЦП;

- при излучении электромагнитной волны ширина диапазона рабочих частот ограничена полосой рабочих частот по входу ЦАП;

- отсутствует управление поляризацией ЭМВ при излучении;

- отсутствует адаптация к поляризации принимаемой ЭМВ.

Известен способ калибровки АФАР, в котором для определения комплексных коэффициентов передачи каналов АФАР сигнал с генератора контрольного сигнала через делитель подают на вход каждого передающего канала, с выхода каждого передающего канала ответвляется часть прошедшего сигнала и суммируется в сумматоре контрольного сигнала. Затем этот же сигнал через другой делитель контрольного сигнала поступает на вход каждого приемного канала АФАР. С выхода каждого приемного канала сигнал суммируется еще в одном сумматоре и поступает на вход детектора контрольного сигнала. При этом сигнал на входе детектора представляет собой суперпозицию опорного сигнала, в роли которого выступает суммарный сигнал от (N-1) каналов АФАР, и одного измеряемого канала, причем его фазовращатель поочередно переключается в каждое из L=2^p (p - число разрядов фазовращателя) состояний. Измеряя после детектора уровень сигнала при каждом состоянии фазовращателя, получают массив из L величин, на основе которого определяется коэффициент передачи измеряемого канала и начальный фазовый сдвиг относительно опорного канала (Россельс Н.А., Шишлов А.В., Шитиков A.M. Активные фазированные антенные решетки - некоторые вопросы настройки и обслуживания// Радиотехника. №4/2009). Недостатками этого способа являются:

- неоднозначность измерений комплексных коэффициентов передачи каналов АФАР, так как контрольный сигнал последовательно проходит сначала через передающие каналы, а затем - через приемные;

- ограниченная область применения способа, обусловленная необходимостью работы одновременно передающих и приемных каналов АФАР;

- использование двух делителей/сумматоров контрольного сигнала, что увеличивает массу, габариты и стоимость аппаратуры калибровки; снижает точность измерений с ростом числа каналов АФАР.

Наиболее близким аналогом, прототипом, является техническое решение, описанное в патенте США № US 6545630 B1, 08.04.2003, G01S 7/38. В прототипе на приеме осуществляется управление положением ДН и адаптация к поляризации принимаемой электромагнитной волны (ЭМВ), а при излучении ЭМВ осуществляется управление ее поляризацией и направлением ДН антенны. Основными недостатками указанного устройства являются:

- отсутствие независимого управления диаграммами направленности при приеме и излучении ЭМВ;

- формируется только один луч;

- техническая сложность выполнения ППМ с идентичными параметрами радиотехнических трактов.

Технический результат при использовании многолучевой цифровой активной фазированной антенной решетки с управлением поляризацией излучаемой ЭМВ и адаптацией к поляризации ЭМВ на приеме с расширенной областью применения по частоте, с устройством калибровки приемо-передающих модулей, состоит в реализации компенсации частотных характеристик в цифровом виде после дискретизации колебаний, в обеспечении высокой направленности антенны, возможности формирования лучей на частотах, частотное расстояние между которыми превышает рабочие полосы ЦАП и АЦП, а устройство калибровки приемных и передающих каналов многолучевой цифровой активной фазированной антенной решетки позволяет повысить точность и достоверность измерений их комплексных коэффициентов передачи.

Для этого многолучевая цифровая активная фазированная антенная решетка (МЛЦАФАР) содержит систему антенных излучателей на ортогональных поляризациях, соединенных с N приемо-передающими модулями (ППМ), соединенными с системой амплитудно-фазовой коррекции (АФК), связанной с системой цифрового диаграммообразования (ЦДО), а также устройством целеуказания, системой управления поляризацией и системой синхронизации (СС), синхронизирующей работу многолучевой цифровой активной фазированной антенной решетки. Причем дополнительно включены устройство калибровки многолучевой цифровой активной фазированной антенной решетки для периодической калибровки приемных каналов ППМ по контрольному сигналу, формируемому передающим каналом опорного ППМ, и передающих каналов ППМ по контрольному сигналу, формируемому передающими каналами ППМ, система амплитудно-фазовой коррекции выполнена с возможностью коррекции параметров многоканальных приемо-передающих трактов, а система цифрового диаграммообразования выполнена с возможностью независимого управления диаграммами направленности при приеме и передаче сигналов, при этом устройство целеуказания соединено с системой цифрового диаграммообразования при приеме и передаче, соединенной с формирователем поляризации системы управления поляризацией при передаче и адаптации к поляризации при приеме, при этом передача и прием сигналов осуществляется попеременно.

При этом каждый ППМ содержит требуемое число цифро-аналоговых (ЦАП) при передаче и аналого-цифровых (АЦП) преобразователей при приеме, число которых определяется количеством формируемых лучей на частотах, расстояние по частоте между которыми превышает полосы пропускания по входу ЦАП и АЦП.

Устройство калибровки МЛЦАФАР для калибровки приемных каналов ППМ по контрольному сигналу, передаваемому по трактам приема МЛЦАФАР, содержит опорный ППМ, тракт передачи контрольного сигнала, устройства ненаправленного ввода контрольного сигнала и СВЧ переключатели. Выход передающего канала опорного ППМ, через переключатель изменения направления прохождения контрольного сигнала по тракту калибровки и устройство ненаправленного ввода контрольного сигнала в приемный канал опорного ППМ, подключен к СВЧ переключателю выбора ППМ для выполнения калибровки, соединенным с входом ненаправленного ввода контрольного сигнала, через который контрольный сигнал поступает на вход приемного калибруемого канала, при этом направление прохождения контрольного сигнала по тракту его передачи между приемным каналом опорного ППМ и приемным каналом калибруемого ППМ в трактах противоположное, при этом величина затухания контрольного сигнала в тракте передачи контрольного сигнала между приемными каналами постоянная, а фазовая задержка меняет знак на обратный. Далее, по сигналам на выходах радиоприемных каналов опорного ППМ и выбранного ППМ определяются отклонения амплитудно-фазовых характеристик приемного канала выбранного ППМ от амплитудно-фазовых характеристик приемного канала опорного ППМ. На основе результатов измерений этих отклонений выполняется расчет дифференциальной разницы коэффициента передачи приемного канала выбранного приемо-передающего модуля от коэффициента передачи приемного канала опорного приемо-передающего модуля, при этом измерения дифференциальной разницы коэффициента передачи приемного канала выбранного ППМ относительно коэффициента передачи приемного канала опорного ППМ выполняются для двух схем включения выбранного ППМ: приемные каналы выбранного ППМ подключены к антенному элементу, и приемные каналы выбранного ППМ подключены через узел ненаправленного ввода к тракту прохождения контрольного сигнала.

В способе калибровки МЛЦАФАР для калибровки передающих каналов ППМ по контрольному сигналу, передаваемому по трактам приема и передачи МЛЦАФАР при калибровке передающих каналов ППМ, контрольный сигнал, формируемый передающим каналом опорного ППМ, через устройство ненаправленной связи вводится в приемный радиотракт опорного ППМ, а контрольный сигнал, формируемый передающим каналом выбранного ППМ, через устройство ненаправленной связи вводится в приемный радиотракт выбранного ППМ, и далее, по сигналам на выходах радиоприемных каналов опорного ППМ и выбранного приемного канала ППМ, определяются отклонения амплитудно-фазовых характеристик приемного канала выбранного ППМ от амплитудно-фазовых характеристик приемного канала эталонного приемо-передающего модуля. На основе результатов измерений, с учетом дифференциальной разницы в коэффициентах передачи приемных каналов опорного и выбранного приемо-передающего модулей этих отклонений, выполняется расчет дифференциальной разницы коэффициента усиления передающего канала выбранного ППМ от коэффициента усиления передающего канала опорного приемо-передающего модуля.

МЛЦАФАР с управлением поляризацией излучаемой ЭМВ и адаптацией к поляризации ЭМВ на приеме с расширенной областью применения по частоте содержит излучатели на ортогональных поляризациях, имеющие общий фазовый центр. Выходы излучателей соединены с ППМ, причем каждый ППМ содержит требуемое число ЦАП и АЦП, число которых больше одного и определяется количеством формируемых лучей на частотах приема и передачи, частотное расстояние между которыми превышает полосы рабочих частот ЦАП и АЦП.

Обеспечение калибровки ППМ МЛЦАФАР решается тем, что встроенное устройство калибровки МЛЦАФАР, состоящее из опорного ППМ, тракта передачи контрольного сигнала, устройств ненаправленного ввода контрольного сигнала и переключателей, реализует калибровку приемных каналов ППМ по контрольному сигналу, формируемому передающим каналом опорного ППМ, который через устройства ненаправленной связи вводится в приемные радиотракты опорного ППМ и выбранного приемного канала ППМ. Направление прохождения контрольного сигнала по тракту его передачи между приемными каналами в трактах противоположное, при этом величина затухания контрольного сигнала постоянная, а фазовая задержка меняет знак на обратный. Далее, по сигналам на выходах радиоприемных каналов опорного ППМ и выбранного ППМ, определяются отклонения амплитудно-фазовых характеристик приемного канала выбранного ППМ от амплитудно-фазовых характеристик приемного канала эталонного ППМ. На основе результатов измерений этих отклонений выполняется расчет дифференциальной разницы коэффициента передачи приемного канала выбранного ППМ от коэффициента передачи приемного канала опорного ППМ. При этом измерения дифференциальной разницы коэффициента передачи приемного канала выбранного ППМ от коэффициента передачи приемного канала опорного ППМ выполняются для двух схем включения выбранного ППМ: приемные каналы выбранного ППМ подключены к антенному элементу, и приемные каналы выбранного ППМ подключены через узел ненаправленного вода к тракту прохождения контрольного сигнала.

При калибровке передающих каналов ППМ контрольный сигнал, формируемый передающим каналом опорного ППМ, через устройство ненаправленной связи вводится в приемный радиотракт опорного ППМ, а контрольный сигнал, формируемый передающим каналом выбранного ППМ, через устройство ненаправленной связи вводится в приемный радиотракт выбранного ППМ. Далее, по сигналам на выходах радиоприемных каналов опорного ППМ и выбранного приемного канала ППМ, определяются отклонения амплитудно-фазовых характеристик приемного канала выбранного ППМ от амплитудно-фазовых характеристик приемного канала эталонного ППМ. На основе результатов измерений с учетом дифференциальной разницы в коэффициентах передачи приемных каналов опорного и выбранного ППМ этих отклонений выполняется расчет дифференциальной разницы коэффициента усиления передающего канала выбранного ППМ от коэффициента усиления передающего канала опорного ППМ.

Калибровка приемной части приемо-передающих каналов производится в режиме приема, при этом контрольный сигнал снимается с выхода приемной части приемо-передающих каналов. Калибровка передающей части приемо-передающих каналов производится в режиме передачи, при этом для калибровки используют часть мощности сигнала, ответвленного с выхода соответствующего приемо-передающего канала и прошедшего через приемную часть этого канала. В процессе калибровки измеряют сдвиг фазы и разницу амплитуд сигнала с выхода калибруемого канала относительно опорного. В качестве опорного для калибровки всех каналов используется один и тот же канал, например первый, для калибровки используется синусоидальный сигнал с частотой в рабочем диапазоне частот АФАР.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 показана функциональная схема цифровой АФАР с системами коррекции, ЦДО, управления поляризацией при излучении и адаптации к поляризации принимаемого сигнала.

На фиг. 2 представлена схема цифровой АФАР с системой калибровки, управлением поляризацией при излучении ЭМВ и адаптацией к поляризации ЭМВ на приеме.

На фиг. 3 показана функциональная схема ППМ на ортогональных поляризациях (ППМ VH) с коррекцией амплитудно-фазовых характеристик приемо-передающих каналов.

На фиг. 4 показана функциональная схема ППМ для работы на вертикальной/горизонтальной поляризации, в котором M_t каналов для излучения и M_r каналов для приема электромагнитной волны, а временное разделение обеспечивается применением СВЧ переключателей.

На фиг. 5 приведена функциональная схема многоканального ППМ с СВЧ переключателями для временного разделения тактов приема и передачи и подключения тракта прохождения контрольного сигнала.

На фиг. 6 и фиг. 7 показаны варианты коммутации сверхвысокочастотных переключателей ППМ в режимах работы приема или передачи ЭМВ и подключения тракта прохождения контрольного сигнала при калибровке этих каналов.

На фиг. 8 приведена структурная схема МЛЦАФАР с системой калибровки.

На фиг. 9 показана схема подключения ППМ с индексом (номером) i к системе калибровки.

На фиг. 10 показана схема прохождения контрольного сигнала на этапе L1 при калибровке приемных каналов ППМ с индексом (номером) i при подключении их к излучателю.

На фиг. 11 показана схема прохождения контрольного сигнала на этапе R1 калибровки приемных каналов ППМ с индексом (номером) i при подключении их к излучателю.

На фиг. 12 показана схема прохождения контрольного сигнала на этапе L2 калибровки приемных каналов ППМ с индексом (номером) i при подключении их к тракту прохождения контрольного сигнала.

На фиг. 13 приведена схема прохождения контрольного сигнала на этапе R2 калибровки приемных каналов ППМ с индексом (номером) i при подключении их к тракту прохождения контрольного сигнала.

На фиг. 14 показана схема прохождения сигналов на этапе Т при калибровке передающих каналов.

Заявленная цифровая АФАР с системой калибровки, управлением поляризацией при излучении ЭМВ и адаптацией к поляризации ЭМВ на приеме содержит:

1 - систему антенных излучателей на ортогональных поляризациях;

2 - N приемо-передающих модулей;

3 - систему амплитудно-фазовой коррекции (АФК);

4 - систему цифрового диаграммообразования (ЦДО);

5 - устройство целеуказания;

6 - систему управления поляризацией;

7 - систему синхронизации;

8 - устройство калибровки МЛЦАФАР для периодической калибровки приемных каналов ППМ по контрольному сигналу, формируемому передающим каналом 9 опорного приемо-передающего модуля;

9 - передающий канал опорного приемо-передающего модуля;

10 - опорный ППМ;

11 - приемный канал опорного ППМ;

12 - СВЧ переключатель М 2×2 (матрица переключателей с двумя входами и двумя выходами) изменения направления прохождения контрольного сигнала по тракту калибровки 8;

13 - согласованную нагрузку Z;

14 - СВЧ переключатели М ППМ (матрица переключателей с одним входом и N выходами) для подключения ППМ 2 с индексом (номером) i к тракту калибровки;

15 - узлы ввода сигнала калибровки;

16 - блок расчета данных калибровки;

17 - цифро-аналоговые преобразователи радиотрактов ППМ VH;

18 - сумматор сигналов числом M_t входов, формирующий суммарный сигнал;

19 - многоканальное приемное устройство на M_r каналов;

20 - выходной усилитель ППМ с индексом i;

21 - аналого-цифровые преобразователи;

22 - узел ввода сигнала ППМ с индексом i;

23 - переключатель направления прохождения сигнала в опорном ППМ;

24 - узел ввода контрольного сигнала опорного ППМ;

25 - выходной усилитель опорного ППМ;

26 - выходной усилитель ППМ с индексом i.

Функциональная схема (фиг. 1) цифровой АФАР с устройством, реализующим предлагаемый способ калибровки, системой коррекции, системой цифрового диаграммообразования, управлением поляризацией при излучении ЭМВ и адаптацией к поляризации ЭМВ на приеме имеет следующие обозначения:

H, V - излучатели 1 на ортогональных поляризациях;

Miv, - СВЧ переключатели для изменения тракта прохождения СВЧ сигналов в ППМ 2 с индексом (номером) i через узлы ввода сигналов.

Блок расчета 16 данных калибровки реализует алгоритм управления процессом калибровки МЛЦАФАР, производит измерения выходов приемных каналов ППМ, образующих МЛЦАФАР и вычисления коэффициентов калибровки.

Контрольный сигнал формируется передающим каналом опорного ППМ. Выход передающего канала опорного ППМ соединен с СВЧ переключателем 12 М 2×2, который обеспечивает изменение направления прохождения контрольного сигнала через тракт калибровки.

Вход приемного канала опорного ППМ соединен с трактом прохождения контрольного сигнала через ненаправленный узел связи.

С помощью набора СВЧ переключателей 14 выбранный ППМ с индексом (номером) i с помощью узлов ввода 15 подключается к тракту калибровки 8.

Блок расчета 16 данных калибровки реализует алгоритм управления процессом калибровки, при котором калибровка приемной части приемо-передающих каналов выбранного ППМ производится в режиме приема, а калибровка передающей части приемо-передающих каналов производится в режиме передачи. При калибровке выполняются измерения разности фаз и амплитуд сигнала с выхода приемного канала выбранного ППМ 2 относительно приемного канала опорного ППМ 10.

При предлагаемом способе калибровки отсутствует необходимость обеспечения синфазности контрольного сигнала при калибровке приемных и передающих каналов ППМ.

Структурная схема МЛЦАФАР, в которой обеспечивается независимое управление ДН при приеме и излучении ЭМВ, управление поляризацией излучаемой электромагнитной волны и адаптация к поляризации ЭМВ на приеме, а также контроль параметров многоканального приемо-передающего тракта для восстановления работоспособности АФАР на фиг. 2 имеет следующие обозначения:

ППМ VH № i - приемо-передающий модуль 2 с индексом (номером) i от 1 до N для излучения и приема ЭМВ на ортогональных поляризациях, который содержит два канала, подключенных к излучателям на ортогональных поляризациях, для излучения и два канала, подключенных к излучателям на ортогональных поляризациях, для приема ЭМВ;

- комплексные коэффициенты амплитудно-фазовой коррекции передающих каналов ППМ VH с индексами (номерами) 1, 2, …, N при излучении ЭМВ на вертикальной поляризации.

- комплексные коэффициенты амплитудно-фазовой коррекции передающих каналов ППМ VH с индексами (номерами) 1, 2, …, N при излучении ЭМВ на горизонтальной поляризации.

- комплексные коэффициенты амплитудно-фазовой коррекции приемных каналов ППМ VH с индексами (номерами) 1, 2, …, N при приеме ЭМВ на вертикальной поляризации.

- комплексные коэффициенты амплитудно-фазовой коррекции приемных каналов ППМ VH с индексами (номерами) 1, 2, …, N при приеме ЭМВ на горизонтальной поляризации.

Работа МЛЦАФАР на прием и передачу осуществляется попеременной сменой периода излучения и периода приема ЭМВ.

При излучении ЭМВ исходными данными для работы МЛЦАФАР являются:

- временные параметры излучаемого сигнала: последовательности квадратурных составляющих аналитического сигнала I_tr, Q_tr;

- поляризационные параметры излучаемой ЭМВ;

- форма и пространственная ориентация ДН антенной системы;

- несущая частота излучаемого сигнала ƒ₀.

Работа МЛЦАФАР при излучении осуществляется следующим образом: на вход системы управления поляризацией 6 МЛЦАФАР поступает аналитический сигнал в квадратурах I_tr, Q_tr, из которого система управления поляризацией 6 формирует квадратурные сигналы I_trv, Q_trv и I_trv, Q_trh с заданными поляризационными параметрами для излучения на ортогональных поляризациях компонент ЭМВ, например, вертикальной и горизонтальной поляризациях.

Квадратурные сигналы I_trv, Q_trv и I_trv, Q_trv поступают в систему ЦДО, в которой осуществляется расчет амплитудно-фазового распределения поля на апертуре антенной системы, требуемого для формирования ДН с заданными параметрами пространственной ориентации и формы. Работа системы ЦДО происходит по целеуказанию от внешнего источника, например бортового радиоэлектронного оборудования (БРЭО) объекта, на котором установлена АФАР.

Элементы, образующие передающие радиотракты МЛЦАФАР, не являются абсолютно идентичными. Для исключения отклонения амплитуд и фаз сигналов на выходах передающих радиотрактов ППМ VH от расчетных значений система коррекции по данным об отклонениях амплитудно-фазовых характеристик каналов от расчетных значений, равных корректирует амплитуду и фазу выходных квадратурных сигналов системы ЦДО 4, которые далее поступают в ЦАП 17 передающих радиотрактов ППМ VH.

В передающих каналах ППМ VH, подключенных к излучателям 1 пространственно ортогональных компонент ЭМВ, происходит модуляция выходных сигналов, соответствующих компонентами квадратурных сигналов (представленных в комплексном описании), поступающих с соответствующих выходов системы коррекции.

- аналитические цифровые входные сигналы (в комплексном представлении) передающих каналов ППМ VH с индексами (номерами) 1, 2, …, N для излучения ЭМВ на вертикальной поляризации.

- аналитические цифровые входные сигналы (в комплексном представлении) передающих каналов ППМ VH с индексами (номерами) 1, 2, …, N для излучения ЭМВ на горизонтальной поляризации.

- аналитические цифровые выходные сигналы (в комплексном представлении) приемных каналов ППМ VH с индексами (номерами) 1, 2, …, N при приеме ЭМВ на вертикальной поляризации.

Частотный план работы передающих каналов ППМ VH задается системой синхронизации 7, которая определяет соответствующее частотное преобразование, при котором ЭМВ излучается на заданной частоте ƒ₀.

В результате этих действий МЛЦАФАР излучает в пространство ЭМВ с заданными временными и пространственными характеристиками.

При приеме ЭМВ исходными данными для работы МЛЦАФАР являются:

- форма и пространственная ориентация ДН антенной системы;

- несущая частота принимаемого сигнала ƒ₀.

Работа МЛЦАФАР при приеме осуществляется следующим образом: излучатели ППМ VH 2 осуществляют прием пространственно ортогональных компонент ЭМВ, падающей на раскрыв МЛЦАФАР. Принятые излучателями 1 сигналы поступают на вход приемных каналов 2 ППМ VH. В приемных каналах осуществляется преобразование входных сигналов по частоте и формирование на нулевой промежуточной частоте цифровых значений квадратур сигналов I_trv, Q_trv и I_trv, Q_trv соответствующих ортогональным базисам разложения падающей ЭМВ излучателями 1. Частотный план работы приемных каналов ППМ VH задается системой синхронизации 7, которая определяет соответствующее частотное преобразование, при котором осуществляется прием ЭМВ на заданной частоте ƒ₀.

Далее сигналы с выходов ППМ VH 2 поступают на входы системы коррекции 3. Необходимость применения системы коррекции 3 обусловлена тем, что элементы, образующие приемные радиотракты МЛЦАФАР, не являются абсолютно идентичными, и это приводит к ошибочным результатам при расчете сигнала на выходе МЛЦАФАР. Для исключения влияния амплитудных и фазовых различий приемных трактов на качество формирования сигнала на выходе МЛЦАФАР система коррекции 3, по данным об отклонениях амплитудно-фазовых характеристик каналов от расчетных значений, равных корректирует амплитуду и фазу выходных квадратурных сигналов системы ЦДО 4, которые далее поступают в ЦАП передающих радиотрактов ППМ VH 2.

Цифровые квадратуры сигналов ППМ VH 2 МЛЦАФАР после коррекции поступают на входы системы ЦДО 4 при приеме ЭМВ, которая, в соответствии с требуемыми параметрами формирования ДН антенной системы на приеме, осуществляет расчет коэффициентов амплитудно-фазового распределения поля. Работа системы ЦДО 4 происходит по целеуказанию 5 от внешнего источника, например БРЭО.

Сигналы с выходов системы ЦДО 4 при приеме поступают в систему управления поляризацией 6, где осуществляется адаптация к поляризации принимаемой ЭМВ. Суть адаптации к поляризации принятой ЭМВ заключается в формировании на выходе аналитического сигнала в квадратурах I_rc, Q_rc путем когерентного сложения принятых пространственно ортогональных сигналов. При адаптации определяются параметры эллиптичности принятой ЭМВ. В результате этих действий МЛЦАФАР принимает ЭМВ на заданной частоте ƒ₀ при заданной ДН, ее пространственной ориентации и формирует на своих выходах сигнал в квадратурах и параметры его эллиптичности.

МЛЦАФАР обеспечивает:

- формирование ДН заданной формы на прием и передачу, и их ориентации в пространстве;

- управление поляризацией излучаемой ЭМВ;

- адаптацию к поляризации принимаемой ЭМВ.

На фиг. 3 представлена функциональная схема ППМ VH из состава цифровой АФАР для приема и излучения компонент ЭМВ на ортогональных поляризациях с элементами системы коррекции.

Здесь:

I_trv, Q_trv - квадратурные компоненты аналитического сигнала на вертикальной поляризации от системы ЦДО 4 при излучении компоненты ЭМВ с вертикальной поляризацией;

I_trv, Q_trh - квадратурные компоненты аналитического сигнала на вертикальной поляризации от системы ЦДО 4 при излучении компоненты ЭМВ на горизонтальной поляризации;

I_rcv, Q_rcv - квадратурные компоненты аналитического сигнала приемного канала, поступающие на систему ЦДО 4 вертикальной поляризации;

I_rch, Q_rch - квадратурные компоненты аналитического сигнала приемного канала, поступающие на систему ЦДО 4 горизонтальной поляризации;

- комплексные коэффициенты АФК передающих каналов ППМ HV при излучении ЭМВ на вертикальной и горизонтальной поляризации;

- комплексные коэффициенты амплитудно-фазовой коррекции (АФК) приемных каналов ППМ HV при приеме ЭМВ на вертикальной и горизонтальной поляризации.

Коррекция амплитудно-фазовых характеристик ППМ осуществляется умножением аналитического сигнала на комплексные коэффициенты АФК каналов по правилу умножения комплексных величин.

На фиг. 4 представлена функциональная схема приемо-передающего модуля 2 на вертикальной/горизонтальной поляризации, реализующая возможность работы его в многоканальном варианте, в котором M_t каналов для излучения и M_r каналов приема ЭМВ, при этом частотное расстояние между приемными и передающими каналами превышает рабочую полосу АЦП и ЦАП.

На фиг. 4 приняты следующие обозначения:

i - индекс (номер) приемо-передающего модуля 2;

M_t - число цифровых входов приемо-передающего модуля 2;

M_r - число цифровых выходов приемо-передающего модуля 2;

I_tr(mt), Q_tr(mr) - квадратурные компоненты аналитического сигнала от системы ЦДО 4, определенные из условия требуемого амплитудно-фазового распределения (формирование требуемой ДН) на раскрыве антенной решетки при излучении ЭМВ каналом, mt ∈ [1, …, M_t] приемо-передающего модуля;

I_rc(mr), Q_rc(mr) - квадратурные компоненты аналитического сигнала приемного канала mr ∈ [1, …, M_r] приемо-передающего модуля 2, поступающие на систему ЦДО 4 для формирования амплитудно-фазового распределения на раскрыве антенной решетки при приеме ЭМВ (формирование ДН при приеме);

- сумматор 18 сигналов числом M_t входов, формирующий композитный сигнал;

- многоканальное приемное устройство 19 на M_r каналов.

В ППМ многочастотный формирователь формирует аналоговый композитный сигнал на основе входных цифровых сигналов, число которых равно M_t, и который далее поступает на выходной усилитель 20. Многоканальное приемное устройство имеет приемные каналы, по числу АЦП, равному M_r.

Технологические погрешности выполнения радиотехнических цепей ППМ 2 приводят к межканальным и квадратурным неидентичностям характеристик приемных и передающих каналов МЛЦАФАР. Для сохранения расчетных параметров цифровой АФАР в процессе эксплуатации необходимо периодически проводить контроль параметров многоканального приемо-передающего тракта ЦАФАР и его калибровку для восстановления идентичности всех каналов, что устраняется введением перед ЦАП и после АЦП устройств коррекции амплитудно-фазовых характеристик каналов.

При работе с сигналами, для которых работа АЦП или ЦАП является неэффективной (высокая частота, недостаточная разрядность имеющихся АЦП/ЦАП, их высокое энергопотребление и т.п.), в ППМ может выполняться одно или несколько промежуточных преобразований частоты с использованием гетеродинов.

Для обеспечения цифрового синтеза ДН в режиме приема, а также формирования заданного распределения электромагнитного поля в раскрыве антенной решетки 1 в режиме передачи используется система ЦДО 4, которая обеспечивает цифровой синтез ДН в режиме приема, а также формирование заданного распределения электромагнитного поля в раскрыве антенной решетки - в режиме передачи.

Система ЦДО состоит из устройств формирования ДН при излучении ЭМВ и формирования ДН при приеме ЭМВ.

Формирование требуемых параметров эллиптичности ЭМВ при излучении обеспечивается путем разложения аналитического сигнала на две компоненты с заданным соотношением амплитуд и фаз и излучаемых в виде пространственно ортогональных компонент ЭМВ.

Адаптация к поляризации ЭМВ при приеме обеспечивается согласованием поляризационного базиса антенны с поляризацией принимаемого сигнала.

Формирование сетки опорных частот, обеспечивающих синхронную работу всех составных частей программно-аппаратного комплекса системы ЦДО 4, выдачи синхросигнала тактирования АЦП и ЦАП, выдача опорного сигнала на аналоговый задающий генератор, формирование частот гетеродинов и управление коммутацией сигналов коррекции характеристик приемных и передающих модулей обеспечивается системой синхронизации 7.

Одной из сложнейших задач является настройка широкополосной МЛЦАФАР (фазирование при приеме и передаче) и удержание ее в рабочем состоянии. Для решения этой проблемы заявляемым изобретением предлагается ввести в состав МЛЦАФАР систему внутренней калибровки, которая по результатам отклонения амплитудно-фазовой характеристики ППМ МЛЦАФАР от амплитудно-фазовой характеристики эталонного ППМ позволит рассчитать коэффициенты амплитудно-фазовой коррекции приемных и передающих каналов ППМ.

Для расширения мгновенной полосы рабочих частот МЛЦАФАР на прием и передачу заявляемым изобретением (фиг. 4) предлагается ввести в состав ППМ дополнительные ЦАП 17 и АЦП 21, которые позволяют формировать лучи на частотах, расстояние по частоте между которыми превышают рабочую полосу частот ЦАП 17 и АЦП 21. Выход каждого ЦАП 17 подключен к аналоговому сумматору 18, на выходе которого формируется суммарный сигнал, далее поступающий на выходной усилитель 20 ППМ с индексом i. Выход каждого АЦП формирует цифровой сигнал, при этом каждый из них подключен к отдельному приемному каналу. Максимальная мгновенная полоса рабочих частот МЛЦАФАР на излучение равна сумме рабочих полос по входу всех ЦАП 17, а максимальная мгновенная полоса рабочих частот МЛЦАФАР при приеме равна сумме рабочих полос по входу всех АЦП 21.

На фиг. 5 показана функциональная схема многоканального ППМ, в котором выход антенного излучателя 1, через узел ввода 15 сигналов, подключен к приемному и передающему каналам, а передающий канал имеет M_tr цифровых входов, приемный канал имеет M_rc цифровых выходов. СВЧ переключатели 24 узла ввода контрольного сигнала изменяют тракты прохождения контрольного сигнала и подключения приемного и передающего каналов к излучателю.

На фиг. 5 приняты следующие обозначения:

П1i, П2i, …, П6i - высокочастотные переключатели 14 приемо-передающих модулей 2;

U1i - узел ввода 22 (устройства связи) сигнала калибровки ППМ с индексом i;

- сумматор 18 ППМ с индексом (номером) i на M_tr входов, формирующий суммарный сигнал на основе входных цифровых сигналов, который далее поступает на выходной усилитель 20;

- формирователь 19 приемных каналов ППМ с индексом (номером) i, которые с помощью АЦП 21 формируют M_rc цифровых выходов ППМ.

Высокочастотные переключатели П1i, П2i, …, П6i ППМ обеспечивают требуемую конфигурацию тракта прохождения СВЧ сигналов при калибровке ППМ и при его работе в режимах приема и передачи ЭМВ.

Устройства связи U1i, U2i трактов передачи СВЧ сигналов типа шлейфового соединения выполняются максимально идентично с коэффициентом связи на уровне от -20 до -25 дБ для уменьшения деградации коэффициента шума приемных каналов.

На фиг. 6 и фиг. 7 показаны варианты коммутации СВЧ трактов прохождения сигналов для подключения излучателя к приемному и передающему каналам ППМ с индексом (номером) i в режимах работы приема/передачи ЭМВ и подключения тракта прохождения контрольного сигнала при калибровке этих каналов:

- схема а) соответствует положению СВЧ переключателей узла ввода при приеме ЭМВ приемо-передающим модулем: условно обозначим режим работы ППМ с индексом (номером) i при таком положении СВЧ переключателей «Прием»;

- схема б) соответствует положению СВЧ переключателей узла ввода при излучении ЭМВ приемо-передающим модулем: условно обозначим режим работы ППМ с индексом (номером) i при таком положении СВЧ переключателей «Передача»;

- схема в) соответствует положению СВЧ переключателей узла ввода при калибровке приемного канала ППМ с индексом (номером) i в режиме «Прием»: условно обозначим положение «Калибровка Пр»;

- схема г) соответствует положению СВЧ переключателей узла ввода при калибровке приемного канала ППМ с индексом (номером) i в режиме «Передача»: условно обозначим положение «Калибровка П».

На фиг. 8 показана развернутая функциональная схема МЛЦАФАР с системой калибровки приемных и передающих каналов ППМ с индексом (номером) i по контрольному сигналу, где

- комплексные коэффициенты АФК канала т приемо-передающего модуля при излучении и при приеме ЭМВ;

I_tr,i(mt), Q_tr,i(mt) - квадратурные компоненты аналитического сигнала от системы ЦДО, определенные из условия требуемого амплитудно-фазового распределения (формирование требуемой ДН) на раскрыве антенной решетки 1 при излучении ЭМВ каналом mt ППМ 2 с индексом (номером) i;

I_rc,i(mr), Q_rc,i(mr) - квадратурные компоненты аналитического сигнала приемного канала mr ППМ 2 с индексом (номером) i поступающие на систему ЦДО для формирования амплитудно-фазового распределения на раскрыве антенной решетки при приеме ЭМВ (формирование ДН при приеме);

I_tr,i(mt), Q_tr,i(mt) - квадратурные компоненты аналитического сигнала, излучаемого лучом с номером mt;

I_rc,i(mr), Q_rc,i(mr) - квадратурные компоненты аналитического сигнала, принимаемого лучом mt;

- комплексный коэффициент управления амплитудно-фазовым значением канала mt ППМ 2 с индексом (номером) i при формировании ДП на излучение и комплексный коэффициент управления амплитудно-фазовым значением канала mr ППМ 2 с индексом (номером) i при формировании ДН при приеме;

U0 - устройство связи 24 тракта передачи сигнала калибровки с входом приемного канала опорного ППМ;

П0К, П1К, …, П6К - высокочастотные переключатели 23, определяющие пути прохождения контрольного сигнала опорного ППМ;

- сумматор 18 ППМ с индексом (номером) i на M_tr входов формирующий суммарный сигнал на основе входных цифровых сигналов, который далее поступает на выходной усилитель;

- формирователь 19 приемных каналов ППМ с индексом (номером) i, которые с помощью АЦП формируют M_rc цифровых выходов приемо-передающих модулей.

Пусть МЛЦАФАР имеет N ППМ 2 излучающих и принимающих ЭМВ на двух ортогональных поляризациях (ППМ VH) и, соответственно, 2N приемо-передающих модулей (ППМ), каждый из которых имеет M_tr цифровых входов и M_rc цифровых выходов. МЛЦАФАР формирует M_tr различных диаграмм на излучение ЭМВ и M_rc различных диаграмм при приеме ЭМВ.

Для простоты изложения алгоритма функционирования МЛЦАФАР примем: ППМ VH имеют индексы I ∈ [1, …, N] и, соответственно, индексы ППМ из состава ППМ VH с индексом (номером) I, соединенные с излучателями на вертикальной поляризации, равны i=2I-1, а индексы приемо-передающих модулей для ППМ VH с индексом (номером) I, соединенные с излучателями на горизонтальной поляризации, равны i=2I.

Работа МЛЦАФАР осуществляется в режимах излучения ЭМВ (режим «Передача»), приема ЭМВ (режим «Прием») и калибровки (режимы «Калибровка П», «Калибровка Пр»).

Калибровку приемных и передающих каналов ППМ с индексом (номером) i выполняют путем поочередного сравнения выходных сигналов приемных каналов ППМ с индексом (номером) i МЛЦАФАР с выходным сигналом приемного канала опорного ППМ в режимах «Калибровка П», «Калибровка Пр» и «Передача». Подключение выбранного ППМ с индексом (номером) i МЛЦФАР к системе калибровки выполняется с помощью переключателей П2, П4 для ППМ с вертикальной поляризацией и с помощью переключателей П3, П5 для ППМ с горизонтальной поляризацией.

По результатам сравнения производится расчет отклонений комплексных коэффициентов каналов ППМ с индексом (номером) i относительно амплитудно-фазовой характеристики канала опорного ППМ и на основе этих отклонений вычисляют значения коэффициентов АФК каналов ППМ с индексом (номером) i МЛЦАФАР. Процесс калибровки МЛЦАФАР заключается в формировании массивов коэффициентов коррекции приемных и передающих (излучающих) каналов для каждого из всех ППМ, входящих в МЛЦАФАР. Эти коэффициенты коррекции позволяют устранить влияние амплитудно-фазовых различий приемных и передающих каналов при управлении поляризацией и формировании ДН при приеме и излучении ЭМВ.

Калибровку приемных каналов МЛЦАФАР можно определить как измерение множества комплексных коэффициентов коррекции, равных отношению комплексных коэффициентов передачи приемных каналов ППМ с индексом (номером) i, i ∈ [1, 2, …, 2N], к величине комплексного коэффициента передачи канала приема канала номер mrc ППМ с индексом (номером)

здесь

- комплексный коэффициент коррекции приемного канала с номером mr, (mr ∈ [1, …, M_rc]) ППМ с индексом (номером) i, определенный относительно приемного канала с номером mrc, (mrc ∈ [1, M_rc]) приемо-передающего модуля с индексом (номером)

- комплексный коэффициент передачи приемного канала с номером mr приемо-передающего модуля с индексом (номером) i;

- комплексный коэффициент передачи приемного канала с номером mrc приемо-передающего модуля с индексом (номером)

Правило выбора канала приема номер mrc ППМ с индексом (номером) может быть произвольным, очевидно что .

Калибровку передающих каналов МЛЦАФАР можно определить как измерение множества комплексных коэффициентов коррекции, равных отношению комплексных коэффициентов передачи каналов ЭМВ приемо-передающим модулем с индексом (номером) i (i ∈ [1, 2, …, 2N]), к величине комплексного коэффициента передачи канала излучения ЭМВ с номером mtr из приемо-передающего модуля с индексом (номером) :

- комплексный коэффициент коррекции излучающего канала с номером mt, (mt ∈ [1, M_tr]) ППМ с индексом (номером) i, определенный относительно приемного канала с номером mtr, (mtr ∈ [1, …, M_tr]) приемо-передающего модуля с индексом (номером) ;

- комплексный коэффициент передачи приемного канала с номером mr приемо-передающего модуля с индексом (номером) i;

- комплексный коэффициент передачи приемного канала с номером mtr приемо-передающего модуля с индексом (номером) .

Правило выбора канала приема номер mtr ППМ с индексом (номером) может быть произвольным, очевидно что .

Калибровку коэффициентов передачи трактов приема ППМ при контроле излучаемых ППМ с индексом (номером) i сигналов, от точки ввода контрольного сигнала U1i до выхода АЦП, можно определить, как измерение множества комплексных коэффициентов коррекции, равных отношению комплексных поправок коэффициентов передачи трактов приема, при контроле излучаемых ППМ сигналов номер j, j ∈ [1, …, M_rc], к величине комплексной поправки коэффициента передачи тракта приема канала номер mrk, mrk ∈ [1, …, M_rc] ППМ с индексом (номером) , :

здесь

- комплексный коэффициент коррекции излучающего канала с номером j, (j ∈ [1, M_tr]) ППМ с индексом (номером) i, определенный относительно коэффициента передачи приемного канала с номером mrk, (mrk ∈ [1, M_tr]) ППМ с индексом (номером) mrk.

Правило выбора канала приема номер mrk ППМ с индексом (номером) может быть произвольным, очевидно что .

Описание алгоритма калибровки ППМ МЛЦАФАР представим на примере калибровки ППМ с индексом (номером) i.

Алгоритм калибровки ППМ МЛЦАФАР на рабочих частотах ƒ₁, ƒ₂, …, ƒ_k осуществляется последовательным выполнением следующих этапов операций:

1. Устанавливается частота, для которой выполняется калибровка МЛЦАФАР.

2. Выполняется калибровка приемо-передающего модуля с индексом (номером) i на заданной частоте.

С помощью высокочастотных переключателей П1К, П6К, и П2К, П3К, П4К, П5К подключают ППМ с индексом (номером) i к системе калибровки. Переключатели П1К, П6К обеспечивают выбор ППМ, работающих на вертикальной поляризации или горизонтальной поляризации, а переключатели П2К, П3К, П4К, П5К обеспечивают выбор соответствующего ППМ.

На фиг. 9 представлена схема подключения приемо-передающего модуля с индексом (номером) i к системе калибровки.

Устанавливается частота, на которой выполняется калибровка приемных каналов приемо-передающих модулей. Формируется контрольный сигнал калибровки путем записи в ЦАП передающего канала опорного ППМ квадратурных составляющих аналитического сигнала.

2.1 Этап L1

Положение переключателей П0К, П1, П1i, П2i, П6К устанавливаются таким образом, чтобы контрольный сигнал от выходного усилителя опорного канала У0 25 опорного ППМ распространялся от узла связи U0 24 к узлу связи U2i 22, а высокочастотные переключатели П1i, П2i, …, П6i приемо-передающего модуля 2 с индексом (номером) i устанавливаются в положение, соответствующее режиму «Калибровка Пр».

Контрольный сигнал через узел связи U0 поступает в приемный канал опорного ППМ и через узел связи U1i в приемные каналы 1, 2, …, M_rc, выбранного ППМ, выходы которых соединены с АЦП. АЦП регистрируют в квадратурах выходные сигналы соответствующих приемных каналов, равные , здесь индекс L1 соответствует наименованию этапа, для которого схема прохождения приведена на фиг. 10.

2.2 Этап R1

Положение переключателя П0К устанавливают таким образом, чтобы контрольный сигнал от выходного усилителя опорного канала У0 25 распространялся от узла связи U2i к узлу связи U0, а высокочастотные переключатели П1i, П2i, …, П6i приемо-передающего модуля 2 с индексом (номером) i устанавливаются в положение, соответствующее режиму «Калибровка Пр».

Контрольный сигнал через узлы связи U0 и U1i поступает в приемный канал опорного канала и приемные каналы 1, 2, …, M_rc, выходы которых соединены соответственно с АЦП 21. АЦП регистрируют в квадратурах выходные сигналы соответствующих приемных каналов, равные , , а индекс R1 соответствует наименованию этапа, для которого схема прохождения контрольного сигнала приведена на фиг. 11.

2.3. Определение коэффициентов коррекции приемных каналов приемо-передающего модуля с индексом (номером) i для режима «Прием».

Выполняется расчет отклонений комплексных коэффициентов передачи приемного канала с номером j, j ∈ [1, …, M_rc] ППМ с индексом (номером) i от комплексного коэффициента передачи опорного приемного канала по формуле:

и комплексного коэффициента передачи тракта прохождения контрольного сигнала от узла ввода U0 до узла U1i по формуле:

, где

- комплексный коэффициент передачи узла связи U0;

- комплексный коэффициент передачи узла связи U1i;

- комплексный коэффициент передачи приемного канала номер j, j ∈ [1, …, M_rc], ППМ с индексом (номером) i в режиме «Прием» от точки ввода контрольного сигнала через узел ввода U1i до соответствующего АЦП;

- отношение в квадратурах выходных значений АЦП на этапе L1;

- отношение в квадратурах выходных значений АЦП на этапе R1.

2.4 Этап L2.

Положение переключателей П0К, П1, П1i, П2i, П6К устанавливается таким образом, чтобы контрольный сигнал от выходного усилителя передающего канала У0 25 опорного ППМ распространялся от узла связи U0 24 к узлу связи U2i 22, а высокочастотные переключатели П1i, …, П6i ППМ 2 с индексом (номером) i устанавливаются в положение, соответствующее режиму «Калибровка Пр».

Контрольный сигнал через узел связи U0 поступает в приемный канал опорного ППМ и, через узел связи U2i, в приемные каналы 1, 2, …, M_rc выбранного ППМ, выходы которых соединены с АЦП. АЦП регистрируют в квадратурах выходные сигналы соответствующих приемных каналов и , здесь индекс L2 соответствует заданному направлению распространения контрольного сигнала (фиг. 12).

2.5 Этап R2.

Положение переключателя П0К устанавливается таким образом, чтобы контрольный сигнал от выходного усилителя У0 опорного ППМ распространялся от узла связи U2i к узлу связи U0, а высокочастотные переключатели П1i, П2i, П6i ППМ 2 с индексом (номером) i устанавливаются в положение, соответствующее режиму «Калибровка Пр».

Контрольный сигнал через узлы связи U0 и U2i поступает в приемный канал опорного ППМ и приемные каналы 1, 2, …, M_rc приемо-передающего модуля, выходы которых соединены с АЦП. АЦП регистрируют в квадратурах выходные сигналы соответствующих приемных каналов, равные , , здесь индекс R2 соответствует заданному направлению распространения контрольного сигнала.

Схема прохождения контрольного сигнала приведена на фиг. 13.

2.6 Определение коэффициентов корректировки приемных каналов ППМ с индексом (номером) i для режима «Передача».

Выполняется расчет отклонений комплексных коэффициентов передачи приемного канала с номером j, где j ∈ [1, …, M_rc] ППМ с индексом (номером) i, от комплексного коэффициента передачи опорного приемного канала по формуле:

и комплексного коэффициента передачи тракта прохождения контрольного сигнала от узла ввода U0 до узла ввода U1i по формуле:

, где

- комплексный коэффициент передачи узла связи U0;

- комплексный коэффициент передачи узла связи U2i;

- комплексный коэффициент передачи приемного канала номер j, (j ∈ [1, …, M_rc]) ППМ с индексом (номером) i в режиме «Передача» от точки ввода контрольного сигнала через узел ввода U2i до соответствующего АЦП;

- отношение в квадратурах выходных значений АЦП на этапе L2;

- отношение в квадратурах выходных значений АЦП на этапе R2.

2.7 Пункты 2.2 - 2.6 калибровки приемных каналов выполняются для всех ППМ из состава МЛЦАФАР. В результате формируются данные по отклонению коэффициентов передачи приемных каналов ППМ от точек ввода контрольного сигнала через узлы ввода U1i, U2i до выходов соответствующих АЦП относительно комплексного коэффициента передачи опорного приемного канала.

2.8 Этап Т

В ЦАП передающего канала опорного ППМ и передающих каналов с номерами 1, 2, …, M_tr ППМ с индексом (номером) i записываются равные квадратурные компоненты сигналов и на выходе передающих каналов формируются сигналы заданной частоты.

Положение переключателей П0К, П1К устанавливаются таким образом, чтобы контрольный сигнал от выходного усилителя У0 передающего канала опорного ППМ распространялся до узла связи U0 и, через переключатель П1К, к согласованной нагрузке. Контрольный сигнал через узел связи U0 поступает в приемный канал опорного ППМ, выход которого соединен с АЦП. АЦП регистрирует в квадратурах выходной сигнал опорного приемного канала, равный .

Высокочастотные переключатели П1i, П2i, …, П6i ППМ с индексом i устанавливаются в положение, соответствующее режиму «Передача».

ЦАП передающего канала с номером j, j ∈ [1, …, M_tr] ППМ с индексом (номером) i формирует сигнал, который поступает на выходной усилитель 20 Уi и, далее, к излучателю. Излучаемый сигнал через узел связи U1i принимают одним из каналов приема, например, номер которого равен n, n ∈ [1, …, M_rc]. АЦП канала приема n регистрирует в квадратурах выходной сигнал приемного канала, равный .

Схема прохождения сигналов при калибровке трактов излучения приведена на фиг. 14.

По формуле

выполняется расчет величины , равной отношению в квадратурах выходного сигнала приемного канала номер n, n ∈ [1, …, M_rc] ППМ с индексом (номером) i, i ∈ [1, …, N] к выходному сигналу опорного приемного канала M_tr.

2.9 Пункт 2.8 калибровки передающих каналов выполняется для всех приемо-передающих модулей из состава МЛЦАФАР.

В результате формируются данные по отклонению комплексных коэффициентов передачи излучающих каналов приемо-передающих модулей относительно комплексного коэффициента передачи канала излучения опорного канала.

3. Расчет коэффициентов коррекции приемных каналов в режиме «Прием».

Выполняется расчет комплексного коэффициента коррекции амплитудно-фазовой характеристики приемного канала с номером j, j ∈ [1, …, M_rc] ППМ с индексом (номером) i, i ∈ [1, …, 2N] относительно комплексного коэффициента передачи приемного канала с номером mrc, mrc ∈ [1, …,M_rc] ППМ с индексом (номером) , i ∈ [1, …, 2N] для режима «Прием» по формуле:

Узлы ввода контрольного сигнала выполняются с максимально одинаковыми передаточными характеристиками, то есть для всех (i, ) ∈ [1, …, Mrc]. В этом случае расчет комплексного коэффициента коррекции амплитудно-фазовой характеристики передающих каналов с номером j, j ∈ [1, …, M_tr] ППМ с индексом (номером) i, i ∈ [1, …, 2N] относительно комплексного коэффициента передачи излучающего канала mtr, mtr ∈ [1, …,M_tr] ППМ с индексом (номером) осуществляется по формуле:

4. Определение дифференциальной разницы коэффициентов передачи каналов приема ППМ в режиме «Передача» относительно режима «Прием».

Дифференциальная разница коэффициентов передачи трактов приемного канала номер j ППМ с индексом (номером) i при изменении схемы подключения равная отношению коэффициентов передачи трактов по каналу приема номер j, j ∈ [1, …,M_rc] ППМ с индексом (номером), i, i ∈ [1, …,2N] к комплексному коэффициенту согласования коэффициентов передачи трактов по каналу приема номер mkr, mkr ∈ [1, …, M_rc] приемо-передающего модуля с индексом (номером) , вычисляется по формуле:

При условии, когда узлы ввода контрольного сигнала выполнены с максимально одинаковыми передаточными характеристиками, то есть ; для всех i ∈ [1, …, 2N], (j, ) ∈ [1, …, M_rc], дифференциальная разница коэффициентов передачи трактов приемного канала рассчитывается по формуле:

5. Формирование коэффициентов коррекции параметров приемо-передающих модулей МЛЦАФАР.

Пункты 1-3 повторяются для определения коэффициентов коррекции ППМ МЛЦАФАР на заданных частотах ƒ₁, ƒ₂, …, ƒ_k.

В результате для каждого номинала частоты определяются:

1) Комплексные коэффициенты коррекции амплитудно-фазовой характеристики приемных каналов ППМ с индексами (номерами) i, i ∈ [1, …, 2N], относительно амплитудно-фазовой характеристики приемного канала с номером mrc, mrc ∈ [1, …, M_rc] ППМ с индексом (номером) , i ∈ [1, …, 2N]:

2) Комплексные коэффициенты коррекции амплитудно-фазовой характеристики передающих каналов ППМ с индексами (номерами) i, i ∈ [1, …, 2N] относительно комплексного коэффициента передачи передающего канала mtr, j ∈ [1, …, M_tr], ППМ с индексом (номером) :

3) Комплексные коэффициенты дифференциальной разницы коэффициентов передачи трактов по каналу приема номер j, j ∈ [1, …, M_rc] ППМ с индексом (номером) i, i ∈ [1, 2, …, 2N], относительно комплексного коэффициента согласования коэффициентов передачи трактов по каналу приема номер mkr, mkr ∈ [1, …, M_rc] ППМ с индексом (номером) ,

Калибровка МЛЦАФАР должна проводиться с периодом повторения Т_K, который определяется временем изменения параметров устройств МЛЦАФАР. Значение Т_K зависит от используемой элементной базы, схемного построения и т.д., и определяется на опытном образце изделия.

Предлагаемое изобретение позволяет расширить область применения МЛЦАФАР по частоте, реализуя возможность формирования лучей на частотах, частотное расстояние между которыми превышает рабочие полосы ЦАП и АЦП, а устройство калибровки приемных и передающих каналов МЛЦАФАР позволяет повысить точность и достоверность измерений их комплексных коэффициентов передачи.

1. Многолучевая цифровая активная фазированная антенная решетка (МЛЦАФАР), содержащая систему антенных излучателей на ортогональных поляризациях, соединенных с N приемо-передающими модулями (ППМ), соединенными с системой амплитудно-фазовой коррекции (АФК), связанной с системой цифрового диаграммообразования (ЦДО), а также устройством целеуказания, системой управления поляризацией и системой синхронизации (СС), синхронизирующей работу многолучевой цифровой активной фазированной антенной решетки, отличающаяся тем, что дополнительно включены устройство калибровки многолучевой цифровой активной фазированной антенной решетки для периодической калибровки приемных каналов ППМ по контрольному сигналу, формируемому передающим каналом опорного ППМ, и передающих каналов ППМ по контрольному сигналу, формируемому передающими каналами ППМ, система амплитудно-фазовой коррекции выполнена с возможностью коррекции параметров многоканальных приемо-передающих трактов, а система цифрового диаграммообразования выполнена с возможностью независимого управления диаграммами направленности при приеме и передаче сигналов, при этом устройство целеуказания соединено с системой цифрового диаграммообразования при приеме и передаче, соединенной с формирователем поляризации системы управления поляризацией при передаче и адаптации к поляризации при приеме, при этом передача и прием сигналов осуществляется на несущих частотах попеременно.

2. МЛЦАФАР по п. 1, отличающаяся тем, что каждый приемо-передающий модуль содержит требуемое число цифро-аналоговых (ЦАП) при передаче и аналого-цифровых (АЦП) преобразователей при приеме, число которых определяется количеством формируемых лучей на частотах приема и передачи, разнос по частоте между которыми превышает полосы пропускания по входу ЦАП и АЦП.

3. Устройство калибровки МЛЦАФАР для калибровки приемных каналов приемо-передающих модулей по контрольному сигналу, передаваемому по трактам приема МЛЦАФАР, содержащее опорный ППМ, тракт передачи контрольного сигнала, устройства ненаправленного ввода контрольного сигнала и СВЧ переключатели, отличающееся тем, что выход передающего канала опорного модуля ППМ через переключатель изменения направления прохождения контрольного сигнала по тракту калибровки и устройство ненаправленного ввода контрольного сигнала в приемный канал опорного ППМ подключен к СВЧ переключателю выбора ППМ для выполнения калибровки, соединенным с входом ненаправленного ввода контрольного сигнала, через который контрольный сигнал поступает на вход приемного калибруемого канала, при этом направление прохождения контрольного сигнала по тракту его передачи между приемным каналом опорного ППМ и приемным каналом калибруемого ППМ в трактах противоположное, при этом величина затухания контрольного сигнала в тракте передачи контрольного сигнала между приемными каналами постоянная, а фазовая задержка меняет знак на обратный, и далее по сигналам на выходах радиоприемных каналов опорного приемо-передающего модуля и выбранного приемо-передающего модуля определяются отклонения амплитудно-фазовых характеристик приемного канала выбранного приемо-передающего модуля от амплитудно-фазовых характеристик приемного канала опорного приемо-передающего модуля, и на основе результатов измерений этих отклонений выполняется расчет дифференциальной разницы коэффициента передачи приемного канала выбранного приемо-передающего модуля от коэффициента передачи приемного канала опорного приемо-передающего модуля, при этом измерения дифференциальной разницы коэффициента передачи приемного канала выбранного приемо-передающего модуля относительно коэффициента передачи приемного канала опорного приемо-передающего модуля выполняются для двух схем включения выбранного приемо-передающего модуля: приемные каналы выбранного приемо-передающего модуля подключены к антенному элементу, и приемные каналы выбранного приемо-передающего модуля подключены через узел ненаправленного ввода к тракту прохождения контрольного сигнала.

4. Способ калибровки МЛЦАФАР для калибровки передающих каналов приемо-передающих модулей по контрольному сигналу, передаваемому по трактам приема и передачи МЛЦАФАР, отличающийся тем, что при калибровке передающих каналов приемо-передающих модулей контрольный сигнал, формируемый передающим каналом опорного приемо-передающего модуля, через устройство ненаправленной связи вводится в приемный радиотракт опорного приемо-передающего модуля, а контрольный сигнал, формируемый передающим каналом выбранного приемо-передающего модуля, через устройство ненаправленной связи вводится в приемный радиотракт выбранного приемо-передающего модуля, и далее, по сигналам на выходах радиоприемных каналов опорного приемо-передающего модуля и выбранного приемного канала приемо-передающего модуля, определяются отклонения амплитудно-фазовых характеристик приемного канала выбранного приемо-передающего модуля от амплитудно-фазовых характеристик приемного канала эталонного приемо-передающего модуля, и на основе результатов измерений, с учетом дифференциальной разницы в коэффициентах передачи приемных каналов опорного и выбранного приемо-передающего модулей, этих отклонений, выполняется расчет дифференциальной разницы коэффициента усиления передающего канала выбранного приемо-передающего модуля от коэффициента усиления передающего канала опорного приемо-передающего модуля.