CC BY
17В процессе производства можно обеспечить идентичность аналоговых канальных трактов. Это требует применения дополнительных подстроечных элементов и введения новых технологических операций, что в конечном итоге негативно скажется на надежности антенной решетки и приведет к дополнительным неоправданным затратам людских, временных и материальных ресурсов.
В настоящей работе рассматриваются метод коррекции амплитудно-частотных характеристик канальных трактов и структура построения ЦАР с функцией встроенной калибровки. При применении встроенной системы калибровки не требуется выполнять операции настройки, что снижает затраты при производстве аналоговой части и увеличивает надежность и тактико-технические характеристики ЦАР по сравнению с активными фазированными решетками (АФАР).
Известно, что параметры элементов цифровой части постоянны и один канал по точностным характеристикам не отличается от остальных, и, следовательно, калибровку необходимо проводить только для аналоговой части. Применение цифровой обработки сигналов позволяет учесть неидентичность аналоговых канальных трактов путем добавления поправочных коэффициентов для корректировки сдвига фаз и коэффициента усиления
(Ф ю> кю) при выполнении синфазного взвешенного суммирования. Результирующее выражение работы алгоритма коррекции будет выглядеть следующим образом:
= £(кг+кго)> +ф0). (2)
Для нахождения поправочных коэффициентов необходимо подать на каждый аналоговый тракт калибровочный сигнал и провести анализ выходного сигнала по параметрам фазового сдвига и коэффициента усиления. Результатом анализа будет набор значений фазового сдвига и коэффициента усиления.
Любое из получившихся значений фазового сдвига (он будет называться первым) принимаем за начальное значение. Для нахождения фг0 необходимо каждое значение
фазового сдвига уменьшить на величину первого сдвига. Для нахождения поправок коэффициента усиления находим максимальный коэффициент усиления, и его значение принимаем за эталон. Остальные нормируются относительно этого значения. Таким образом, получим значения к0). Можно взять в качестве эталона минимальное значение коэффициента усиления, но тогда, при реализации цифровой части, потеряется часть динамического диапазона результирующего сигнала.
Возможно два варианта калибровки: через эфир и посредством подачи калибровочного сигнала непосредственно на вход приемного модуля.
Калибровка через эфир обеспечивает полную калибровку аналогового тракта с антенной. Применение данного способа возможно в безэховой камере, либо в условиях отсутствия помех. Источник калибровочного сигнала располагается на расстоянии от антенной решетки таким образом, чтобы можно было считать, что расстояние от источника до любого элемента антенны одинаково. В противном случае, нужно будет учесть разность расстояния до конкретного элемента решетки относительно источника сигнала в результирующих коэффициентах калибровки. Источник сигнала расположен в ближней зоне, поэтому фронт волны в данном случае является сферическим и его необходимо учитывать (преобразовать в плоский посредством компенсации набега фаз, обусловленных кривизной фронта).
Слюсар В.И. Коррекция характеристик приемных сигналов цифровой антенной решетки по контрольному источнику в ближней зоне // Радиоэлектроника. - 2003. - № 1. - С. 44-52.
В.Ю .Кочетков
Второй вариант калибровки не учитывает характеристики (параметры) конкретной антенны, но позволяет проводить калибровку непосредственно в составе комплекса перед применением ЦАР либо между интервалами полезной работы. Характеристики антенн мало отличаются друг от друга и их разбросом можно пренебречь. Непосредственно на вход аналогового тракта подается тестовый сигнал и проводится измерение амплитудно-частотных характеристик. Для реализации этого механизма в аналоговый тракт необходимо ввести схему переключения источника входного сигнала.
Для проведения калибровки в качестве калибровочного сигнала (КС) применяется промодулированный гармонический сигнал. Подобный сигнал сформировать не сложно, а его обработка не требует больших вычислительных затрат. Формирование сигнала можно организовать как средствами ЦАР, так и с использованием внешнего генератора.
Входной сигнал имеет широкий спектр и очевидно, что аналоговая часть не является линейной. Для калибровки системы в данном случае необходимо найти передаточные функции каждого канала (для этого потребуется усложнить процесс формирования и обработки) и ввести в цифровую части фильтры, выравнивающие передаточные характеристики аналогового тракта. Современные системы связи и локации работают с цифровой передачей данных, для которых свойственно наличие небольшого количества кратных гармоник в полосе сигнала, и можно считать, что передаточные характеристики аналоговой части в этой полосе линейны.
Для оценки фазы и амплитуды применяется математический аппарат на основе комплексного фурье-анализа. В случае формирования эталонного сигнала средствами ЦАР, анализ ведется относительно зондирующего сигнала либо относительно любого канала. При калибровке через эфир анализ может производиться относительно любого канала.
Методика калибровки будет состоять в следующем:
- в исходном состоянии необходимо подать на все фазосдвигающие цепочки цифровое значение управляющего сигнала, обеспечивающее нулевой сдвиг фаз (фг- = 0), а для усилителей единичные коэффициенты усиления ( к1 = 1);
- для нахождения корректирующих значений необходимо на вход аналогового тракта подать калибровочный сигнал и провести накопление цифрового сигнала для всех каналов в течение интервала времени I (интервал зависит от объема памяти);
- используя комплексное преобразование Фурье каждого массива информации находим значения сдвига фаз фй и амплитуды кй в аналоговом тракте;
- для вычисления корректирующего значения фазовой характеристики значение фазового сдвига первого канала обозначим как фпогт, и для всех значений сдвига фаз фй вычислим поправочные значения согласно выражению
- для нахождения корректирующих значений амплитудной характеристики определим максимальное значение кй и обозначим его как ктах. Для всех значений амплитуд кй находим значение поправочного коэффициента:
Для проведения калибровки в структуру цифровой части необходимо добавить в каждый канальный тракт элемент памяти для накопления цифрового сигнала, а также ввести в состав управления антенной решеткой схему управления калибровкой с общим запуском (рис.2). По команде от управляющей системы ЦАР система калибровки начинает
фг0 фпогт фй ;
(3)
(4)
А
Приемник АЦП xi Ф k
КС
'Ф1
t,
Память выборки 1
Старт zi
А
Приемник АЦП xn ф k
КС
'ф я
КС
Старт <-
ЦАП
zi
Jk
п
А
Память выборки n
tx;
Старт zn
Система калибровки
Управляющая система
Рис.2. Структурная схема однолучевой ЦАР с функцией коррекции фазового сдвига и коэффициента усиления
формировать калибровочный сигнал (КС), который поступает на все приемники антенной решетки. После этого формируется сигнал общего накопления («Старт») и начинается накопление информации в памяти выборки одновременно для всех каналов. По окончании накопления система калибровки возвращает связи в начальное положение и можно начинать обрабатывать массивы значений согласно приведенному выше алгоритму, результатом работы которого являются поправочные коэффициенты фг0 и ki0.
Выбор объема памяти выборки зависит от точности проводимых вычислений, от разрядности АЦП, частоты дискретизации, технических возможностей реализации. Практически достаточно выбрать память исходя из необходимости накопления примерно десяти периодов эталонного гармонического сигнала.
Данная методика калибровки была опробована на макете 4-элементной ЦАР. В результате удалось провести калибровку по фазе с точностью ±1°, а по амплитуде ±0,5%, что в конечном итоге позволило добиться подавления сигнала помехи до уровня -35 дБ, причем подавление помехи возможно как для сигнала в боковом, так и в основном луче. При реализации системы обработки целесообразно использование программируемых логических интегральных микросхем типа FPGA, которые обладают большим быстродействием, имеют встроенную память и позволяют в малых габаритах реализовать обработку цифровой информации.
Процедура встроенной калибровки может проводиться в любое время и не требует дополнительного внешнего оборудования, а ее применение существенно увеличит точность формирования диаграммы направленности, повысит надежность системы и снизит ее трудоемкость при изготовлении и обслуживании.
Статья поступила 10 апреля 2009 г.
Кочетков Василий Юрьевич - кандидат технических наук, доцент кафедры вычислительной техники, старший научный сотрудник НИИ вычислительных средств и систем управления МИЭТ. Область научных интересов: цифровая обработка сигналов, проектирование специализированных цифровых вычислительных устройств и автоматизированных систем управления, радиолокация. E-mail: vasil@olvs.miee.ru
n
УДК 621.37/39:534
Сверхширокополосные фильтры на поверхностных акустических волнах высокой прямоугольности
И. А. Туркин ОАО «МНИИРС» (г. Москва)
С.П. Тимошенков
Московский государственный институт электронной техники (технический университет)
А.Е.Краснопольский
Государственный технологический университет «Московский институт стали и сплавов»
Рассмотрены сверхширокополосные ПАВ-фильтры на базе однофазных однонаправленных встречно-штыревых преобразователей российского производства. Приведена общая классификация ПАВ-фильтров.
Современные коммуникационные устройства от мобильного телефона и систем навигации ГЛОНАСС и GPS до систем аэрокосмической связи и радиолокации используют различные частотно-избирательные устройства. Значительная их часть основана на принципе акустоэлектронного взаимодействия анизотропной кристаллической решетки пьезоэлектрика и слоя напыленных на нее металлических электродов, возбуждающих под действием переменного электромагнитного поля поверхностную акустическую волну (ПАВ). По сравнению с фильтрами на других физических принципах ПАВ-фильтры обладают рядом преимуществ: малые габариты, возможность установки в корпуса для поверхностного монтажа, высокая механическая прочность, температурная стабильность, малые вносимые потери и большое гарантированное затухание в полосе заграждения (40-60 дБ).
Особенности фильтров на ПАВ. Полосовые ПАВ-фильтры делятся на два основных типа: резонаторные и трансверсальные. Применение резонаторных фильтров в технике обусловлено их малыми потерями (около 3-10 дБ), очень узкой полосой (0,01-5%) и низким уровнем сигнала в полосе заграждения (порядка -50 дБ от основного сигнала). Трансверсальные фильтры имеют несколько большие потери (около 7-25 дБ в зависимости от типа встречно-штыревого преобразователя (ВШП) и широкополосно-сти), однако позволяют реализовать очень широкий диапазон полос пропускания [1] (от 1 до 50% и более), достигать значения коэффициента прямоугольности, близкого к единице, малых пульсаций амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) и группового времени запаздывания (ГВЗ) в полосе пропускания. Оба типа фильтров имеют хорошую температурную стабильность, обусловленную типом используемых пьезокристаллов, основными из которых являются ниобат лития (~70-94 ppm/°C), танталат лития (~30 ppm/°C) или пьезокварц (~0,05 ppm/°C ). В зависимости от ширины полосы пропускания используется тот или иной материал подложки: кварц для узкополосных фильтров, танталат лития для средне-полосных и ниобат лития для широкополосных фильтров.
© И.А.Туркин, С.П.Тимошенков, А.Е.Краснопольский, 2009
