ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ ВСТРОЕННОГО КОНТРОЛЯ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК ДЛЯ РАДИОЛОКАТОРОВ С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА

УДК 621.396.66

Построение модели системы встроенного контроля антенных решеток для радиолокаторов с синтезированной апертурой

В.В.Курганов, К.С.Лялин, Д.В.Приходько

Московский государственный институт электронной техники (технический университет)

Рассмотрено создание моделей аналоговой, цифровой и цифро-аналоговой системы встроенного контроля параметров и калибровки каналов антенных решеток, а также построение комплексной модели активной фазированной антенной решетки. Указанные модели созданы в пакете программ Agilent Technologies Advanced Design System. Описан алгоритм определения амплитудных и фазовых ошибок в каналах антенных решеток и приведены результаты его работы.

Ключевые слова: системы контроля, системы калибровки, системы встроенного контроля, антенные решетки, активные фазированные антенные решетки, радиолокаторы с синтезированной апертурой.

В современных системах локации земной поверхности широко используются активные фазированные антенные решетки (АФАР) для получения узких (игольчатых) диаграмм направленности (ДН) и возможности сканирования лучом во время движения космического аппарата (КА). Однако получаемая ширина луча оказывается недостаточной для достижения необходимого разрешения. С другой стороны, уменьшение ширины ДН требует увеличения апертуры, что, в свою очередь, связано с проблемами размещения антенны на летательном аппарате. В связи с этим в современных системах используется метод синтезированной апертуры, который позволяет увеличить разрешающую способность в направлении движения КА. Применение данного метода широко описано в литературе [1].

С целью повышения эффективности радиолокаторов с синтезированной апертурой, а также получения более высокого разрешения необходимо предъявлять более жесткие требования к параметрам каналов АФАР. Однако выполнение таких требований может сильно усложнять систему и, следовательно, повышать ее стоимость и массогабарит-ные характеристики за счет введения большого количества местных цепей коррекции и компенсации параметров узлов.

Альтернативный подход для решения данной задачи - введение системы встроенного контроля и калибровки (СВК) АФАР. Коренным отличием от предыдущего подхода является то, что система направлена не на коррекцию параметров каждого блока, а на измерение ошибок сигнала при прохождении по отдельному каналу АФАР с целью дальнейшего их учета при формировании ДН.

© В.В.Курганов, К.С.Лялин, Д.В.Приходько, 2010

На сегодняшний день существуют и широко используются системы определения амплитудных и фазовых набегов в трактах АФАР, основанные на пропускании тестового сигнала по каждому отдельно взятому каналу [2]. Существенным недостатком таких систем является то, что при измерении параметров не учитывается взаимодействие соседних каналов между собой, которое возникает из-за наводок между излучателями, непосредственной электромагнитной связи между каналами, связи по питанию, импульсной работы приемника и передатчика.

В настоящей работе рассматривается построение моделей СВК и АФАР и исследуется работа алгоритма определения ошибок на их основе. С помощью разработанной модели АФАР можно учитывать влияние амплитудно-фазового разброса на результирующую диаграмму направленности и искажения проходящего через тракт сигнала. Полученные модели СВК могут использоваться и с другими антенными системами, такими как адаптивные антенные решетки (ААР), получающие все более широкое развитие цифровые антенные решетки (ЦАР) и другие виды антенных решеток. При этом в состав последних будут входить модуляторы, демодуляторы и устройства цифро-аналогового преобразования, которых нет в АФАР.

В качестве средства моделирования в данной работе используется пакет программ Advanced Design System (ADS). Отличительной особенностью данного программного продукта является возможность построения сложных иерархических систем, а также наличие разнообразных библиотек моделей элементов с возможностью задания большого числа параметров. Благодаря возможности иерархического моделирования в данном пакете программ имеется возможность отлаживать модель элементарного устройства (усилителя, смесителя или топологии СВЧ-устройства и пр.), а потом использовать ее как самостоятельный независимый блок на более высоком уровне иерархии.

Построение модели АФАР. В основу модели АФАР положена структурная схема макета радиолокатора с синтезированной апертурой. Известные результаты экспериментальных измерений приемопередающих модулей радиолокатора позволили построить модель, близкую к реальности. Совпадение результатов моделирования с экспериментальными измерениями подтверждает правильность модели.

В состав модели АФАР входит блок предварительного усиления (БПУ), программная модель которого изображена на рис.1, схема деления-суммирования (ДС) и приемопередающие модули (ППМ), находящиеся в каждом канале.

БПУ предназначен для предварительного усиления излучающего сигнала и оконечного усиления принятого. В модели БПУ используются следующие программные блоки: циркулятор, который обеспечивает развязку между каналами приема и передачи; вентили, необходимые для увеличения развязки; фазовращатель и аттенюатор, используемые в канале селекции движущихся целей (СДЦ). В качестве моделей усилителей мощности и малошумящих усилителей (МШУ) используются четырехполюсники с заданными ^-параметрами, предоставляемыми производителями микросхем. Данные четырехполюсники включаются в тракт через цепи согласования, которые предварительно рассчитывались и моделировались. Моделирование БПУ, как и всей АФАР, проведено в линейном режиме, поэтому основными наблюдаемыми параметрами являются коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН), коэффициенты передачи по мощности и фазе, а также коэффициент устойчивости и коэффициент шума для активных элементов.

Рис. 1. Программная модель БПУ

Программная модель схемы деления-суммирования представляет собой систему бинарных СВЧ-делителей/сумматоров, соединенных линиями передачи с потерями. Все делители и направленные ответвители модели, выполненные в микрополосковом исполнении, также рассчитывались, моделировались и настраивались.

При создании программной модели ППМ основную сложность проектирования представляла регулируемая линия задержки, которая состоит из двух четырехпозици-онных переключателей, выполненных в виде многополюсников с заданными ^-параметрами, и включенных между ними линий разной длины.

В результате проведенного моделирования каждого блока в отдельности и системы в целом были получены расчетные данные, которые соответствуют экспериментально измеренным. Однако следует учитывать, что наиболее достоверными являются модели усилителей и ключей, так как для них задавались файлы с ^-параметрами. Для остальных элементов использовались стандартные блоки ADS с заданными основными характеристиками.

Построение программных моделей системы встроенного контроля. В основу модели СВК положен алгоритм, аналогичный предложенному в системе TerraSAR-X [3, 4]. На начальной стадии моделирования целесообразно использовать упрощенную модель АФАР, в которой каждый канал представлен фазовращателем и аттенюатором. Это позволяет более четко оценивать результаты моделирования, а также проверять корректность работы алгоритма. В дальнейшем полученная модель СВК будет использоваться совместно с полноценной моделью АФАР, которая включает усилители, переключатели делители/сумматоры и пр. Построение программной модели СВК целесооб-

разно вести двумя путями и разделить моделирование на две части: построение модели цифровой СВК и построение модели аналоговой СВК. Такое разделение обусловлено несколькими причинами.

Во-первых, пакет программ ADS состоит из двух сред моделирования (аналоговой и цифровой), в которых используются разные подходы, разные методы и, соответственно, разные модели элементов.

Во-вторых, предполагается, что реальная СВК будет состоять из двух частей - аналоговой и цифровой, в каждой из которых находятся соответствующие элементы. Первая работает непосредственно с каналом АФАР, а вторая занимается вычислением ошибок и их учетом при формировании ДН.

В-третьих, при проведении моделирования в цифровом виде предполагается проверять корректность работы алгоритма - его способность выявлять ошибки и возможность реализации СВК с помощью цифровых элементов. При проведении моделирования в аналоговом виде предполагается проверять возможность реализации СВК с помощью аналоговых элементов и корректировку работы АФАР с учетом разброса параметров элементов.

Алгоритм работы СВК основан на одновременном прохождении через каналы АФАР определенных сигналов и их дальнейшем суммировании, причем система сигналов должна быть такой, чтобы из их суммы можно было извлечь любой сигнал и сравнить его с исходным до прохождения по каналу. Таким образом можно определить искажение сигнала, и в дальнейшем добавлять поправку в каждый канал при суммировании сигналов в рабочем режиме работы АФАР.

Выбор системы тестовых сигналов является одной из основных задач, которые будут решаться в дальнейшем. Однако уже на начальном этапе понятно, что система тестовых сигналов должна быть максимально похожа на рабочие сигналы АФАР, обладать хорошими свойствами различимости сигналов между собой и учитывать их случайный характер. Примерами подобного рода сигналов являются М-последовательности, коды Уолша и пр. При построении модели СВК использовались именно М-последовательности различной длины, которые модулировали несущую частоту с помощью фазовой манипуляции (ФМ).

М-последовательности - псевдослучайные бинарные последовательности, которые генерируются с помощью сдвигового регистра и сумматора по модулю два в цепи обратной связи. Способы генерации и свойства М-последовательностей хорошо изучены и подробно описаны в специальной литературе [5, 6]. Отметим здесь лишь их основные свойства.

Для генерации М-последовательности используется да-значный произвольный цифровой код и генераторный код такой же длины. Ее генератор состоит из сдвигового регистра, сумматора по модулю два и цепи обратной связи [5, 6]. С его помощью можно формировать периодические последовательности максимальной длины N = 2m — 1. Количество таких последовательностей максимальной длины для определенного числа начальных значений кода представлены в таблице.

Число М-последовательностей

Число начальных значений кода, т 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Длина М-последователь-ности, N 3 7 15 31 63 127 255 511 1023

Количество М-последовательностей, 1 1 2 2 6 6 18 16 48 60

Свойства М-последовательности:

- последовательность периодическая, с периодом N;

- число нулей в каждом периоде на единицу меньше числа единиц;

- ни одна из комбинаций цифр не повторяется на протяжении периода, т.е. период N не разбивается на более мелкие части со своей периодичностью.

М-последовательности являются практически ортогональными. Единственным их недостатком является большая длина, которая определяется точностью определения амплитудных и фазовых ошибок, а также числом каналов используемой АФАР.

Функциональная схема СВК представлена на рис.2 (для общности представления основана на N-канальной АФАР). На вход каждого из каналов подается синусоидальный сигнал (с несущей частотой ю) от одного общего источника (см. рис.2). В каждом канале к несущей частоте применяется фазовая манипуляция. Обозначим такой полученный сигнал в одном из каналов как сигнал Xi (t) :

Xi (t) = cos(^wi (t)) • cos ш t,

где wi (t) - закон изменения фазы во времени в /-ом канале, в соответствии с которым функция w принимает значения из множества {0,l} [7]. Данный канал и будет являться исследуемым.

Xi(t)

ФМ

со

Канал 1

0

Генератор М-последовательности

Генератор М-

ФМ Канал 2

X2(t)\

последовательности

ФМ

Канал N

А XN(i) 0

/ \ LiJ

Генератор М

последовательности

Рис.2. Функциональная схема СВК

После фазовой манипуляции сигнал проходит через фазовращатель и аттенюатор, которые отражают действие реального канала АФАР. Предполагается, что в дальнейшем будет использоваться полноценная модель АФАР (с усилителями, фильтрами и пр.).

После внесения фазовых ф и амплитудных а набегов сигналы с каждого канала суммируются. Такой сигнал обозначим как сигнал Y (t) (см. рис.2):

N

Y (t) = 2 X?* (t),

k=1

где k - номер соответствующего канала.

Далее происходит сравнение сигналов в одном из каналов Xi (t) и суммарного Y (t). Для этого проводится квадратурная демодуляция путем умножения каждого сигнала на гармонические функции несущей частоты ю (на sin Qt и на cos Qt) от отдельного генератора:

IX (t) = Xi (t) cosQt, Qxt (t) = Xi(t)sinQt, IY(t) = Y(t)cosQt, Qy (t) = Y (t) sin Qt .

В результате получается два комплексных числа, отражающие комплексную огибающую каждого из сигналов:

Xi = IXi + JQx, , i = IY + JQy.

Далее для сравнения используется корреляционная функция этих сигналов согласно выражению

st (t) = J t (t) • X; (t)dt,

0

где Т - длительность М-последовательности (М-последовательности движутся одна за другой).

Сигнал на выходе умножителя будет иметь вид

Y (t) • X* (t) = I Xi Iy + QxQt + J{Ix,Qy - IyQx, ).

Затем выполняется интегрирование отдельно действительной и мнимой частей на временном интервале от 0 до Т. Для повышения точности результата проводится раздельное интегрирование нескольких подряд идущих одинаковых последовательностей и дальнейшее их статистическое усреднение. В результате на выходе системы получа-

ется комплексный сигнал S¿ (t), амплитуда которого S¿ (t)

соответствует амплитудной

ошибке, а фаза arg S^ (t) - фазовой в выбранном канале при условии, что остальные каналы продолжали работать.

Модель аналоговой СВК работает в точности с описанным выше алгоритмом. В ее основу положена четырехканальная АФАР. Модель СВК представлена на рис.3. Она состоит из стандартных блоков программы ADS. В качестве тестовых последовательностей использовались М-последовательности длиной 31 бит.

Рис.3. Модель аналоговой СВК

Одной из трудностей, возникших при построении модели аналоговой СВК, была разработка модели интегратора. Его построение обусловлено тем, что накопление сигнала в интеграторе должно производиться только в течение одной М-последовательности, а после ее прохождения должен производиться сброс. Стандартные элементы ADS позволяют интегрировать только на неограниченном временном участке без возможности сброса накопленного сигнала. Разработанная модель интегратора состоит из ячеек, в каждой из которых производится задержка на один такт и суммирование со значением из предыдущей ячейки. Число таких ячеек должно соответствовать длительности одной М-последовательности. Таким образом, при поступлении всей М-последовательности на интегратор на его выходе будет получен результат, соответствующий амплитудной и фазовой ошибке в канале. Ячейка модели интегратора состоит из линии задержки, делителя и сумматора. Сброс интегратора осуществляется путем подключения его входа к нулевому потенциалу, в результате чего в течение длительности, соответствующей разрядности интегратора, во все ячейки запишется ноль и интегратор обнулится. Помимо этого, работа интегратора должна быть синхронизирована с началом М-последовательности, а также все М-последовательности системы должны быть синхронизированы между собой.

В построенной модели четырехканальной аналоговой СВК применяется разработанный интегратор. В результате моделирования проверена правильная работоспособность элементов СВЧ-тракта и установлено, что модель способна выявлять ошибки, возникшие в каналах АФАР. В связи с тем, что в реальных спутниковых системах применяются АФАР с числом каналов более 500, в СВК для таких антенных систем будут использоваться модулирующие последовательности достаточно большой длины. Это, в свою очередь, будет требовать наличия многоразрядного интегратора. Отсюда понятно, что применение аналогового интегратора сильно ограничено, и для многоканальных систем разумно проводить обработку цифровыми методами. После этого, по указанным выше причинам, разрабатывалась модель цифровой СВК.

Модель цифровой СВК построена в соответствии с функциональной схемой, показанной на рис.2. Особенность этой модели состоит в необходимости преобразования вида данных, проходящих через моделирующую схему. Это связано с тем, что генерация тактовых импульсов, внесение фазовых и амплитудных набегов и визуализация результатов происходят во временной области, генерация М-последовательности - в целочисленной, а сравнение тестового и суммарного сигналов - в комплексной. Разработка интегратора для цифровой модели не требуется, так как стандартный программный вычислитель среднего значения суммирует биты только одной последовательности. Кроме этого, в его функции входит статистическое усреднение результата интегрирования нескольких последовательностей.

В итоге построена модель цифровой СВК на 8 каналов, в которой используются М-последовательности длиной 1023 бит. При моделировании получены следующие результаты определения фазовых и амплитудных ошибок (рис.4).

0 2 4 6 8 10 Вносимые потери, дБ

а б

Рис.4. Определение ошибки: а - амплитудной; б - фазовой

Из приведенных графиков видно, что с ростом амплитудных потерь в тестовом канале увеличивается ошибка определения их величины. При определении фазового набега ошибка достигает своего максимума при фазах 90 и 270° и минимума при 0 и 180°. Указанные ошибки обусловлены недостаточной длиной М-последовательности, при ее увеличении они начинают снижаться в связи с ростом корреляционного пика и соответствующего уменьшения боковых лепестков по сравнению с ним. В дальнейших работах будет более подробно изучена и описана зависимость ошибки определения амплитудных и фазовых набегов от типа тестовой последовательности и ее длины.

Таким образом, построена модель восьмиканальной цифровой СВК. В результате моделирования проверена работоспособность алгоритма и установлено, что применение данного алгоритма позволяет выявлять амплитудно-фазовые ошибки. При этом точность определения амплитуды и фазы определяется длиной модулирующей последовательности.

Следующий этап - совмещение моделей цифровой и аналоговой СВК. В цифровой части генерируются М-последовательности и вычисляются ошибки в каналах, а в аналоговой осуществляется непосредственное прохождение тестовых сигналов по каналам АФАР и их суммирование. Схема модели цифро-аналоговой СВК приведена на рис.5.

Достоинством данной модели является совмещение цифровой и аналоговой сред моделирования программы ADS, для чего предусмотрены специальные блоки, осуществляющие перевод данных из цифровой среды моделирования в аналоговую и обратно. В дальнейшем предполагается вместо фазовращателя и аттенюатора включать полно-

Рис.5. Модель цифро-аналоговой СВК

ценную модель канала АФАР. Наиболее существенным недостатком данной модели является длительное время расчета, обусловленное конвертированием данных в аналоговую среду из цифровой и обратно, и обработка данных в каналах АФАР. Модель цифро-аналоговой СВК, так же как аналоговая и цифровая, определяет амплитудные и фазовые ошибки с точностью, зависящей от заданной длины М-последовательности.

Разработанную модель можно применять для исследования поведения АФАР при различных изменениях ее параметров, что позволит, учитывая эти результаты при разработке будущих антенных систем для радиолокаторов с синтезируемой апертурой, создавать системы с наилучшими характеристиками. Заложенная на данном этапе система программных моделей позволит в дальнейшем исследовать определение ошибок в каналах АФАР с помощью СВК, а также выявлять узлы в системе, вносящие наиболее ощутимый вклад в возникающие ошибки и, кроме этого, осуществлять поиск алгоритмов по их устранению.

Работа выполнена в рамках реализации проекта по ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы (ГК № П678 от 10.08.2009).

Литература

1. Справочник по радиолокации / Под ред. М. Сколника. - Т. 2. Радиолокационные антенные устройства. - М.: Сов. радио, 1977. - С. 337.

2. Адаптация управления ФАР по результатам встроенного контроля / Ю.А.Шишов, А.М.Голик, Ю.А.Клейменов и др. // Зарубежная радиоэлектроника. - 1990. - № 9. - С. 69-89.

3. Schwerdt M., Hounam D, Alvarez-Perez J.L., Molkenthin T. The Calibration Concept of TerraSAR-X, a Multiple Mode High Resolution SAR// Canadian J. of Remote Sensing. - 2005. - Vol. 31, N 1, February.

4. Schwerdt M., Hounam D., Brautigam B., Alvarez-Perez J.-L. TerraSAR-X: Calibration Concept of a Multiple Mode High Resolution SAR // IEEE International. - 2005. - Vol. 7. - P. 4874-4877.

5. Корниенко А.И. Теоретические основы передачи и обработки сигналов: уч. пособие - М.: МИЭТ, 1996. - 227 с.

6. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. - 1104 с.

7. Галкин В.А. Цифровая мобильная радиосвязь: уч. пособие для вузов. - М.: Горячая линия-Телеком, 2007. - 432 с.

Статья поступила после доработки 28 июня 2010 г.

Курганов Владислав Владимирович - аспирант кафедры микроэлектронных радиотехнических устройств и систем (МРТУС) МИЭТ. Область научных интересов: радиотехнические системы, антенно-фидерные устройства. E-mail: vvk_30@mail.ru

Лялин Константин Сергеевич - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры МРТУС МИЭТ. Область научных интересов: антенны СВЧ, антенные системы, радиолокационные системы, электродинамика СВЧ, цифровая обработка сигналов, радиотехника.

Приходько Дмитрий Владимирович - аспирант кафедры МРТУС МИЭТ. Область научных интересов: цифровая обработка сигналов, радиотехника, антенные решетки.

Информация для читателей журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»

Вы можете оформить подписку на 2011 г. в редакции с любого номера. Стоимость одного номера — 700 руб. (с учетом всех налогов и почтовых расходов).

Адрес редакции: 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д. 5, МИЭТ, комн. 7232. Тел./факс: 8-499-734-62-05. E-mail: magazine@miee.ru http://www.miet.ru/ structure/s/894/e/12142/191