Способ управления лучом фазированной антенной решетки

1. СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЛУЧОМ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ, заключающийся в преобразовании входного сигнала U, соответствующего заданному углу установки луча ₁, в квантованые сигналы управления N фазовращателями решетки согласно заданному фазовому распределению где i [0,N+1] - номер фазовращателя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности управления, входной сигнал U сначала преобразуют в промежуточный сигнал U по закону, обратному зависимости фактического угла установки луча от заданного угла ₁, а затем промежуточный сигнал преобразуют в квантованные сигналы управления N фазовращателями согласно тому же заданному фазовому распределению
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью уменьшения влияния на точность управления скачка между двумя последовательными положениями ₂ и ₂+ луча, соответствующими изменению заданного угла ₁ на одну дискрету , переход между этими положениями осуществляют за 1 последовательных шагов при значениях входного сигнала U в интервале заданных углов ₁ [ _{2 1}+ ], при этом на каждом шаге изменяют сигналы управления только в одной из 1 групп фазовращателей.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в устройствах с фазированной антенной решеткой (ФАР).
Известны способы управления лучом ФАР, заключающиеся в преобразовании входного сигнала U, соответствующего заданному углу установки луча ₁, в точные сигналыU₁} управления N фазовращателями, образующими решетку, в соответствии с заданным фазовым распределением
U_i (U, x_i), (1) где x_i координата фазовращателя с номером i [0, N-1]
Точное распределение (1) определяет "идеальную" диаграмму направленности. При этом угол установки луча ₂ (т.е. фактическое направление максимума диаграммы) в точности соответствует заданному углу ₁, а "идеальная" характеристика управления (т.е. зависимость угла ₂от угла ₁) изображается прямой линией.
Для дискретных фазовращателей точные значения сигналов управленияU_i} (1) заменяются квантованным фазовым распределениемU_i} получающимся путем округления до целого числа дискрет соответствующих величин U_i.
В результате квантования максимум диаграммы направленности смещается и возникает погрешность установки луча
_{2 1}, (2) а фактический угол установки луча (угол фазирования) ₂, соответствующий квантованному фазовому распределению } определяется уже не "идеальной", а реальной характеристикой управления
₂ F( _i), (3) где F некоторая, вообще нелинейная функция.
Дополнительная погрешность может возникнуть также вследствие ограниченной точности вычисления фазового распределения.
Известен способ управления лучом, в котором повышение точности управления достигается путем введения поправок в сигналы управления каждым фазовращателем.
Главным недостатком указанного способа является необходимость ввода большого объема поправок (в каждом фазовращателе), что требует усложнения оборудования и снижает быстродействие системы.
Известны также способы управления лучом ФАР, в которых повышение точности достигается за счет разрушения (декорреляции) ошибок квантования. Каждой из модификаций таких способов присущи определенные недостатки например, снижение быстродействия при введении генератора случайных чисел; отсутствие взаимозаменяемости каналов при использовании фиксированных таблиц (разных для различных каналов); усложнение оборудования при использовании нелинейных подставок и т.д.
Общим недостатком указанных способов является также и то, что они не решают задачи корректировки собственных ошибок вычислителя фазового распределения } (вследствие ограниченной точности вычислений). Увеличение же разрядности вычислителя (т.е. точности вычислений) ведет к усложнению оборудования.
Наиболее близок к предлагаемому способ, заключающийся в преобразовании входного сигнала U, соответствующего заданному углу установки луча ₁, в квантованные сигналы } управления N фазовращателями в соответствии с заданным фазовым распределением
=f(U,i) (4) где i [0,N-1] номер фазовращателя.
Квантование фаз может осуществляться, например, в соответствии с выражением
= U E[U_i/ U+0,5] (5) где U_i точное значение сигнала управления i-м фазовращателем, определяемое выражением (1);
U дискрета представления этого сигнала, определяемая разрядностью фазовращателей;
Е целая часть числа.
Основной недостаток способа наличие погрешности установки луча вследствие округления сигналовU_i} при квантовании. Эта погрешность может достигать недопустимо большой величины.
Целью изобретения является повышение точностиуправления путем уменьшения ошибки, возникающей как вследствие квантования, так и вследствие ограниченной точности сигналов управления фазовращателями, при экономичности технических средств, необходимых для реализации способа.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе управления лучом ФАР, заключающемся в преобразовании входного сигнала U, соответствующему заданному углу установки луча ₁, в квантованные сигналы } управления N фазовращателями решетки согласно заданному фазовому распределению =f(U, i), где i [0, N-1] номер фазовращателя, входной сигнал U преобразуют сначала в промежуточный сигнал U' по закону, обратному зависимости фактического угла ₂установки луча от заданного угла ₁, а затем промежуточный сигнал преобразуют в квантованные сигналы управления фазовращателями согласно тому же заданному фазовому распределению =f(U ,i).
Кроме того, с целью уменьшения влияния на точность управления скачка между двумя последовательными положениями ₂ и ₂ + луча, соответствующими изменению заданного угла ₁ на один дискрет переход между этими положениями осуществляют за 1 последовательных шагов при значе- ниях входного сигнала U, соответствующих интервалу заданных углов ₁ [ ₂, ₂+ ] на каждом шаге изменяют сигналы управления только в одной из 1 групп фазовращателей и при этом преобразование входного сигнала U в промежуточный сигнал U' осуществляют по закону, обратному зависимости фактического угла ₂ установки луча от заданного угла ₁ при 1 последовательных шагах в пределах интервала угла ₁ [ ₁, ₁+ ]
Сущность изобретения заключается в следующем. В реальной антенне характеристика управления отличается от "идеальной", т.е. от линейной, как в силу погрешностей квантования, так и в результате погрешностей вычисления команд (сигналов управления) технологических дефектов и т.д. Устранение ошибок управления из-за нелинейности функции ₂ F( ₁) достигается тем, что входной сигнал U сначала преобразуют в промежуточный сигнал
U' F^-1(U), (6) где F^-1 функция, обратная характеристике управления F, а затем сигнал U' преобразуют в квантованные сигналы управления } в соответствии с зависимостью
= f(U , i) (7) где f функция, соответствующая фазовому распределению в антенне с характеристикой управления F (3).
В результате дополнительного функционального преобразования, которое учитывает погрешности формирования сигналов управления и является отличием от прототипа, ошибки характеристики управления ₂F( ₁) поглощаются обратной функцией (6), и сигналы управления, сформированные в соответствии с зависимостью (7), обеспечивают правильную установку луча (в заданном направлении ₁).
Особенностью п. 2 формулы изобретения является преобразование входного сигнала в соответствии с законом:
U' ^-1(U), (8) где ^-1 функция, обратная зависимости
₂ ( ₁), (9) представляющей собой характеристику управления в процессе изменения (переключения) сигналов управления отдельных групп фазовращателей при скачке угла установки луча.
Преобразование (8) обеспечивает возможность точной установки луча в любом заданном направлении ₁ между положениями ₂ и ₂ + , в частности линейность перемещения луча при груботочном сканировании.
На фиг. 1 и 2 показаны участки характеристик управления, относящиеся к примерам реализации способа по п. 1 формулы изобретения; на фиг. 3 участок характеристики управления, относящейся к примеру реализации способа по п. 2 формулы изобретения.
Конкретная реализация способа поясняется следующими примерами.
П р и м е р 1. На фиг. 1 представлены характеристики, свойственные аналоговым системам управления (в том числе аналоговым фазовращателям). В этом случае зависимость ₂ F( ₁) представляет собой непрерывную функцию, близки к непрерывным также некоторые участки реальных характеристик управления цифровых систем с дискретными фазовращателями высокой разрядности.
Прямая 1 изображает "идеальную" характеристику управления, не содержащую погрешности, кривые 2 и 3 соответственно зависимости ₂ F( ₁) и ₁ F^-1( ₂).
При "идеальной" характеристике 1 входному углу ₁ в точности соответствует угол фазирования _{2 1} (точка 4 на фиг. 1), т.е. погрешность управления отсутствует.
При реальной характеристике 2 управления ₂ F( ₁) направление фазирования смещается (точка 5), и возникает погрешность _{2 2 1} Значение 2 соответствует совокупности сигналов управленияU_i} сформированных по заданной зависимости U_i f(U, i).
Для устранения ошибки входной сигнал U преобразуют в промежуточный сигнал управления U' F^-1(U), что эквивалентно преобразованию заданного угла ₁ в промежуточный угол
₁' F^-1( ₁). (6')
Функция F^-1, обратная функции F, расположена симметрично последней относительно прямой _{2 1}.
В силу непрерывности функции F обратная функция F^-1 также непрерывна, и каждому значению заданного угла ₁ соот- ветствуют преобразованный угол ₁' (точка 6) и эквивалентный ему сигнал U'.
Фазовое распределение, сформированное согласно зависимости U_i' f(U', i), отличается от распределения U_i f(U, i). СовокупностиU₁'} соответствует уже не угол ₂ F( ₁), угол ₂' F[ ₁'] F[F'( )] ₁ (точка 7), и, следовательно, при этом погрешность ₂' ₂' ₁ 0.
Таким образом, в рассматриваемом примере погрешность управления полностью поглощается за счет двойного преобразования F(F^-1). Как видно из фиг. 1, где стрелками иллюстрируется последовательность преобразования, значение функции F( ₁') совпадает со значением ₁ на "идеальной" характеристике управления (ординаты точек 7 и 4).
При ограниченной разрядности фазовращателей реальная характеристика ₂ F( ₁) представляет собой разрывную функцию 9 (фиг. 2), так как фазовое распределение } может принимать не любые, а лишь только определенные, квантованные значения. Кроме того, для цифровых систем управления квантованными являются не только значения угла фазирования ₂, но и входные величины U( ₁).
Вследствие указанных причин функция 9 на фиг. 2 носит ступенчатый характер. Горизонтальные участки соответствуют шагу аргумента ₁; точками на этих участках отмечены узловые (расчетные) значения, а сплошными горизонтальными линиями область округления аргумента (в пределах 0,5 ). Вертикальные участки, показанные пунктиром, означают "скачки" угла фазирования, т.е. разряды функции ₂ F( ₁).
Поскольку обратная функция 10 ₁' F^-1( ₁) не определена в интервалах значений аргумента ₁, соответствующих разрывам функции ₂ F( ₁), при преобразовании (6') ₁' F^-1( ₁) осуществляют квантование, принимая за подходящую величину аргумента угловое значение ₁ в ближайшем интервале непрерывности функции ₂ F( ₁).
В остальном преобразования, указанные стрелками на фиг. 2, сохраняют ту же последовательность, что и при непрерывной функции ₂ F( ₁).
Остаточная погрешность способа содержит два компонента, определяемых дискретностью представления заданного угла ₁ (шагом ) и дискретностью изменения фазового распределения } приводящей к дискретности угла фазирования ₂ (скачками ).
Дискретность фазового распределения может приводить к увеличению как горизонтальных интервалов, так и скачков функции ₂ F( ₁).
Первый случай имеет место, когда в течение нескольких шагов изменения фазового сдвига ни на одном фазовращателе не достигает дискреты, и, следовательно, ни один фазовращатель не переключается, т.е. луч остается неподвижным в течение нескольких шагов.
Скачки функции ₂ F( ₁) имеют место тогда, когда одновременно переключается несколько фазовращателей. Наибольший скачок соответствует одновременному переключению всех фазовращателей решетки. Возникающая при этом ошибка является погрешностью квантования, максимальная величина которой на порядок превышает дискрету входного управляющего сигнала.
Указанная погрешность может быть уменьшена способом, описанным в п. 2 формулы изобретения, что иллюстрируется следующим примером.
П р и м е р 2. На фиг. 3 приведены характеристики, иллюстрирующие способ по п. 2 формулы изобретения. Здесь прямая 8 идеальная характеристика управления, ступенчатая функция 11 зависимость ₂F( ₁) для интервала значений ₁, содержащего максимальный скачок _макс.
Эта функция содержит два горизонтальных участка по 10 шагов, соответствующих неподвижному состоянию луча, а разрыв, соответствующий скачку между двумя последовательными положениями луча ₂ и ₂ + _макс.
В силу разрыва обратной функции преобразование ₁' F^-1( ₁) при столь большом скачке не обеспечивает поглощения ошибки управления лучом. Для уменьшения погрешности управления при переходе через этот скачок совокупность сигналов управления } изменяют последовательность за 1 шагов, причем на каждом шаге изменяют сигналы только в одной из 1 групп. Такое ступенчатое изменение фазового распределения приводит к монотонному ступенчатому изменению угла фазирования ₂.
В рассматриваемом примере переход осуществляется за 10 шагов (по /1 каждый). При этом вместо одного скачка угла фазирования ₂происходит 10 скачков, которые на фиг. 5 показаны точками в кружках и вертикальными штрихованными линиями 12.
В общем случае эти скачки, зависящие от порядка переключения фазовращателей на каждом шаге (т.е. от числа одновременно переключаемых фазовращателей и их номеров), могут быть разными, а функциями ₂ ( ₁), описывающая характеристику управления в интервале ₁< ₁ < ₁+ , может быть произвольной. При одинаковых шагах эта характеристика является функцией целочисленной переменной номера шага j [1, 1]
₂ ( ₁ + /1 j). (10)
Для поглощения ошибки управления на каждом шаге входной сигнал U или заданный угол ₁ преобразуют в соответствии с выражением
₁' ^-1( ₁), (11) где ^-1 функция, обратная функции
Это преобразование осуществляют в интервале значений входного угла ₂ < ₁ < ₂ + _макс. На фиг. 3 началу интервала преобразования (11) соответствует точка 13 _{1 2}, а концу точка 14 _{1 2} + _макс. Преобразованные же значения Q₁' лежат в интервале скачка от ₁(точка 15) до ₁ + (точка 16). Фазовые распределения =f(U ,i) сформированные для преобразованных сигналов U' (или для углов ₁' (11)), соответствуют углам фазирования, показанным на фиг. 3 точками в треугольниках. Там же стрелками показан графический способ получения этих точек. Как видно из фиг. 3, остаточная погрешность управления в рассматриваемом примере не превышает дискреты
Описанный способ по п. 2 формулы изобретения может быть применен не только к сканирующей, но и к следящей ФАР. В последнем случае для получения угла фазирования ₂ в области скачка луча с минимальной погрешностью все фазовращатели переключаются за два шага ( 1 2), причем число фазовращателей, переключаемых на каждом шаге, может быть разным.
Основным достоинством описанного способа является высокая точность управления лучом. Величина остаточной погрешности при этом способе лежит в пределах половины скачка луча за один шаг и при линеаризации характеристики управления в области скачка оценивается выражением:
(12)
Наибольшая точность достигается тогда, когда на каждом шаге переключается только одна пара симметричных относительно центра фазовращателей (или при большом их числе один фазовращатель). Если решетка содержит N фазовращателей, предельная точность способа характеризуется остаточной погрешностью
(13)
Другим достоинством способа является техническая экономичность его реализации. Так как поглощение ошибки угла фазирования осуществляют за счет преобразования входного сигнала, общего для всех каналов, то технические средства, необходимые для реализации способа, оказываются централизованными и не затрагивают канального оборудования, имеющего обычно весьма большой объем.
Способ позволяет также поглощать не только специфические вычислительные ошибки управления (квантования, вычисления), но и погрешности, связанные с эксплуатационными и конструктивно-технологическими факторами.
Например, при формировании промежуточного сигнала U' F^-1(U) в функции обратного преобразования могут быть учтены изменения частоты возбуждения ФАР, уходы параметров антенной решетки из-за изменения температуры, деформации конструктивных элементов и т.д.
В прецизионных системах для каждого образца ФАР может использоваться своя преобразующая функция F^-1( ^-1), учитывающая также индивидуальные особенности системы (в том числе технологические погрешности, влияние местности, и др.).
Использование: в антенной технике - в устройствах управления фазированной антенной решеткой для повышения точности управления лучом. Сущность изобретения: входной сигнал управления пребразуют в промежуточный сигнал с помощью функции, обратной реальной характеристике управления, и формируют по этому сигналу необходимые фазовые сдвиги. Для уменьшения влияния скачка угла фазирования на точность управления переход между двумя последовательными положениями луча осуществляют путем поочередного переключения групп фазовращателей с преобразованием входного сигнала при каждом переходе. 3 ил.