Кольцевая антенная решетка с системой контроля

 

Изобретение относится к технике радиоизмерений и может быть использовано для поэлементного контроля работоспособности каналов кольцевых антенных решеток, фазируемых по методу кольцевых гармоник. Такие решетки содержат первую диаграммообразующую матрицу, входы которой соединены с излучателями антенной решетки, вторую диаграммообразующую матрицу, выходы которой подключены к сигнальным входам СВЧ-коммутатора, выход которого в свою очередь подключен к входу приемника, командное устройство, выход которого подключен к управляющему входу СВЧ-коммутатора, а также источник контрольного сигнала, состоящий из генератора контрольного сигнала и вспомогательной антенны. Сущность изобретения состоит в том, что в решетку дополнительно введены коммутируемые фазовращатели, входы которых подключены к выходам первой диаграммообразующей матрицы, выходы - к входам второй диаграммообразующей матрицы, а управляющие входы - к дополнительному входу командного устройства. Дополнительно введенными элементами системы контроля являются осциллограф и цифроаналоговый преобразователь, вход которого подключен к выходу командного устройства, а выход - к входу X осциллографа. Вход Y осциллографа подключен к выходу приемника. Принцип работы устройства заключается в том, что при установке коммутируемых фазовращателей в ноль на вход приемника поступает сигнал только от одного излучателя. При переключении СВЧ-коммутатора на экране осциллографа можно поочередно пронаблюдать сигналы от всех излучателей. 2 ил., 1 табл.

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

Известные устройства 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 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.

Предложенный в [3] способ поэлементного контроля применительно к ФАР кругового обзора модифицирован в [5].

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство, основанное на способе [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, затененной от внешнего источника излучения стороне апертуры ФАР.

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

Для правильного понимания принципа действия предлагаемого устройства контроля предварительно рассмотрим работу АР с фазированием по методу кольцевых гармоник с использованием матриц Батлера [6]. В данном случае будем рассматривать передающий режим работы АР.

Структурная схема N-элементной 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, передатчика (приемника) 6 и командного устройства 7.

Для возбуждения в цилиндрической АР любой m-ой 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 возбуждение любого (m-ого) их входов приводит к появлению на всех (n-ых) выходах токов равной амплитуды с линейно изменяющейся фазой, т.е.

.

Это означает, что при возбуждении m-ого входа матрицы Батлера 2 в цилиндрической АР возбуждается m-ая кольцевая гармоника (фаза N-ого излучателя _mN= 2m).

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(), значение которой при = 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 _m= argF_m(0). (3) В результате диаграммы направленности решетки, возбужденной N кольцевыми гармониками, оказывается подобной диаграмме направленности N-элементной АР: Из (4) следует, что при введении прогрессивного фазового сдвига между кольцевыми гармониками (m_o) диаграмма направленности поворачивается на угол _o . Для управления положением луча цилиндрической АР, в которой кольцевые гармоники формируются с помощью матричной схемы Батлера 2, используется вторая матрица Батлера 4.

Один из входов (p-й) матрицы Батлера 4 подключается через СВЧ-коммутатор 5 к передатчику (приемнику) 6 по сигналу командного устройства 7, причем m-ый выход матрицы Батлера 4 соединен с m-ым входом первой матрицы Батлера 2 через фиксированные фазовращатели 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-ый вход: где угловое положение центра p-ого излучателя.

В итоге фаза сигнала m-ой 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 случает примет вид (4), причем _o= _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-ого излучателя.

Заявленное изобретение направлено на проведение поэлементного контроля в излучателях кольцевой АР, фазируемой по методу кольцевых гармоник.

Сущность изобретения состоит в том, что в кольцевую АР с системой контроля, включающей генератор контрольного сигнала и вспомогательную антенну, причем сама кольцевая АР содержит первую диаграммообразующую матрицу, входы которой подключены к излучателям АР, вторую диаграммообразующую матрицу, выходы которой подключены к сигнальным входам СВЧ-коммутатора, выход СВЧ-коммутатора подключен к входу приемника, а управляющий вход его - к выходу командного устройства, дополнительно введены коммутируемые фазовращатели, цифроаналоговый преобразователь и осциллограф, причем входы коммутируемых фазовращателей подключены к выходам первой диаграммообразующей матрицы, их выходы - к входам второй диаграммообразующей матрицы, а управляющие входы подключены к дополнительному выходу командного устройства, вход цифроаналогового преобразователя подключен к выходу командного устройства, а его выход - к входу X осциллографа, вход Y осциллографа подключен к выходу приемника.

Кольцевая АР с системой контроля (фиг. 2) содержит систему излучателей 1, первую диаграммообразующую матрицу 2, коммутируемые фазовращатели 3, имеющие два фиксированных положения - 0 и _m , вторую диаграммообразующую матрицу 4, СВЧ-коммутатор 5, приемник 6, командное устройство 7, цифроаналоговый преобразователь 8 и осциллограф 9, а также источник контрольного сигнала, состоящий из вспомогательной антенны 10 и генератора контрольного сигнала 11.

Излучатели решетки последовательно и согласно соединены с входами диаграммообразующей матрицы 2, выходы которой последовательно и согласно через коммутируемые фазовращатели 3 подключены к входам диаграммообразующей матрицы 4, выходы которой в свою очередь последовательно и согласно соединены с сигнальными входами СВЧ-коммутатаора 5, выход которого подключен к входу приемника 6. Выход командного устройства 7 параллельно подключен к управляющему входу СВЧ-коммутатора 5 и входу цифроаналогового преобразователя 8. Дополнительный выход командного устройства 7 параллельно подключен к управляющим входам коммутируемых фазовращателей 3. Вход X осциллографа 9 подключен к выходу цифроаналогового преобразователя 8, а вход Y - к выходу приемника 6. Источник контрольного сигнала располагается в дальней зоне АР.

Рассмотрим работу устройства в режиме передачи. Если коммутируемые фазовращатели 3 установить в нулевое состояние, что равносильно отключению фиксированных фазовращателей 3 (см. фиг. 1), то в соответствии с формулой (6) фазу m-ой гармоники на n-ом излучателе при возбуждении p-ого выхода диаграммообразующей матрицы 4 можно представить в виде:

Преобразования в (7) выполнены с использованием формулы для суммы геометрической прогрессии.

Поскольку n и p принимают только целые значения, то числитель дроби всегда равен нулю. Знаменатель же равен нулю только при n+p=N, и лишь в этом случае отличен от нуля. Это значит, что при подаче сигнала на p-ый вход диаграммообразующей матрицы 4 отличным от нуля будет лишь сигнал на излучателе с номером n=N-p (см. табл.). Заслуживает внимания последняя графа табл. Излучатель с номером 0 - это N-ый излучатель.

В соответствии с принципом взаимности сигнал, принятый n-ым излучателем, пройдет (будет отличным от нуля) лишь на выход диаграммообразующей матрицы 4 с номером p=N-n.

Таким образом, если в дальней зоне АР расположить вспомогательную антенну 10 с генератором 11, кроме того, с помощью СВЧ-коммутатора 5 и приемника 6 подключать на вход Y осциллографа 9 поочередно p-ый выход диаграммообразующей матрицы 4, а развертку осциллографа 9 синхронизировать с работой СВЧ-коммутатора 5, то на экране осциллографа 9 можно поочередно наблюдать сигналы, принятые каждым излучателем в отдельности. Если все каналы излучателей исправны, то огибающая этих сигналов имеет форму диаграммы направленности одиночного излучателя на цилиндре. Такую диаграмму направленности можно получить на экране осциллографа, если СВЧ-коммутатор 5 переключать периодически. Ввиду направленности излучателей необходимо иметь не менее двух - трех источников контрольного сигнала, распределенных в пространстве равномерно и включаемых поочередно.

Источники информации
1. Авт. св. СССР N 417864, кл. H 01 Q 21/08. Устройство для встроенного контроля дискретно-коммутационной антенной решетки. Г.М.Сабреков, А.Е.Чалых, В.А.Черкасов. - Опубл. 28.02.74. Бюл. 8.

2. Авт.св. СССР N 675377, кл. G 01 R 29/10. Способ контроля фазированной антенной решетки. В. А. Волошин, Б. Д. Мануилов, В.В. Шацкий. - Опубл. 25.07.79. Бюл. 27.

3. Патент США N 3378846. Способ контроля фазированных антенных решеток и аппаратура для его осуществления. - Опубл. 16.04.68.

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

5. Авт.св. СССР N 1666979, 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 первую диаграммообразующую матрицу, входы которой соединены с излучателями антенной решетки, вторую диаграммообразующую матрицу, выходы которой подключены к соответствующим сигнальным входам СВЧ-коммутатора, выход которого в свою очередь подключен к входу приемника, а управляющий вход - к выходу командного устройства, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены осциллограф, цифроаналоговый преобразователь и коммутируемые фазовращатели, входы которых подключены к выходу первой диаграммообразующей матрицы, а выходы - к соответствующим входам второй диаграммообразующей матрицы, в свою очередь дополнительный выход командного устройства подключен к управляющим входам коммутируемых фазовращателей, вход Х осциллографа через цифроаналоговый преобразователь подключен к основному выходу командного устройства, а вход Y осциллографа подключен к выходу приемника.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3