Способ изменения амплитудно-фазового распределения поля фазированной антенной решетки

(.-1 с г 01 В 2 Г/1 О ПИ мо слу ГОСУДАРСТ 1 Е: 1 1 г)Г Г 1 АТГ 111 г 1 Г 1 ЕДОМСТВО ССС 11(ГОСПАТЕНТ СССР)1 НИЕ ИЗОБ ВтОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) 1. Леманский А,А. и др. Восстановлениераспределения поля в раскрыве решеткимодуляционным способом, - Радиотехникаи электроника, т. ХХ, 1976, Бг 3, с, 617 - 620,2. Авторское свидетельство СССРМ 1239644, кл. 6 01 К 29/10, 1984,(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУДНОФАЗОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛЯ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ(57) Изобретение относится к технике антенных измерений и может быть использованодля определения амплитудно-фазового распределения (АФР) фазированной антенной Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при определении характеристик излучения и настройке фазированных антенных решеток (ФАР).Известен способ определения амплитудно-фазового распределения (АФР) антенной решетки, основанный на облучении ФАР, состоящей из И излучателей, посредством вынесенного зонда, измерения амплитуды суммарного сигнала ФАР (А;-( при изменении фазовых состояний фазовращателей решетки и определении АФР.Однако при этом способе с ростом числа элементов в решетке возникают два противоречивых требования к начальному фазовому распределению рев 1 етки. С целью5786452 Арешетки (ФАР) при ее 11 астройке и испыта ниях. Цель изобретения - повышение точности и упрощение спогоба. Указанная цель достигается тем, что излуча 1 от сигнал из точки излучения в зоне Фре 1 геля исследуемой ФАР, прием ею сигнала, измерение амплитуды принятого сигнала, -кратную установку фазы принятого сигнала в канале каждого излучателя исследуемой ФАР по случайному закону, равномерно распределенному в пределах ( - л,л), выбор фазового распределения при выполнении приведенного условия, поочередное изменение фазы в канале каждого излучателя исследуемой ФАР, измерение амплитуды принятого сигнала при каждом значении фазы и определение АФР по результатам измерений, Цель изобретения достигается за счет указанного поиска фазового распределения. 2 ил,определения амплидого излучателя ФАР ся к увеличению глумарного сигнала при дном излучателе, для Ж варительная расфази- ЬЭ ении измерительного тм расфазировки в раой стороны, для повыпределения фазы вом предложенного в го выражения, рекоо в большей степениэдаваемое исследуесположения зонда. В раметров ФАР с чисповышения точности туд возбуждения каж необходимо стремить бины модуляции сум изменении фазы в о чего проводится пред ровка ФАР в направл зонда, причем алгориботе не списан. С друг ЩЕНИЯ ТОЧНОСТИ 0 излучателей посредст работе аналитическо мендуется как можн увеличивать поле, сой ФАР в месте ра чае измерения па5101520 25 30 35 40 50 55 лом излучателей более 100 зти двэ требования не удается обеспечить одновременно, а следовательно, и реализовать удовлетворительную для практики точность измерения АФР.Наиболее близким техническим решением к изобретению, выбранным в качестве прототипа, является способ измерения АФР - поля фазированной антенной решетки, включающий излучение сигнала из точки излучения, прием исследуемой ФАР сигнала, измерение амплитуды принятого ФАР сигнала, установку фазового распределения на элементах ФАР, соответствующего заданному значению амплитуды принятого ФАР сигнала, поочередное изменение фазы в канале каждого излучателя исследуемой ФАР, измерение амплитуды принятого сигнала на выходе исследуемой ФАР для каждого значения фазы принятого сигнала в канале каждого излучателя исследуемой ФАР и определение амплитудно-фазового распределения по результатам измерений (2.Однако в этом способе измерительный зонд размещается в дальней зоне исследуемой ФАР, что для крупноапертурных антенных решеток приводит к необходимости обеспечения знэцительного расстояния между зондом и ФАР, т,к. размер дальней зоны (Яд определяется выражением Яд2 Р /Л, где Р - максимальный размер апертуры ФАР; А - длина волны.Для обеспецения измерений фазы сигнала на выходе ФАР требуется прокладка протяженного тракта от вынесенного зонда до фазометра для возбуждения опорного качала фазометра, что приводит к необходимости использования вьсокостабильного генератора и стабилизации электрической длины волноводного тракта. При выполнении условия дальней зоны в присутствии земли, для уменьшения отражений от поверхности земли, необходимо размещать облучающий зонд на измерительной вышке, что затрудняет обеспечение неподвижности вспомогательной антенны, а это может существенно отразиться на точности определения фазы суммарного сигнала ФАР, что во многих случаях, особенно в миллиметровом диапазоне длин волн, не позволяет реализовать удовлетворительную для практики антенн точность измерения АФР,Целью изобретения является повышение точности и упрощения способа.Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения АФР - антенной решетки, включающем излучение сигнала из точки излучения, прием исследуемой ФАР сигнала, измерение амплитуды принятого ФАР сигнала, установку фазового рэспреде. ления на элементах ФАР, соответствующую заданному значению амплитуды принятого ФАР сигнала, поочередное изменение фазы в начале каждого излучателя исследуемой ФАР, измерения амплитуды принятого сигнала на выходе исследуемой ФАР для каждого значения фазы принятого сигнала в канале каждого излучателя исследуемой ФАР и определение АФР по результатам измерений, прицем точку излучения размещают в зоне Френеля исследуемой ФАР, установку фазового распределения выполняют путем-кратной установки фазы принятого сигнала в канале каждого излучателя исследуемой ФАР по случайному закону, равномерно распределенному в пределах ( - л; 7 г, а выбор фазового распределения росуществляют при выполнении условия ДХ(3)/( -Х Д( = 2101 где А;(1) - амплитуда сигнала на выходе исследуемой ФАР при 1-м фазировании;1. - число изменений фазы;К - число излучателей исследуемой ФАР;Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, цто заявляемый способ отличается от известного тем, что фазу каждого излучателя выстэцляют по случайному закону и для каждой случайной реализации фазового распределения определяют амплитуды суммарного сигнала ФАР, после чего выбирают фазовое распределение р, обеспечивающее выполнение условия,",д,"(/(,(дЕ Д,(ЕЦ-(-(О/ Таким образом заявляемый способ соответствует критерию "новизна". Сравнение заявляемого решения, нетолько с прототипом, но и с другими теническими решениями в данной области техники не позволяет выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о сОответствии критерию "существенные отличия".На фиг,1 приведена структурНая электрическая схема устройства, реализирующего способ определения амплитудно-фазового распределения поля фазированной антенной решетки; на фиг,2 - взаимное расположение векторов, опре 1786452деляющих мощность на выходе ФАР при о = О.Устройство измерения АФР содержит генератор 1, соединенный с вынесенным зондом 2, излучатели ФАР 3 с фазовращателями 4, распределительную систему 5, выход которой подключен к измерительной аппаратуре, состоящую из измерителя 6 мощности, цифровой ЭВМ 7 и блока 8 управления.Устройство измерения АФР поля ФАР работает следующим образом.Вынесенный в зочу Френеля зонд 1 возбуждается генератором 1 и облучает излучатели 3,Беэ ограничения общности, предположим, что амплитуда каждого излучателя равна "А", Тогда, при произвольном фазировании ФАР, мощность на выходе измерителя мощности 6, характеризующая суммарный сигнал ФАР пропорциональна выражениюдар(а- д)где а - фаза и-го излучателя с учетом электрической длины от излучателя до зонда:характеризует е-е фазирование ФАР.Для решения задачи заявляемого способа, надо предварительно найти аналитическую связь между суммарным сигналом ФАР и амплитудой возбуждения одного излучателя "А", Такая связь может быть найдена с помощью статистической обработки суммарного сигнала ФАР,Наиболее просто такая обработка осуществляется при фазировании излучателей по случайному равномерно распределенному закону. Положим, что фаза каждого излучателя равномерно распределена на сегменте- Л; Л и определим математическое ожидание мощности (1)Математическое ожидание каждого члена суммы (2) зависит от комбинации индексов (в, и), При совпадении индексов математическое ожидание такой составляющей суммы равно А, а их общее число равно Й. Тогда из (2) имеемР=йн",С:. Е )е 4 се аЧ ),па т=12 Ь -д 2 Лии ДПроведя интегрирование в правой части (3) получаем(4) Для упрощения выражения (4) потребу 5 ем выполнения следующего тождества: М(М - 1)(зи Л / Л )2 = О. (5) Тождество (5) можно обеспечить, напри 10 мер, при Л = л., Отсюда видно, что в предлагаемом способе целесообразно фазукаждого излучателя ФАР выставлять по случайному закону равномерно распределенному в пределах- к;,7 г,15 В этом случае равенство (4) принимаетнаиболее простой вид,Р=А й.(6) где фп - случайная фаза и-го излучателя35 на дискретном множестве.Математическое ожидание каждого члена суммы (7) зависит от комбинации индексов (в, и). При совпадении индексов (в = и),как и в предыдущем случае с непрерывным40 фазированием, математическое ожиданиетакой частной суммы равно МА,Т.к. математическое ожидание от суммыравно сумме математических ожиданийкаждого слагаемого, рассмотрим математи 45 ческое ожидание одного из слагаемых прив = и. Вероятность каждого дискретногосостояния фазовращателя равна 1/М, гдеМ - число дискретных состояний, причемЛф=2 ж /М,50 где Л ф - дискрет фазовращателя,Тогда математическое ожидание каждого члена суммы при в Ф и будет равно . г м - 155, е ффМ На практике М2 и, следовательно,20 Поясним воэможность заявленного технического решения для ФАР с дискретными фазовращателями. Здесь определяются фазы излучателей по случайному закону, равномерно распределенному на сегменте.25- х;к с последующим округлением до .ближайшего значения соответствующей дискретной фазы.Определим математическое ожиданиемощности (1)30Р= Х:;А е1786452 М - 1 е ф =0 тогда и т=о выражениюРо= Т,Е +Я, Е " ")Р)1 д;, (12) (8) 10 Отсюда для (7) имеем Р А 2 Как видно из выражений (6) и (8), математическисе бжидсания мощности при случайном фазсиросваний С дискретными и , непсрсе)рывнйми фазовращателями совпадают.Иэ (6) или (8) получаем. Йа пр)актике вместо математического ожи)да)ййяс используют эмпирическое средНЕЕ, КсстбрОЕР двя аМПЛИтудЫ СуММарНОГО ссйтнала равногде А;г (" эмписРисчсЕСкОЕ СРеднее значЕниЕамплитудсы суммасрного сигнала ФАР;А" амплйтуда суммарного сигналаФА.Р при 1-м фазировайии.Подстасаляя вцражвнсие в правой части(10) в (9) ймеем Таким обраэо;, найдено приближенное аНсаЛйтИЧЕСКОЕ ВЬ)ражЕНИЕ.СВяэй МЕжду ЭМ- псирйсческим средним амплитуды суммарного сигнала ФАР и амплитудай возбуФдейияс однсогос изл)ушателя; что йозвосляет, проведя 1. измерений, ойределить усредненную ам, пслитусдус в)озбуждения" однаго излучателся.Тс к;: пРоцесс измерений заклюсчается в многбкратном (зараз) перефазирсовании всехизлучатеслей ФАР по случайному закойу, измерений амплитуды суммарного сигнала на вцхосде ФАР, йрйчем, с поМощью ЭЙМ запом)ина)от выставляемце полосжейия фазовра щателей (фазовое распределение ф ( для каждого 1-го фазирования. Далее выбирают фазовое распределение ф (1+), при котором рсеализуется оптимальное соотношение (Т) между амплитудой одного излудс Ф" "Р) = 0и) =1 п =1 чателя ФАР и суммарным сигналом исследуемой ФАР.Выбор соотношения Т поясним на конкретном примере реализации алгоритма измерения АФР поля ФАР.Мощность, создаваемая на выходе ФАР при облучении ее зондом, пропорциональна где)7 Е =,ЕИпТп, фт - модуль и фаза комплексногочисла в правой части (13); 20 фп =а +В +д и и - начальное дискретное значениефазы фаэовращателя;днеизвестная фаза и-го излучвте ля;Вй -рассстояние от зонда до п-го излучателя;д,пбгрешность измерения мощности;Ап - амплитуда и-го йзлучателя;К=2 л / А;А -длина вОЛнЫ.Задача определения АФР сводитСя кнахождению д и Ап для любого и е (1; )ч).Раскроем модуль в (12) Ро = Тп + Ап + 2 Тпдп 1 оэ2: 2( фп - фт+сЬф)+ дд .(14) 40 йроизводя переключение фазовращателя и-го излучателя, получаем-числовую последовательно.сть Рц.АРПРПср)ОКРСИМИруЕМ ПОСЛЕдОВатЕЛЬНОСтЬ 45(14) трисгономсетрмческой функциейРа+ Ьсоэ( ф + о Лф ), (15) где ф - оценка угла фп - фт50: 2 2,а = Тп + Ап, Ь = 2 ТАп,Можйо показать, в соответствий с м)втодо)м наименьшсйх каадратсов, что для на)ождейия ф достаточно воспользоватьсяреаением задачи о нахождении миниМумаследующего функционала;М - 1Н-(Рс - сов( 9+РЛфц - о(Рц - соз( ф- ц Лф зп( ф+ о Лф ) =о =оО. 2 лТ,к, М = -х - , то одна из частных суммфв (16) будет М - 1соз(ф+ ц д ф )з п(ф + р д ф ) = О.о=о(17) М- м Ф=-ТАЯ( . Р зщуЬР соэуАф) где АТАМ (у, х) - операция определения фазы комплексного числа х+)у,При известной оценке ф перейдем в (15) к определению констант а, Ь;Функционал запишем в виде М - 1Н = Х (Ро - а - Ьсоз( + ц2, 9=0 Используя метод наименьших квадратов, аналогично предыдущему находим м - 1 м Ь =(Рчсоз( ф+ц Лф / 9 - о 9 о соз (ф +Ч ф)Взаимное расположение векторов, определяющих мощность на выходе ФАР при ц = О, показано на фиг.2.Как следует из (14), (1 5) оценкой модулей векторов Тп, Ап.является где То = Тп, Ап =АпДля однозначного решения системы нелинейных уравнений (20) необходимо априорное знание соотношения амплитуд Тл и Ао, Для определенности потребуем АпТл, т,к. условие АТ, на практике выполнить не удается из-за аварийных ситуаций, когдаАо =0Из (20) находим 5 Тп = ( . а+ Ь +а - Ь /2; (21) Таким образом оценка амплитуды воз буждения п-го излучателя найдена.Так как фазовое распределение ФАРдостаточно определить относительно произвольного вектора, то в качестве опорного вектора используем суммарный сигнал ре шетки А (1+) при р =0(фиг.2), В этом случаеоценку для неизвестной фазы ( д и) и-го излучателя можно записать в виде с 5; = АТАЙ(А 9 и,Т А,созЧ) - - к Й20д и и к о 23)где д=д,т,е. найдена и оценка неизвестной фазыдлИтак, для однозначного определенияАФР поля ФАР требуется выполнения условия ТпАп для любых и е Е 1; М). В случаеравноамплитудной решетки для этого достаточно потребоватьЗОАЯ+) 2 А,тогда всегда выполняется условие ТоА,Предположим теперь, что разброс в амЗ 5. плитудах излучателей составляет +10 дБ(включает практически все реальные ситуации) А/3Ап "- ЗА,40 тогда условие ТпАп реализуется при 45Однако, увеличение суммарного сигнала А;г(+) при измерении амплитуды посредством приемника с погрешностью д А приводит к возрастанию"погрешности определения АФР из-за уменьшения вариации последовательности Ро (см, (14.Поэтому целесообразно ограничить Аф+)сверху, например, потребовав выполнение неравенств 6 АА;г (+)7 А,55 Поэтому в зависимости от априорногознания амплитудного распределениявыбор начального фазового распределения осуществляют при выполнении условия АХ О+)/А ЕЕ 210В1786452 12 д (дц Рассмотрим решетку с раскрыаом 10 м,2 = 1 см, Уел оаие дал аиеи кои ы Бл20 10 м.5 Рассмотрим случай, когда зонд размещен взоне Френеля на расстоянии= 210 м, т.е.на порядок ближе, чем в прототипе, тогда максимальная ошибка в определении фазы излучателя при а = 1 см составит д и = 1 О,10 15 Формула изобретения Способ измерения амплитудно-фазового распределения поля фазированной ан тенной решетки, включающий излучениесигнала, прием его исследуемой ФАР, предварительную установку Фазы принятого сигнала в: канале каждого излучатбля исследуемой ФАР, поочередное изменение 25 фазы в канале каждого излучателя исследуемой ФАР, измерение амплитуды принятого сигнала при каждом значении фазы и определение амплитудно-фазового распределения по результатам измерений, о т л и ч а )о щ и й с я тем, что, с целью повышенияточности, сигнал излучают из зоны Френеля исследуемой ФАР, а предварительную установку фазы принятого сигнала в канале каждого излучателя исследуемой ФАР 35 осуществляют путем :кратной установкифазы принятого сигнала в канале каждого излучателя исследуемой ФАР по случаййо му закону, равномерно распределенному впределах- у, к 1, одновременно во вСех 40 каналах и в каждом канале независимо отдругих каналов, измерения амплитуды принятого исследуемой ФАР сигнала А при каждой установке фазы, а выбор фаз р и ) осуществляют при выполнении условияд в = Кас/,),25) 50 где 1 - число изменений фазы; К - число излучателей исследуемой ФАР;,л. и ад = Ко а/(2 Ц +а Т.к, на практике нетрудно реализовать условия а; д , То из 25), 26) следует 551 "-. где А=( -- Аг( Упрощение способа в предлагаемомтехническом решении достигается за счетприменения только амплитудных измерений сигнала на выходе ФАР, что не требует,по сравнению с прототипом, использованияфазометров, которые для многих частртныхдиапазонов, например, для субмиллиметровых длин волн не выпускаются промышленностью,Повышение точности способа достигается при размещении зонда на измерительнойвышке, у которой из-заметеорологических условий происходит перемещенил зонда,В случае использования прототипа,смещение зонда на величину а ортогонально апертуре ФАР приводит к фазовой ошибке в определении АФР, равной Ка,Например, для А = 1 см и при смещении зонда на 1 см ошибка составит 360 О, чтосовершенно не допустимо,В предлагаемом способе определяетсяне абсол)отное значение фазы каждого и-гоизлучателя,разность фаз между Опорнымвектором А:и вектором, характеризующим возбуждение и-го излучателя.Без ограничений общности, предположим, что фаза А (+) совпадает с излучателем; расположенным в центре ФАР. Тогдаизменение разности фаз дн при смеща-.нии зонда параллельно плоскости ФАР с. тосчностью до линейных членов разложенияМаклорена составит где- расстояние между несмещеннымзондом и центром ФАР;с - расстояние между центром ФАР иизмеряемым излучателем;а-" смещение зонда.При ортогональном смещении зондаошибка ( д) в определении фазы равна в то время как в прототипе эта ошибка составляет 360. К аналогичному эффекту призодит нестабильность частоты генератора, обеспечивающего возбуждения зонда и опорного канала фазометра по волноводному тракту,АХ (И - .тд.АУ. 0: 2 - 10,;1 роизводсвенно издагельский Подписноета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С