CC BY
63
ш
https://doi.org/10.38013/2542-0542-2022-4-30-41 УДК 621.396.67
Калибровка фазированных антенных решеток на открытых полигонах
Е. В. Коротецкий, А. М. Шитиков, В. В. Денисенко
Публичное акционерное общество «Радиофизика», Москва, Российская Федерация
Некоторые фазированные антенные решетки предполагают обслуживание и настройку на открытом полигоне. В связи с этим важной является задача предъявления требований к конфигурации измерительного полигона. Этот вопрос особенно актуален для успешного проведения процедуры калибровки антенной решетки, т. к. известной литературы по этой теме недостаточно. В работе рассмотрены ключевые погрешности, влияющие на результаты калибровки, а также представлен подход для организации и проведения калибровки фазированных антенных решеток на открытых полигонах.
Ключевые слова: калибровка, антенные измерения, погрешность, ФАР, открытый полигон
Для цитирования: Коротецкий Е. В., Шитиков А. М., Денисенко В. В. Калибровка фазированных антенных решеток на открытых полигонах // Вестник Концерна ВКО «Алмаз - Антей». 2022. № 4. С. 30-41. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2022-4-30-41
For citation: Korotetskiy Y. V., Shitikov А. М., Denisenko V. V. Calibration of phased arrays at outdoor test ranges // Vestnik Koncerna VKO "Almaz - Antey". 2022. No. 4. P. 30-41. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2022-4-30-41
Поступила 14.10.2022 Отрецензирована 19.10.2022 Одобрена 10.11.2022 Опубликована 17.01.2023
см Введение
° В настоящее время антенные системы на базе ^ фазированных антенных решеток (ФАР) по— лучили широкое распространение во всех 'Ц; коммерческих и оборонных системах свя-^ зи. Неотъемлемой частью жизненного цикла Д ФАР является процедура определения началь-I ных электрических длин и амплитуд каналов, или начальных коэффициентов передаст чи (НКП). Эту процедуру принято называть ^ калибровкой [1]. Она выполняется для учета о. технологического разброса коэффициентов ^ передачи каналов, а также для учета вариаций НКП при замене модулей ФАР, при изменении | температуры и вследствие других факторов. о Организация измерительных полигонов для каш либровки имеет прямое влияние на точность получаемых НКП. Под измерительным поли-^ гоном понимается совокупность оборудования,
w © Коротецкий Е. В., Шитиков А. М., Денисенко В. В., - 2022
использующегося для калибровки, и область пространства, в котором оно расположено. При калибровке в условиях безэховых камер (БЭК), на закрытом полигоне, его влияние на результаты минимально. Однако на открытых полигонах имеются факторы, негативно сказывающиеся на результатах.
Ряд рекомендаций для организации измерений на открытых полигонах имеется в литературе. В [2] при работе на открытых полигонах рекомендуется выбирать калибровочную (КА) с минимальным уровнем засветки земли. В [3] рассматриваются несколько видов открытых полигонов, геометрия которых связана с рельефом местности: поднятый, наклонный, с падающим рельефом. Даются рекомендации по минимизации отражений: во всех случаях, кроме приземного полигона с интерференционным формированием вспомогательного поля, желательно, чтобы отраженный луч попал в область малых боковых лепестков. В [4] предлагается использовать металлические
положения КА относительно апертуры ФАР и попадания в апертуру ФАР помеховых сигналов на результаты определения НКП и диаграмму направленности (ДН) ФАР. Оценки погрешностей нужны для предъявления требований к геометрии открытого полигона. Кроме того, представлена методика калибровки ФАР по секторам, уменьшающая временные затраты на калибровку по секторам, по сравнению с известным способом.
экраны для перенаправления нежелательных отражений контрольного сигнала в сторону от измерительной трассы, а также, при возможности, работать на горизонтальной поляризации для минимизации отражений от земли. В [5] предлагается использовать дифракционные заборы для минимизации отражений от земной поверхности. В статье [6], посвященной вопросам калибровки и измерения ФАР, упоминается, что при работе с ФАР, требующей длительного промежутка времени для калибровки, нужно стараться исключить дрейф коэффициента передачи с течением времени.
Большинство перечисленных рекомендаций либо носят общий характер, безотносительно задачи калибровки ФАР, либо требуют закупки и установки дополнительного оборудования, либо специфических конфигураций измерительных полигонов.
В ПАО «Радиофизика» в связи с производством ФАР, требующих калибровки на открытых полигонах, за последние несколько лет были формализованы факторы, оказывающие определяющее воздействие на результаты калибровки, а также разработан подход для предъявления требований к конфигурации калибровочных стендов на основе этих факторов. Под калибровкой на открытом полигоне понимается работа с ФАР вне лабораторных условий БЭК, в месте эксплуатации: на мобильной платформе или со стационарной ФАР. Калибровка в этих случаях может проводиться по КА либо в зоне Френеля, либо в дальней зоне ФАР. Рассмотренные в статье погрешности и алгоритм калибровки особенно актуальны для крупноапертурных ФАР, для которых калибровка на открытом полигоне по КА является единственным вариантом. Например, если ФАР была собрана и скалибрована в БЭК, то перед транспортировкой в место эксплуатации ее необходимо разобрать, а после сборки на открытом полигоне повторно скалибровать. Стационарные ФАР с размерами апертуры десятки метров невозможно калибровать на закрытом полигоне. В статье представлены выражения для оценки влияния погрешностей измерения мощности контрольного сигнала, определения
1. Влияние погрешности измерения мощности контрольного сигнала на результаты калибровки
Основным методом, использующимся для калибровки ФАР в ПАО «Радиофизика», является метод REV (Rotation of the Electric field Vector) [7]. Этот метод удобен тем, что использует только измерения мощности контрольного сигнала. Кроме того, при его применении происходит последовательное переключение фазовращателей в каждом канале ФАР. Таким образом, параллельно с калибровкой происходит контроль работоспособности системы управления и СВЧ части ФАР. Оценка погрешности калибровки выполнена для этого метода. Ограничением для использования метода REV является величина суммарного сигнала ФАР. Так, при калибровке антенны, имеющей 1000 каналов, изменение сигнала одного канала на фоне суммарного сигнала антенны будет 10 lg(1000 / 998) = 0,009 дБ, что меньше погрешности измерений контрольного сигнала при калибровке, т.е. изменения уровня сигнала при коммутации калибруемого канала не будет заметно. Соответственно, в этом случае перед калибровкой необходимо провести процедуру минимизации суммарного сигнала ФАР. Погрешность измерения мощности складывается из систематической по- —
те
грешности и случайной. Систематическая I
погрешность, например ошибка измерения g
сигнала из-за КСВ кабелей измерительного $2
стенда, оказывает слабое влияние на результа- ^
ты калибровки методом REV, т. к. добавляется те
как к опорному каналу, так и к тестируемому. | Случайная погрешность зависит от шумов
в измерительном приборе и в измеряемом g
объекте. Ее можно исключить многократными il
см см о см
Ф IX <
I
п (О
с
О ^
Ш
(О X
а
ф ^
х
о
X I-
о ф
Ш
см ^
ю о
см ^
ю см
(Л О)
измерениями, но это требует значительных временных затрат.
При проведении расчетов в качестве погрешности измерения мощности рассматривалась именно случайная погрешность. Величина погрешности измерения мощности определяется напрямую, путем проведения многократных прямых измерений контрольного сигнала перед калибровкой с последующим вычислением СКО. На современных приборах эти измерения с вычислением СКО занимают доли секунды. Значение мощности контрольного сигнала, получаемое в дБ с измерительного прибора, необходимо переводить в разы по формуле 100,1 дБ. Абсолютная
н=—
ошибка определения начальной фазы одного канала ФАР вычисляется по формуле [8]:
ЯЛ
Ь-1
Ь-1
(1)
VI (£/> С0Б(Д/))2 + (Х^вт(А/)У
1=0
1=0
где: Ь - число состояний фазовращателя; е - погрешность измерения мощности; Р I - замер мощности контрольного сигнала при /-том состоянии фазовращателя; А - фазовый дискрет установки фазовращателя.
Относительная погрешность определения начальной амплитуды одного канала рассчитывается по формуле:
(2)
£-1 Л
Т.р,
1=0
(Г
-4
/=о
Ь- 1
Ь-1
VV 1=0
.1=0
2\
; у
Полученные оценки погрешностей были сопоставлены с погрешностями, полученными при калибровке приемной ФАР Ь-диапазона для мобильной станции системы спутниковой связи и приемной ФАР Х-диапазона, показанными на рисунке 1. Антенна L-диапазона содержит 120 каналов с шестиразрядными фазовращателями. Размер апертуры антенны - 10Х х 4Х (X - длина волны). Антенна Х-диапазона содержит 256 каналов также с шестиразрядными фазовращателями. Размер апертуры антенны - 8Х х 9Х.
В ФАР Ь-диапазона работа велась с группой из 14 каналов, а в ФАР Х-диапазона калибровались 16 каналов.
Для определения погрешностей определения НКП каналов ФАР калибровка одной и той же группы каналов производилась 10 раз. По этой выборке вычислялась сред-неквадратическая ошибка (СКО) начальной фазы для каждого канала. Полученная СКО сравнивалась с оценкой, вычисленной по (1). Результаты эксперимента показаны на рисунке 2, где представлены графики вычисленных
а
б
Рис. 1. а - ФАР Ь-диапазона на измерительном стенде в БЭК. Приемная часть - на переднем плане; б - макет ФАР Х-диапазона на измерительном стенде в БЭК
СКО начальных фаз каналов после калибровки, а также графики оценок погрешностей начальных фаз, рассчитанных по (1). Из рисунка 2 можно видеть, что значения СКО фаз каналов, полученные в эксперименте, близки к значениям фазовой погрешности, определяемой оценкой (1). Средние значения ошибок определения начальных фаз для группы каналов ФАР L-диапазона после 10 калибровок и после расчета по (1) составили 1,1 и 1,2 градуса, а для ФАР Х-диапазона 4,0 и 3,8 градуса соответственно.
2. Влияние ошибки установки КА относительно апертуры ФАР на результаты калибровки
При калибровке методом REV по КА, расположенной в зоне Френеля, распределение комплексного поля в раскрыве отлично от равномерного, но при известных координатах КА может быть пересчитано к случаю дальней зоны домножением на комплексный коэффициент. Если координаты расположения фазового центра КА учтены неверно, НКП будут вычислены с ошибкой. Рассмотрено влияние смещения калибровочной антенны (рис. 3) вдоль апертуры Ах, и по нормали к апертуре Az, на фазовое распределение в апертуре ФАР и форму ДН.
Было определено, что в случае ошибки установки КА вдоль апертуры фазовая ошибка в апертуре линейной ФАР после калибровки будет иметь линейную и кубическую зависимость [9]:
Аф = aresin
. Axxf
A Z.
(3)
где: X - длина волны; X - координата /-го канала ФАР.
В случае ошибки установки КА по нормали к апертуре фазовая ошибка в апертуре линейной ФАР после калибровки будет иметь квадратичную зависимость:
A Z„
(4)
Для проверки влияния смещения КА на фазовое распределение в апертуре после калибровки в соответствии с формулами
(3) и (4) был проведен эксперимент. Работа велась с крупноапертурной приемной ФАР S-диапазона размером 31Х х 31Х (рис. 4). КА
к и и о а ю к
и а и ю к
а о
1 1
1 1 \ \
\ / / \ / х 1 \ Ч\ У // \ /
< X \ -/- ( \ \ 1 1 / / t / V
/ \ 1
>< > / ч —i s
\ — \ /
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Номер канала
Рис. 2. Результаты расчета ошибки определения начальных фаз каналов приемных ФАР L, Х диапазонов
--ФАР X ошибка REV 10 калибровок;
--ФАР X ошибка REV расчет по ф. (1);
--ФАР L ошибка REV 10 калибровок;
--ФАР L ошибка REV расчет по ф. (1)
z
Ах ^
7ГТ
zr)
YYYYYYY
Е
Т
Рис. 3. Смещение калибровочной антенны из заданной точки X,, 2Г
Рис. 4. ФАР в процессе калибровки в БЭК
га *
s
I
X 0) н
0
S
4
го Q.
го *
5
1
о £1
0) 5
7
6
5
4
3
2
1
0
х
смещалась из положения, в котором она находилась на первом этапе, на величину 3Х в плоскости, параллельной апертуре ФАР, и вдоль нормали к плоскости апертуры. После каждого нового положения КА производилась калибровка методом REV, затем полученный результат пересчитывался в дальнюю зону с учетом несмещенного положения КА. После этого для проверки (3) и (4) производились измерения фазового распределения в апертуре на планарном сканере и восстановление ДН ФАР. На рисунке 5 представлены измеренные фазовые распределения в апертуре ФАР при смещении КА 3Х вдоль апертуры и по нормали к апертуре соответственно. Легко видеть, что результаты измерений и расчета по (3), (4)
совпадают. Девиация фазы в центре апертуры на графиках сечений связана с конструктивными особенностями ФАР. Влияние квадратичных и кубических фазовых ошибок в апертуре на форму ДН хорошо известно [10], поэтому восстановленные ДН в статье не приводятся.
3. Влияние переотражений контрольного сигнала на результаты калибровки
При калибровке в лабораторных условиях можно считать, что переотражения от стен БЭК пренебрежимо малы, так что в апертуре антенны присутствует только сигнал КА. При калибровке на открытых полигонах переотражений от подстилающих поверхностей избежать невозможно. Таким образом, наряду с сигналом
см см о см
< I
со те
s <
о ^
со те г
о.
ф
о
0
V
со
см ■ci-io о
1
см ■ci-io см
(П (П
0,35
-!3
г>
Рч
I й
ft
^
ft u
С
<
-0,35
-0,7
100
50
й &
й 0
-50
-100
-0,35 0 0,35
Апертура ФАР (x/z )
180 135 90 45 0
-45 -90 -135 -180
-1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 Линейная координата, мм
а
0,35
-!3
г>
Рм
I й
ft
^
ft u
С
<
-0,7
200
150
« 100
О 50
0,35
-50
-0,35 0 0,35
Апертура ФАР (x/z )
180
135
90
45
-45
-90
135
-180
л/
//
/W
У
-1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 Линейная координата, мм
б
Рис. 5. Фазовые распределения в апертуре ФАР при погрешности установки КА 3Х вдоль апертуры (а) и по нормали к апертуре (б) и их горизонтальные сечения
0
0
0
КА в апертуре калибруемой ФАР присутствует сигнал от рассеивателей - результат переотражений сигнала КА (рис. 6). Помеховый сигнал при этом когерентен калибровочному сигналу. При наличии сигнала от рассеивателя происходит интерференция полезной волны с рассеянной волной. Последняя представляет собой волну на той же частоте, приходящую с некоторого направления. При этом, хотя сигнал от рассеивателя может находиться за пределами сравнительно острой ДН калибруемой антенны, он, тем не менее, может оказывать существенное влияние на результаты калибровки, пока находится в пределах парциальной ДН единичного элемента ФАР.
Было показано [11], что в результате калибровки с наличием рассеивателя НКП будут определяться с ошибкой:
« г г> л
G = G
1 +
Д
Л(е,ф)=й(е,ф)2>
Дк(е,<р),гг)
+
а i\\b >1 Pil ß| V(k(e,<p),r()
(5)
«iP/ki
При фазовом управлении:
Мф) = а(0,ф)Ж|в'(К'Л*) +
2 ZT
+ ¿(е,ф)^ЖГ T/i " - (6)
\äi\\bi\ri
,Лк(е,ф),Г()
2 i
4%
где: О,0 - истинный НКП /-го канала ФАР; Ех - контрольный сигнал на входе /-го канала ФАР;
В, - комплексная амплитуда рассеивателя на входе /-го канала ФАР.
Ниже представлены выражения для ДН ФАР при расположении КА и рассеивателя в зоне Френеля после калибровки по фазе и амплитуде и только по фазе. При амплитудно-фазовом управлении:
где: а(0, ф) - обобщенная ДН излучателя ФАР в направлении 0, ф; к - волновое число;
0- комплексный коэффициент, указывающий на соотношение комплексных амплитуд первичной и рассеянной волн на рассеивателе; г/ - расстояние от точки рассеяния Р до /-го излучателя;
р, - расстояние от КА до /-го излучателя; а\ - ДН рассеивателя в направлении /-го излучателя;
Ь\ - ДН /-го излучателя в направлении рассе-ивателя;
а/ - ДН КА в направлении /-го излучателя; Ъ1 - ДН /-го излучателя в направлении КА; Я - радиус-вектор от начала сферической системы координат, связанной с апертурой
КА
^pssjüöлНа
р
Pi __
чх рассеянная^
\ волна
\ /
r н \ РУ".................Я............?\Р'
77777777777777 \ 7777777/777777
Рис. 6. Схема калибровки ФАР на прием с помощью КА при наличии в апертуре поля от рассеивателя
та
X Ф
ч
та 0-
та
О О.
Ё V
ц
(Ч
0
ФАР, до точки наблюдения в дальней зоне ФАР;
к = / Я - волновой вектор; Я - расстояние от начала сферической системы координат, связанной с апертурой ФАР, до точки наблюдения в дальней зоне ФАР; г/ - радиус-вектор от начала сферической системы координат, связанной с апертурой ФАР, до -го элемента ФАР.
Дополнительные слагаемые, приводящие к искажениям ДН ФАР, представляющие собой сферические волны из формул (5) и (6), показаны на рисунке 7. Также на рисунке 7 показаны систематические погрешности для двух других вариантов взаимного расположения КА, рассе-ивателя и ФАР. Геометрооптическая структура волн, определяющих систематическую ошибку при калибровке ФАР с наличием рассеивателя
Р, показана там же. На основании полученных результатов были сделаны следующие выводы. При формировании ДН после калибровки в апертуре ФАР с амплитудно-фазовым управлением (5) наряду с плоской волной формируется сферическая волна с мнимым фокусом Р', ограниченная лучами АА' и ВВ' (рис. 7а). Чем ближе источник рассеяния Р к апертуре АВ, тем шире сектор углов излучения этой сферической волны. При удалении рассеивателя Р от апертуры ФАР сектор излучения сферической волны сужается и в пределе становится нулевым, что соответствует участку плоской волны.
При формировании ДН после калибровки в апертуре ФАР только с фазовым управлением (6) наряду с плоской волной формируются две сферические волны (рис. 7б): первая - волна
см см о см
< I
со те
г
о со
о.
<и
о
о <и со
см ■ч-ю
с?
см ■ч-ю см
(П (П
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 Угол, град.
а
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 Угол, град.
б
Рис. 7. Геометрооптические лучи волн при калибровке ФАР с наличием рассеивателя и соответствующие им систематические погрешности ДН ФАР: а - амплитудно-фазовое управление в каналах ФАР; б - управление только фазами в каналах ФАР
с мнимым фокусом Р', ограниченная лучами АА' и ВВ', вторая - волна с действительным фокусом Р, ограниченная лучами АА'' и ВВ''. Чем ближе источник рассеяния Р к апертуре АВ, тем шире секторы углов излучения обеих сферических волн. При удалении рассеивате-ля Р от апертуры ФАР секторы излучения этих волн сужаются и в пределе получаются два участка плоских волн.
4. Калибровка ФАР по секторам с использованием совмещения НКП
Калибровка крупноапертурных ФАР в зоне Френеля используется из-за двух преимуществ по сравнению с дальней зоной. Во-первых, отпадает необходимость в протяженных калибровочных трассах, во-вторых, чем меньше расстояние между калибровочной антенной и апертурой ФАР, тем дальше в боковом излучении относительно главного луча ФАР будет находиться источник рассеяния, рассмотренный в разделе выше. Соответственно, и мощность его будет меньше, т. к. будет происходить его подавление за счет единичной ДН элемента решетки. Однако из-за близости КА к апертуре и из-за больших размеров последней возбуждение элементов ФАР на краях апертуры может быть на несколько дБ меньше, чем в центре, из-за амплитудной ДН КА. Соответственно, при калибровке элементов на краях апертуры можно даже не увидеть девиации мощности контрольного сигнала при коммутации фазовращателей. В этой ситуации было предложено калибровать части ФАР либо одной антенной из разных положений, либо несколькими антеннами из разных точек относительно апертуры ФАР. Для того чтобы после такой калибровки совместить НКП фрагментов апертуры, обычно используется тот же метод REV, но при этом группы ранее ска-либрованных каналов выступают как один канал [12]. Авторы предлагают отказаться от калибровки групп между собой, а вместо этого формировать группы каналов с перекрытием, чтобы в двух независимых группах были одни и те же каналы. Дальнейшую процедуру совмещения начальных коэффициентов передачи каналов в группах из разных секторов назовем «сшивкой» [8].
Рассмотрим ФАР, апертура которой разделена на N пересекающихся секторов Яп (рис. 8а). Калибровка каналов ФАР в каждом секторе выполняется независимо с помощью соответствующей КА. В результате такой калибровки формируется N наборов комплексных НКП. В каждых двух соседних секторах Яп-1 и Яп имеется пересечение Пп-1, в котором расположены каналы, участвующие в двух независимых калибровках. НКП каналов, входящих в пересечение Пп-1 соседних секторов Яп-1 и Яп, должны быть одинаковы при выполнении двух независимых калибровок каналов в этих секторах, однако фактически они отличаются из-за различия комплексных амплитуд опорных сигналов и ошибок измерений.
Обозначим через С,0А НКП, полученные при калибровке сектора Яп-1, а через О,013 -НКП, полученные при калибровке сектора Яп. Для сшивания этих НКП предположим, что каналы, входящие в пересечение Пп-1, освещены разными КА, расположенными в дальней зоне, но так, что амплитуды возбуждения на всех входах одинаковы, т.е. Авх1■ = 1. Все управляемые коэффициенты передачи каналов приведем в начальное состояние, т.е. О, = 1. В этом случае сигнал на выходе каждого канала равен его НКП, и, соответственно, сумма сигналов от каналов в Пп-1 равна сумме их НКП. Суммарный сигнал на выходе каналов, входящих в Пп-1, рассчитанный по результатам калибровки сектора Яп-1, составляет Ап_1 =
<
А суммарный сигнал на выходе этих же каналов, рассчитанный на основе калибровки каналов сектора Яп, составляет Вп = где: ¡,
j - номера каналов, входящих в Пп_1. Сшивание НКП каналов в секторах Яп-1 и Яп выполним из условия равенства векторов Ап-1 и Вп в области пересечения Пп-1 (рис. 8б). Для этого НКП те 00 каналов п-го сектора, полученные на пер- | вом этапе калибровки, умножим на комплекс- ^ ное число Сп = Сп • в1 х, определяемое соотно- ||
те
шением: оь
Сп = Ап/ Вп. (7) |
о
Если в каналах ФАР предусмотрено толь- ^ ко управление фазами, то |Сп| = 1, и с помощью ц
О
(7) «сшиваются» только массивы фаз. Формула —
О О О О OQJQ-CLQ О О
ooooj&OOO о< ooaoooooooi
OOOOOOOOOOl
»00000000 >00000000 юооооооос >00000000 000000000 >00000000 >00000000 >00000000 >00000000
ООХЭОООООООС OOGOOOOO ОО
000000000 0000000/0 0000 000000000000c
00000^0000000 oocrooooo 00 00000000
)OOOOOOOi
ooooooooc\o
О ООО О ОО О О ОО О (
>у
i Jm
G0A, Gj
о Wo о ooo< :00c
ООО/
о ooooooo«
lOOOOOOOOl DOOOOOOOOI
0 OOOOOOOI OOOO/OO ОО О О ООО <
000000001 OOOOOOOOl
00000000000 0000000000 оооооеюоо > о ооттооо о о о о
OOOOOQOOOO
R
П
R П R
n—1 n
R
а
б
Рис. 8. Калибровка ФАР по секторам: а - пересекающиеся секторы ФАР для независимой калибровки; б - векторная диаграмма начальных коэффициентов передачи каналов, расположенных на пересечении
двух соседних секторов
n
(VI (VI О (VI
ф
IX <
1
О
п
2 Ц
<
О m
CL Ф
О
I-
О ф
m
(VI
Ю С»
еч ю
(VI
<0 <0
для оценки погрешности сшивания начальных фаз в зависимости от числа каналов, используемых при сшивании, и от количества процедур сшивания имеет вид:
Ve=AW>-
2 М
Q
где: Аф0 - абсолютная погрешность определения начальной фазы (из (1)); М - количество процедур сшивания; Q - количество каналов в пересечении секторов.
Разработанная методика калибровки каналов ФАР по секторам применена для определения НКП каналов крупноапертурной приемной ФАР S-диапазона с размером апертуры 31Х х 31^. Антенная решетка имеет 512 каналов с шестиразрядными фазовращателями. Апертура ФАР была разделена на четыре сектора по числу подрешеток. В каждом секторе выделены 12 каналов для сшивания НКП каналов в соседних секторах. На рисунке 9а они показаны цветными прямоугольниками. КА устанавливалась последовательно в четыре положения напротив геометрического центра сектора в зоне Френеля ФАР. В каждом положении КА калибровался один сектор, включая группу каналов для сшивания. После калибровки каналов в секторах, путем сшивания по (7) был сформирован единый массив НКП ФАР.
На рисунке 9б показаны начальные фазы 12 каналов в области пересечения секторов 3 и 4 после калибровки секторов по отдельности. На рисунке 9в показаны начальные фазы этих же секторов после процедуры сшивки. Фаза сшивки составила -220°. Ограничениями на использование представленного алгоритма сшивки является ограничение на использование метода REV, описанное в п. 1, а также выбранная стратегия сшивки секторов между собой, т.к. ошибка сшивки накапливается при переходе от одного сектора к другому. Последнее означает, что если первый сшиваемый сектор находится с одного края апертуры, а последний с противоположного края, то после сшивки может иметь место некоторое смещение главного максимума ДН ФАР из центрального положения.
Заключение
На основании рассмотренных факторов, имеющих ключевое влияние на результаты калибровки, можно сформулировать общий подход для организации и проведения процедуры калибровки ФАР на открытых полигонах:
а) Исходя из габаритов ФАР и производственной целесообразности определиться с размерами измерительного полигона, а также с его конфигурацией в соответствии с общеизвестными рекомендациями. При калибровке крупноапертурных ФАР с расположением
350 300 250
! 200 &
J 150
100 50 0
1 2 3 4 5 6 7 8 Индекс канала
б
9 10 11 12
350 300 250
! 200 &
J 150
100
50
1 2 3 4 5 6 7 8 Индекс канала
в
9 10 11 12
Рис. 9. Калибруемая по секторам ФАР с указанием каналов в пересечениях групп (а). Сравнительные графики начальных фаз каналов из области сшивания секторов 4 и 3 без учета (б) и с учетом (в) фазы сшивки ~220°
а
0
КА в зоне Френеля выгодно располагать КА как можно ближе к апертуре ФАР, т.к. в этом случае возможные искажения ДН ФАР будут находиться на больших значениях углов боковых лепестков ДН по сравнению со случаем расположения КА дальше от апертуры (п. 3);
б) После выбора конфигурации измерительного полигона рассчитать ДН ФАР после калибровки с наличием помехового сигнала в апертуре по формулам из п. 3. Далее произвести оценку результатов и поменять конфигурацию измерительного полигона в случае необходимости;
в) Если конфигурация измерительного полигона подходит и калибровку планируется проводить по КА в зоне Френеля ФАР, рассчитать допустимые линейные ошибки опреде- — ления положения КА относительно апертуры | ФАР по формулам из п. 2. Задать требования ф
на точность определения положения КА по ре- |
ч
зультатам расчета; ™
г) На измерительном полигоне непосредственно перед калибровкой рассчитать I прогнозные значения ошибок по формулам ^ из п. 1. Если значения ошибок получились не- ^ приемлемыми, необходимо изменить значение —
0
см см о см
< I
со та
s
о
CQ
О.
Ф
мощности опорного сигнала ФАР коммутацией фазовых состояний в каналах, которые выбраны за опорные. Или изменить набор каналов, выбранных за опорные. Рассчитать прогнозные значения ошибок калибровки повторно. Если изменение мощности сигнала опорного канала не помогло уменьшить прогнозные значения ошибки калибровки, нужно подумать над изменением конфигурации измерительного стенда. Например, можно уменьшить расстояние между КА и апертурой ФАР или поменять КА на антенну с большим значением коэффициента усиления. Если есть возможность, отключить часть каналов ФАР и калиброваться по секторам;
д) После оценки ошибок калибровки провести калибровку ФАР REV методом или с использованием сшивки НКП.
Представленный в работе подход для организации и проведения процедуры калибровки ФАР на открытых полигонах используется в ПАО «Радиофизика» при калибровке ФАР в процессе эксплуатации.
Авторы выражают благодарность Юракову Г.И., Медухину А.А., Сусерову Ю.А. за помощь при проведении экспериментов.
Список литературы
1. Бондарик А. В., Шитиков А. М., Шубов А. Г. Опыт использования в многоканальных фазированных антенных решетках поэлементных методов калибровки без применения фазо-метрической аппаратуры // Антенны. 2005. № 1(92). С. 15-21.
2. Бубнов Г. Г., Никулин С. М., Серяков Ю. Н., Фурсов С. А. Коммутационный метод измерения характеристик ФАР. М.: Радио и связь, 1988. 120 с.
3. Цейтлин Н. М., Захарьев Л. Н., Леман-ский А. А. Методы измерения характеристик антенн СВЧ. М.: Радио и связь, 1985. 368 с.
4. Blake L. V., Long M. W. Antennas: Fundamentals, design, measurement. SciTech Publishing, 2009. 477 р.
5. Burberry R. A. VHF and UHF antennas. Peter Peregrinus Ltd., 1992, 301 p.
6. Hasset K. Phased array antenna calibration measurement techniques and methods // EUCAP 2016. The 10th European Conference on Antennas and Propagation, 10-15 April 2016, Davos, Switzerland. URL: https://www.nsi-mi.com/ images/Technical_Papers/2016/EUCAP2016_ KH_Phased_Array_Antenna_Calibration_ Measurement.pdf
7. Mano S. K. T. A Method for Measuring Amplitude and Phase of Each Radiation Element of a Phased Array Antenna // Trans. IECE. 1982. Vol. J65-B. P. 555-560.
8. Korotetskiy Ye. V., Shitikov A. M., Denisen-ko V. V. Phased array antenna calibration problems including in-service and multi-element PAA calibration // IATT. 2013. P. 405-407.
9. Korotetskiy Ye. V., Shitikov A. M., Denisen-ko V. V. Phased Array Antenna Calibration with Probe Positioning Errors // IEEE Antennas and propagation magazine. 2016. P. 65-70.
10. Айзенберг Г. З., Ямпольский В. Г. Антенны УКВ. Ч. 1. М.: Связь, 1977. 384 с.
11. Коротецкий Е. В., Шитиков А. М. Оценка влияния близкорасположенного помехового сигнала при калибровке на результирующую ДН ФАР // Радиотехника. 2012. № 13. С. 40-44.
12. Россельс Н. А., Шишлов А. В., Шитиков А. M. Активные фазированные антенные решетки - некоторые вопросы настройки и обслуживания // Радиотехника. 2009. № 4. С. 64-70.
о
о ф
со см
■Clin 9 см
■Clin см
(П (П
Об авторах
Коротецкий Егор Валерьевич - инженер публичного акционерного общества «Радиофизика», Москва, Российская Федерация.
Область научных интересов: теория антенн, фазированные антенные решетки.
Шитиков Александр Михайлович - кандидат технических наук, руководитель отдела фазированных антенных решеток публичного акционерного общества «Радиофизика», Москва, Российская Федерация. Область научных интересов: теория антенн, фазированные антенные решетки.
Денисенко Владимир Викторович - кандидат физико-математических наук, начальник отдела антенной и микроволновой инженерии публичного акционерного общества «Радиофизика», Москва, Российская Федерация. Область научных интересов: антенно-фидерные устройства.
Calibration of phased arrays at outdoor test ranges
Korotetskiy Y V., Shitikov А. М., Denisenko V. V.
Public Joint Stock Company "Radiofizika", Moscow, Russian Federation
Certain phased arrays are meant to be serviced and adjusted at an open test site. It is important to establish the requirements for the configura-tion of an instrumented test site. This issue is critical for successful phased array calibration because there is a lack of reference scientific literature concerning the problem at hand. The paper describes the key measurement errors that affect calibration results, and also represents an approach to the technique and procedure of phased array calibration at open test sites.
Keywords: calibration, antenna measurements, measurement error, phased array, open test site
Information about the authors
Korotetskiy Yegor Valerievich - Engineer, Public Joint Stock Company "Radiofizika", Moscow, Russian Federation. Science research interests: antenna theory, phased arrays.
Shitikov Aleksandr Mikhailovich - Candidate of Engineering Sciences, Head of Phased Array Engineering Department, Public Joint Stock Company "Radiofizika", Moscow, Russian Federation. Science research interests: antenna theory, phased arrays.
Denisenko Vladimir Viktorovich - Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Head of Antenna and Microwave Engineering Department, Public Joint Stock Company "Radiofizika", Moscow, Russian Federation. Science research interests: antenna-feeder devices.
