CC BY
20
Секция «Проектирование и производство летательньх аппаратов, космические исследования ...»
УДК 621.396
МЕЖКАНАЛЬНЫЕ ВРЕМЕННЫЕ ЗАДЕРЖКИ СИГНАЛОВ В ТРАКТАХ ПРИЕМА И ИХ КОРРЕКЦИЯ*
И. Н. Карцан1, Е. А. Киселева2, Д. Д. Дмитриев3, С. В. Ефремова1, М. И. Толстопятов1
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 222 НИО 2 НИУ НИЦ ВА РВСН имени Петра Великого Российская Федерация, 143900, Московская область, г. Балашиха, ул. Карбышева, 8
3Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 E-mail: kartsan2003@mail.ru
Представлена наиболее перспективная реализация способов компенсации частотных характеристик в цифровом виде после дискретизации колебаний по сравнению с аналоговой реализации коррекции.
Ключевые слова: адаптивная цифровая антенная решетка, антенный элемент, малошу-мящий усилитель, полезный сигнал, радиотракт.
INTER-CHANNEL TIME DELAY IN RECEIVE TRACKS AND THEIR CORRECTION*
I. N. Kartsan1, Е. A. Kiseleva2, D. D. Dmitriev3, S. V. Efremova1, M. I. Tolstopytov1
1Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 222 NIO 2 NIU NIC VA Peter The Great 8, Karbysheva Str., Balashikha, Moscow region, Russian Federation 3Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation E-mail: kartsan2003@mail.ru
The most promising realization of methods for compensating frequency characteristics in digital form after discretization of oscillations is presented in comparison with analogous realization of correction.
Keywords: adaptive digital antenna array, antenna element, low-noise amplifier, useful signal, radio path.
Антенная система адаптивной цифровой антенной решетки (АЦАР), как правило, имеет слабонаправленные антенные элементы (АЭ), поэтому они практически не вносят временных задержек. АЭ принимают сигнал с круговой поляризацией и не имеют фазового центра, т. е. фаза принимаемого сигнала зависит от угла прихода сигнала. Фазовая диаграмма АЭ незамкнутая и при повороте АЭ вокруг своей оси фаза сигнала непрерывно изменяется, а при повороте на 360 градусов фаза сигнала изменяется на период. При построении АЦАР можно не учитывать форму фазовых характеристик облучателей, если они будут изготовлены в едином технологическом процессе. Тогда направление приема сигнала для всех облучателей будет одинаково, и дополни-
* Работа выполнена при финансовой поддержки Министерства образования и науки Российской Федерации (соглашение от 03.10.2016 г. № 14.577.21.0220, уникальный идентификатор проекта КРМБР!57716X0220).
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2018. Том 1
тельной разности фаз не возникает. Однако для обеспечения метрологических характеристик необходимо учитывать фазовую диаграмму направленности АЦАР [1].
Одним из источников рассогласования группового времени задержки сигналов в приемных каналах являются соединительные кабели, электрическая длина которых может быть различна. Принимая скорость распространения сигнала в медном кабеле 1/2 скорости света, погрешности в 1 градус по фазе несущей частоты соответствует разность геометрической длины кабелей 0,3 мм. Кроме того, на электрическую длину влияют соединения и распайка разъемов. Еще один источник задержки сигналов - малошумящий усилитель (МШУ) Сам усилитель является достаточно широкополосным устройством с малыми геометрическими размерами, поэтому разброс по задержке сигналов у них невелик. Однако в МШУ применяются полосовые фильтры для защиты от внеполосных помех. Эти фильтры имеют задержку сигнала от 3 до 5 нс, что намного превышает период полезного сигнала. Сами облучатели антенн являются достаточно широкополосными устройствами, и выполняются с достаточно высокой точностью, поэтому фазовые характеристики у них совпадают с высокой точностью, в том числе и задержка сигнала.
Неизбежно рассогласование группового времени запаздывания сигналов опорных частот в соединительных кабелях разных радиотрактов, что приводит к дополнительному рассогласованию сигналов по задержке. Кроме того, задержки сигналов для первого и второго преобразования промежуточной частоты также будут различными из-за большой разницы по частоте опорных сигналов. Это влияние можно уменьшить, если подавать на радиотракты сигналы только одной опорной частоты, а все необходимые частоты формировать в самих радиотрактах. Однако тогда появится рассогласование в опорных частотах из-за того, что начальные установки делителей частоты в разных радиотрактах будут различными, причем это рассогласование от включения к включению будет различным. Также в этом случае величина рассогласования между радиотрактами будет меняться в процессе работы из-за возможных сбоев в работе схем формирования опорных частот. Как правило, дополнительные задержки в блоке цифровой обработки сигналов (БЦОС) и цифровых фильтрах не возникают.
Таким образом, основным источником рассогласования группового времени запаздывания является радиотракт, главным образом, из-за наличия фильтров промежуточной частоты, выполненных по технологии поверхностных акустических волн (ПАВ) [2]. ПАВ-фильтры характеризуются высоким коэффициентом прямоугольности и групповым временем запаздывания, которое имеет большой разброс от экземпляра к экземпляру, что обуславливает разность задержек между радиотрактами, многократно превышающее длину волны сигналов. Исходя из вышеизложенного, калибровка группового времени запаздывания решает следующие задачи:
- учет задержек сигнала в приемных трактах в целях компенсации фазовых сдвигов при формировании диаграммы направленности;
- учет абсолютных задержек приемных трактов в целях обеспечения заданных метрологических характеристик;
- измерение межканальных задержек сигналов;
- измерение межлитерных задержек в каждом канале.
Структурная схема установки для калибровки радиотрактов приведена на рисунке.
На первом этапе можно проводить калибровку радиотрактов по сигналам имитатора. Такое разделение оправдано тем, что основной вклад в погрешность измерений вносит именно радиотракт. Выходной сигнал с имитатора измерительных сигналов подается через разветвитель сигналов на антенные входы блока радиотрактов. Чтобы не вносить дополнительную погрешность калибровки, технологический разветвитель сигналов должен быть откалиброван по задержкам. Число выходов разветвителя должно быть равным числу одновременно калибруемых каналов. Аппаратура АЦАР и имитатор синхронизируются от единого стандарта частоты и времени (см. рисунок).
Далее производятся измерение задержки измерительного сигнала во всех каналах на всех возможных рабочих частотах. Для устранения влияния шумовой погрешности производится осреднение результатов на интервале времени 1 час. Производится оценка абсолютных задержек сигнала в каналах (в целях обеспечения метрологических характеристик) и разностей задержек между каналами (межканальная задержка). Межканальные задержки используются для выравни-
Секция «Проектирование и производство летательньк аппаратов, космические исследования ...»
вания группового времени запаздывания сигналов и определения взаимного положения элементов АЦАР.
Имитатор измерительных сигналов
Сини опор час зато р ных тот
Водородный стандарт частоты
Цифровой блок формирования
диаграммы направленности
4 к
Вычислитель
Структурная схема калибровки радиотрактов
Калибровка абсолютной задержки может проводиться по сигналу первого канала. Калибровочные значения вычисляются как разность измеренной и выставленной на имитаторе задержки с учетом задержек в кабеле передающей антенны и в пространстве.
Библиографические ссылки
1. Калибровка приемных каналов адаптивной цифровой антенной решетки / Д. Д. Дмитриев, В. Н. Ратушняк, И. Н. Карцан и др. // Решетневские чтения : материалы XXI междунар. науч.-практ. конф., посвящ. памяти генер. конструктора ракет.-космич. систем акад. М. Ф. Решетнева : в 2 ч. Ч. 1 / СибГУ им. М. Ф. Решетнева. Красноярск, 2017. С. 387-389.
2. Синтез алгоритма защиты от помех в восьмиэлементной ФАР / Ю. Л. Фатеев и др. // Радиотехника. 2014. № 1. С. 29-34.
© Карцан И. Н., Киселева Е. А., Дмитриев Д. Д., Ефремова С. В., Толстопятов М. И., 2018
