Диагностика линзовых антенн
При разработке сложных антенных систем на этапе макетирования перед разработчиком зачастую встает задача выяснения причин неудовлетворительных характеристик разрабатываемого изделия, например повышенного уровня боковых лепестков апертурной антенны. Наиболее полную информацию о причинах неудовлетворительной работы такой антенны можно получить, изучив амплитудно-фазовое распределение (АФР) в ее раскрыве. Для измерения амплитудно-фазового распределения может быть использован сканер ближнего поля, состоящий из устройства позиционирования, измерительного зонда, прибора для измерения комплексных коэффициентов передачи и системы управления сканированием. Сканирование может осуществляться по поверхностям различной формы. Для апертурных, в частности линзовых антенн, наиболее подходящим является сканирование на плоскости, которое, кроме того, проще всего реализуется технически. Использование сканирования ближнего поля для диагностики антенн и расчета их характеристик известно с 70-х годов прошлого века [1], а в настоящее время измерительные комплексы для ближнепольных измерений серийно выпускаются рядом фирм [2, 3]. В данной работе описана конструкция сканера ближнего поля, который был разработан для целей проведения диагностики апертурных антенн. Сканер отличается от существующих аналогов отсутствием в конструкции датчиков положения зонда, что позволяет существенно упростить и удешевить ее.
Для формирования сигнала частотной развертки было использовано отслеживание текущего положения зонда по сигналам, приходящим на драйвер шаговых двигателей. Такое решение обеспечивает высокое быстродействие и точность без использования каких-либо датчиков положения. На драйвер ШД приходят сигналы направления вращения (сигнал «DIR») и сигнал поворота на угол, определяемый конструкцией двигателя и драйвера (сигнал «STEP»). Для подачи сигнала развертки в нужное время в разработанной схеме применен подсчет количества импульсов «STEP», приходящих на соответствующий вход драйвера ШД. Подсчет начинается синхронно с началом движения зонда. Счетчик импульсов реализован на микроконтроллере ATmega328, команда начала и окончания счета передается на счетчик по сети Ethernet из основной программы. Сигнал развертки с выхода счетчика подключен к входу внешней развертки ВАЦ с использованием опторазвязки.
Получение измеренных данных после окончания частотной развертки было реализовано посредством специальной программы, устанавливаемой на анализатор цепей и собирающей данные после каждого измерения в собственный буфер. Сигналом для сбора данных при этом служит программное событие, генерируемое ВАЦ после каждого измерения. В конце каждого столбца (строки), пока зонд движется перпендикулярно направлению сканирования, происходит отправка всех данных по сети в основную программу и очистка буфера. Максимальная скорость движения зонда в процессе сканирования при этом ограничивается в первую очередь не механическими параметрами сканера, а параметрами измерения: числом точек в области сканирования, расстоянием между ними, шириной фильтра ПЧ измерительного прибора. Скорость, с которой движется зонд при непрерывном сканировании, выбирается такой, чтобы векторный анализатор успел до прихода следующего сигнала развертки произвести измерение и сохранение данных.
Диагностика фазированной антенной решетки
Реализация измерений с использованием механических позиционирующих устройств сопряжена с рядом технических трудностей:
1) вносятся неизбежные погрешности позиционирования, вызванные, например, выносом фазового центра антенны перед точкой пересечения осей ОПУ, отклонениями от ортогональности координатных осей ОПУ или сканера и т. п.;
2) измерения выполняются с довольно низкой скоростью. Это связано с необходимостью выполнения прецизионного механического перемещения антенн;
3) необходимо обеспечивать высокую стабильность амплитуды и фазы коэффициента передачи в СВЧ тракте между входами измерительной техники и антеннами при их различных положениях;
4) возникают паразитные отражения от конструкции сканера, позиционирующего зонд;
5) для применения указанных методов измерения в процессе испытаний активных ФАР (АФАР) в передающем режиме необходимо, чтобы все элементы ФАР излучали мощность одновременно. Это создаёт серьёзные проблемы по защите персонала и техники от воздействия электромагнитного излучения большой мощности.
Вместе с тем особенности ФАР позволяют измерять многие важные параметры без механического перемещения.
1. Коммутационные методы измерения параметров ФАР.
Широкий спектр применения имеют коммутационные методы измерения параметров ФАР, активно развивающиеся на протяжении последних пяти десятилетий. Для их реализации, как правило, требуется лишь наличие небольшого зонда, неподвижно расположенного в ближней зоне ФАР, анализатор цепей и стендовый компьютер. Можно выделить следующие основные операции этих методов:
1) измерение суммарного сигнала от всех элементов ФАР;
2) изменение состояния одного или нескольких фазовращателей ФАР;
3) повторение операций (1) и (2) при различных состояниях фазовращателей ФАР;
4) определение комплексных значений возбуждения каждого элемента при помощи математической обработки результатов измерений.
1.1. Измерение ДН ФАР при помощи коммутационных методов.
Можно с достаточно высокой для практики точностью определять ДН ФАР в произвольных направлениях при помощи следующей математической модели. Для определения ДН ФАР достаточно знать значения ДН элемента в составе ФАР и амплитудно-фазовое распределение (АФР) в её апертуре. ДН элемента можно получить один раз в отдельном эксперименте, например, со сравнительно небольшим фрагментом апертуры ФАР. Для измерения АФР можно применить коммутационный метод измерений с коррекцией результатов, учитывающей разность хода сигнала от разных элементов до вспомогательной антенны и разброс амплитуд, вызванный различной взаимной ориентацией разных излучателей ФАР относительно вспомогательной антенны. При этом следует отметить, что использование в качестве вспомогательной антенны коллиматора позволяет избавиться от необходимости коррекции амплитуд и фаз, что значительно облегчает задачу определения ДН ФАР.
1.2. Измерение характеристик возбуждений элементов ФАР.
Для управления ФАР (реализации требуемого АФР) необходимо знать, какое комплексное значение возбуждения имеет каждый элемент при каждом значении кода (управляющего воздействия). Задача определения таких характеристик может решаться путём помещения согласованного зонда поочерёдно на каждый из элементов ФАР. Однако этот процесс является очень трудоёмким и затратным по времени из-за достаточно большого числа дискретов фазирования и количества элементов в крупных ФАР. При применении коммутационного метода измерений характеристики возбуждений элементов ФАР могут быть измерены в автоматическом режиме с высокой скоростью. Следует отметить, что обычно характеристики элементов надо знать для каждой рабочей частоты, следовательно, объём измерений растёт пропорционально числу используемых частот, что приводит к значительному увеличению времени измерений. Так как у современной измерительной техники удельная скорость измерений на одной частоте в режиме качания частоты заметно больше, чем в режиме непрерывной генерации, то измерения характеристик предпочтительнее выполнять в режиме качания частоты. Это можно реализовать при соответствующем планировании эксперимента и модификации метода обработки измеренных данных.
1.3. Измерение параметров взаимных связей элементов.
Традиционные методы измерения коэффициентов взаимных связей (взаимных сопротивлений или проводимостей) подразумевают подключение источника СВЧ-сигнала и измерительного прибора напрямую к исследуемым элементам. Как правило, в реальной ФАР для этого требуется существенное изменение распределительной системы, т. е. такие измерения обычно удаётся проводить лишь на макетах фрагментов ФАР. Поскольку разработка и изготовление макетов требует существенных затрат времени и средств, то большой практический интерес представляют методы исследования взаимных связей элементов ФАР со штатной распределительной системой. Применение таких средств цифровой обработки, как преобразования Фурье и Уолша – Адамара, позволяет выделять значения возбуждений отдельных элементов, и они могут эффективно использоваться для решения данной задачи. Кроме того, применение к спиральным неэквидистантным ФАР описанных в методах цифровой обработки показало, что эффекты взаимных связей хорошо описываются с помощью аппарата статистической теории антенн, и параметры законов распределений случайных искажений с достаточной для практических целей точностью могут быть получены путём цифровой обработки результатов измерений.
1.4. Диагностика отказов управляемых устройств элементов ФАР.
Наличие в ФАР большого (от нескольких сотен до десятков тысяч) числа устройств с электронным управлением требует применения быстрых и точных методов диагностики их неисправностей. Так как напрямую подключить контрольно-измерительную аппаратуру к каждому элементу в условиях эксплуатации ФАР весьма затруднительно, то большой практический интерес представляет диагностика отказов элементов ФАР при помощи коммутационных методов измерения, которая не требует демонтажа распределительной системы и/или радиопрозрачного укрытия и может реализовываться с помощью штатных средств радиотехнической системы, что особенно важно в полевых условиях. В случаях, когда ФАР находится в труднодоступных местах (например, на башенно-мачтовой конструкции корабля, на космическом аппарате) возникают технические трудности при размещении вспомогательной антенны перед апертурой ФАР. В этом случае для диагностики можно использовать подход, во многом похожий на коммутационный метод измерения, когда измеряются сигналы, отражённые от переходов «излучатель – свободное пространство», а паразитные составляющие, вызванные наличием взаимных связей между элементами ФАР, фильтруются при помощи специализированной многоуровневой обработки измеренных данных на основе преобразования Уолша – Адамара. Возможности метода можно продемонстрировать на ФАР L-диапазона со спадающим амплитудным распределением, которая состоит из четырех линеек по 16 излучателей. Каждый из излучателей представляет собой электрический вибратор специальной формы. График отношения амплитуд элементов ФАР, измеренных при наличии отказов (обрыв СВЧ-тракта у четырёх элементов – с 53-го по 56-й) и при внесении затухания величиной 10 дБ в СВЧ-тракты элементов 29...32), к тем же амплитудам, измеренным в исправном состоянии, показывает, что отказы уверенно диагностируются.