СПОСОБ ВСТРОЕННОГО КОНТРОЛЯ ХАРАКТЕРИСТИК ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ

СПОСОБ ВСТРОЕННОГО КОНТРОЛЯ ХАРАКТЕРИСТИК ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ


RU (11) 2169376 (13) C1

(51) 7 G01R29/10, H01Q3/26 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.01.2008 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 99126339/09 
(22) Дата подачи заявки: 1999.12.16 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 1999.12.16 
(43) Дата публикации заявки: 2001.06.20 
(45) Опубликовано: 2001.06.20 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: SU, 1062621 A, 23.12.1983. JP, 60-123107, 07.11.1985. SU, 1781641 A, 15.12.1992. SU, 1668959 A1, 07.08.1991. SU, 1829015 A1, 23.07.1993. RU, 94022684 A1, 23.06.1996. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток. / Под ред.Д.И. Воскресенского. - М.: Радио и связь, 1981, с.26 - 32, 42-45-161-164, 247-250, 3360-370. 
(71) Заявитель(и): 32 Государственный научно-исследовательский испытательный интситут Министерства обороны Российской Федерации 
(72) Автор(ы): Голик А.М.; Заговенков Д.Н.; Клейменов Ю.А.; Кондрашин В.А.; Рябокобыла Ф.И. 
(73) Патентообладатель(и): 32 Государственный научно-исследовательский испытательный интситут Министерства обороны Российской Федерации 
Адрес для переписки: 141006, Московская обл., г.Мытищи, ул.Комарова, 13, нач.32, ГНИИИ МО РФ 

(54) СПОСОБ ВСТРОЕННОГО КОНТРОЛЯ ХАРАКТЕРИСТИК ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ 

Способ встроенного контроля характеристик фазированной антенной решетки (ФАР), при котором для определения характеристик ДН ФАР проводится СВЧ-контроль излучателей (И) и соединенных с ними каналов управления (КУ) в каждом из L = 2P их состояний, путем амплитудной модуляции поля ФАР последовательным изменением всех состояний фазовращателей (Ф) контролируемых КУ, и в каждом состоянии определяют отношение максимального значения амплитуды поля ФАР к минимальному - A0i и фазовый сдвиг Фi при максимальном значении амплитуды, которые сравнивают с их эталонными значениями Aэтi и Фi, контроль проводят без вывода РЛС из штатного режима в интервалы времени, находящиеся за пределами стробируемых участков дальности, при этом выявляют И, КУ которых неисправны, подвергают их СВЧ-контролю, по результатам выявленных при СВЧ-контроле параметров А0i, значения которых ниже значений Аэтi, осуществляют оценку влияния вышедших из строя И, при котором Ф всех И, находящиеся в круге радиусом 2-4 длины волны от контролируемого перефазируют, и в каждом состоянии путем СВЧ-контроля определяют параметры А0i и Фi, сравниваемые с их эталонными значениями Аэтi и Фэтi, различия между значениями A0i и Фi, а также Аэтi и Фэтi учитывают в процессе моделирования ДН ФАР. Технический результат заключается в расширении области применения. 2 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при контроле характеристик диаграммы направленности фазированной антенной решетки с дискретным управлением фазами токов возбуждения излучателей с помощью p-разрядных полупроводниковых фазовращателей.

Известен модуляционный способ контроля характеристик диаграммы направленности фазированной антенной решетки, реализованный в пат. 3378846 (США, НКИ 343-100), в котором путем поочередного сверхвысокочастотного (СВЧ) контроля всех каналов управления в каждом из L=2p их состояний, где p - число разрядов фазовращателя канала управления, осуществляется контроль характеристик фазированной антенной решетки. Способ заключается в том, что фазовращатель контролируемого канала управления переключается из одного состояния в другое и обратно с частотой и анализируется спектр суммарного сигнала фазированной антенной решетки с целью определения комплексной амплитуды первой боковой гармоники 1, отстоящей от основной частоты o на , которая принимается за амплитуду возбуждения излучателя. Измерение параметров выделяемой модуляционной составляющей сигнала позволяет получить характеристики отдельного канала управления, выявить неисправные каналы управления и провести расчет характеристик суммарной диаграммы направленности фазированной антенной решетки.

Недостатком данного способа является то, что он требует большого времени на проведение измерений характеристик всех каналов управления, обладает недостаточной точностью измерения характеристик диаграммы направленности, не учитывает взаимовлияния каналов управления и требует вывода радиолокационной станции из штатного режима на длительное время.

В А.с. 1062621 (СССР, МКИ G 01 R 29/10) предложен способ определения характеристик диаграммы направленности фазированной антенной решетки, в котором при реализации модуляционного способа в соответствии с пат. 3378846 (США, НКИ 343-100) учитывается взаимовлияние отдельных каналов управления путем измерения характеристик каждого канала управления при случайном фазировании соседних каналов в круге радиусом 2-4 длины волны от контролируемого.

Недостатком данного способа является то, что он также требует большого времени на проведение измерений характеристик всех каналов управления и выведения радиолокационной станции из штатного режима на длительное время.

Сократить время на проведение измерений и повысить точность определения характеристик диаграммы направленности фазированной решетки позволяет известный способ контроля, который выбран в качестве прототипа (заявка 60-123107 (Япония), МКИ H 01 Q 3/36), методом вращения поля излучающего элемента, заключающийся в том, что проводится амплитудная модуляция поля фазированной антенной решетки путем последовательного изменения всех состояний фазовращателя (от 1-го до L-го) контролируемого канала управления и цифровая обработка принятого суммарного модулированного сигнала. В случае идеально настроенного канала управления фаза колебаний на выходе соединенного с ним излучателя изменяется с каждым переключением фазовращателя на одну и ту же величину (дискрет переключения фазовращателя), а вносимые потери каналом управления являются постоянной величиной P, поэтому, в результате калибровки, получается эталонная зависимость изменения амплитуды поля фазированной антенной решетки при L переключениях фазовращателя. В процессе контроля каналов управления определяются отношения максимальных значений амплитуды поля фазированной антенной решетки к минимальным, а также фазовый сдвиг Ф при максимальном значении амплитуды. В результате сравнения полученного значения с эталонным определяется влияние каждого канала управления на диаграмму направленности фазированной антенной решетки.

Недостатком способа является то, что он требует выведения радиолокационной станции из штатного режима функционирования, что делает невозможным его применение в радиолокационных станциях (РЛС), обеспечивающих сопровождение быстролетящих объектов наблюдения в условиях воздействия разрушающих и возмущающих дестабилизирующих факторов и требующих оперативного контроля диаграммы направленности фазированной антенной решетки без выведения РЛС из штатного режима. Данный способ по технической сущности является наиболее близким к предлагаемому изобретению и выбран в качестве прототипа.

Целью предлагаемого изобретения является расширение области применения.

Поставленная цель достигается тем, что для определения характеристик диаграммы направленности фазированной антенной решетки проводится СВЧ-контроль излучателей и соединенных с ними каналов управления в каждом из L=2p их состояний (p - число разрядов фазовращателя) путем амплитудной модуляции поля фазированной антенной решетки последовательным изменением всех состояний фазовращателей контролируемых каналов управления и в каждом состоянии определяются отношение максимального значения амплитуды поля фазированной антенной решетки к минимальному - A0i и фазовый сдвиг Фi (где i=1...N, a N - число элементов ФАР) при максимальном значении амплитуды, которые сравниваются с их эталонными значениями Aэтi и Фэтi, кроме того, проводимому без вывода радиолокационной станции из штатного режима в интервалы времени, находящиеся за пределами стробируемых участков дальности, СВЧ-контролю подвергаются лишь те излучатели, каналы управления которых оказались неисправными в результате анализа реакций их фазовращателей на команды управления лучом антенной решетки, и если в результате СВЧ-контроля параметры A0i оказывается ниже своих эталонных значений Aэтi, то осуществляется оценка влияния вышедших из строя излучателей, при которой фазовращатели всех излучателей, находящихся в круге радиусом 2-4 длины волны от контролируемого, перефазируются и в каждом состоянии путем СВЧ-контроля определяются параметры A0i и Фi, сравниваемые с их эталонными значениями Aэтi и Фэтi, различия между значениями A0i и Aэтi, Фi и Фэтi, а также результаты анализа реакций фазовращателей на команды управления лучом антенной решетки учитываются в процессе моделирования диаграммы направленности фазированной антенной решетки.

Таким образом, предлагаемое изобретение имеет следующие отличительные черты по сравнению с прототипом: определение характеристик диаграммы направленности фазированной антенной решетки (ФАР) осуществляется без вывода радиолокационной станции из штатного режима в интервалы времени, находящиеся за пределами стробируемых участков дальности; СВЧ-контролю подвергаются лишь те излучатели, каналы управления которых оказались неисправными в результате анализа реакций их фазовращателей на команды управления лучом антенной решетки; объем СВЧ-контроля определяется результатами анализа параметра A0i, и если он оказывается ниже своего эталонного значения Aэтi, то контролируемый излучатель считается вышедшим из строя и осуществляется оценка его влияния на характеристики отстоящих от него на 2-4 длины волны излучателей, в ходе которой осуществляется СВЧ-контроль их параметров - A0i и Фi и сравниваемые с их эталонными значениями Aэтi и Фэтi; оценка параметров диаграммы направленности ФАР осуществляется на основе результатов контроля, которые вносят изменения в исходные данные, используемые для ее расчета.

Выполнение указанных операций позволяет реализовать предлагаемый способ в радиолокационных станциях, обеспечивающих сопровождение быстролетящих объектов наблюдения в условиях воздействия разрушающих и возмущающих дестабилизирующих факторов и требующих оперативного контроля диаграммы направленности фазированной антенной решетки без выведения РЛС из штатного режима.

На фиг. 1 приведен вариант технической реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 - огибающие амплитуд токов возбуждения излучателей ФАР при возможных неисправностях канала управления (L = 8).

Изображенное на фиг. 1 устройство содержит: 1 - измерительный зонд; 2 - излучатель ФАР; 3 - канал управления ФАР; 4 - блок управления фазовращателями; 5 - цифровое вычислительное устройство (ЦВУ); 6 - блок контроля состояния каналов управления ФАР; 7 - фазированная антенная решетка; 8 - измеритель амплитуд и фаз; 9 - делитель-сумматор; 10 - приемопередающий блок.

Контроль характеристик диаграммы направленности по предложенному способу осуществляется следующим образом.

При нормальной работе ФАР (до первого отказа) реализуется контроль функционирования каналов управления ФАР, в основе которого лежит анализ состояний переключающих элементов фазовращателей после установки их в состояния, соответствующие заданному положению луча ФАР. Реализация такого контроля может быть осуществлена в соответствии с а.с. 1781641 (СССР, МКИ G 01 R 29/10), а.с. 321232 (СССР, МКИ G 01 R 29/10), а.с. 275531 (СССР, МКИ G 01 R 29/10), пат. 4005361 (США, МКИ G 01 R 31/02), пат. 2542435 (ФРГ, МКИ H 01 Q 3/26, G 01 R 3/28). Информация о перечисленных факторах поступает на ЦВУ, осуществляющее моделирование диаграммы направленности антенны (ДНА) и определение ее характеристик.

После выявления отказавшего канала управления ФАР оценивается амплитуда тока возбуждения соединенного с ним излучателя путем амплитудной модуляции поля фазированной антенной решетки последовательным изменением всех L состояний фазовращателей контролируемых каналов управления в соответствии с известным способом-прототипом и определения отношения максимального значения амплитуды поля фазированной антенной решетки к минимальному

Amaxi/Amini=A0i.

На фиг. 2 в качестве примера изображены возможные огибающие токов возбуждения связанных с неисправным каналом управления излучателей, которые не имеют механических повреждений: а - канал исправен; б - отказ дискрета 180o; в - отказ дискрета 90o; г - отказ дискрета 45o; д - отказ дискретов 180o и 90o; е - отказ дискретов 180o и 45o; ж - отказ дискретов 90o и 45o; з - отказ всех дискретов; и - отсутствие возбуждения. В рассматриваемом примере каналы управления используют трехразрядные проходные pin-диодные фазовращатели. В качестве возможных неисправностей рассматриваются обрывы в цепях переключающих элементов секций фазовращателей и срез возбуждающего фидера. Предполагается, что при выявлении короткозамкнутых переключающих элементов фазовращателей от них с помощью устройств автоматики отключается питание. Поэтому при дальнейшем рассмотрении отказы такого типа будут проявлять себя как и обрывы в цепях переключающих элементов.

Перечисленные операции осуществляются без выведения РЛС из штатного режима в интервалы времени, находящиеся за пределами стробируемых участков дальности. В соответствии с данными, приведенными в книгах: Хижа Г.С., Вендик И.Б., Серебрякова Е.А. СВЧ-фазовращатели и переключатели. - М.: Радио и связь, 1984. - 184 с. и Справочник по радиолокации /под ред. М. Сколника. - М.: Сов. радио, 1976, т. 2., время переключения состояний полупроводникового фазовращателя составляет единицы наносекунд, а ферритовых - единицы микросекунд. Поэтому выделить участок в несколько сотен метров (1 микросекунда - 150 метров) для проведения СВЧ-контроля состояния излучателя не вызывает затруднений. При инерционности имеющихся в наличии средств регистрации измерения амплитуды могут осуществляться по одному из L (L - число состоянии фазовращателей) измерений за период следования зондирующих импульсов.

На время контроля ФАР расфазируется (все ее фазовращатели устанавливаются в состояния i= 0. Информация об эталонных значениях амплитуд токов возбуждения i-x фазовращателей ФАР Ais при различных сочетаниях отказов их каналов управления (s - номер вида отказа) и разлапых командах управления хранится в памяти вычислительного устройства, осуществляющего расчет характеристик диаграммы направленности.

При условии если A0s = Ais, т.е. излучатель отказавшего канала управления не имеет механических повреждений, информация о вышедшем из строя канале управления (его координаты, номер отказавшей секции, вид отказа) поступает на ЦВУ. Диаграмма направленности при этом определяется в соответствии с известным выражением для множителя ФАР (см. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток./ под ред. Д.И. Воскресенского. - М.: Радио и связь, 1994, - 592 с.)



где Ai - амплитуда тока возбуждения i-го излучателя ФАР;

Фi - фаза тока возбуждения i-го излучателя ФАР (для выбранного направления излучения).

В случае соли A0s < Ais, т.е. установлен факт механического повреждения излучателя ФАР, то с помощью способа-прототипа оценивается изменение комплексной амплитуды возбуждения отказавшего канала управления ФАР и влияние этого изменения на характеристики соседних каналов управления, отстоящих от отказавшего на расстояния до 4 в соответствии с а.с. 1062621 (СССР, МКИ G 01 R 29/10) осуществляется оценка влияния вышедших из строя излучателей, при которой фазовращатели всех излучателей, находящихся в круге радиусом 2-4 длины волны от контролируемого, перефазируются и в каждом состоянии путем СВЧ-контроля определяются параметры A0i и Фi, сравниваемые с их эталонными значениями Aэтi и Фэтi, различия между значениями A0i и Aэтi, Фi и Фэтi. Эти данные (как и результаты анализа реакций фазовращателей на команды управления лучом) отправляются на вычислительное устройство, где они учитываются в модели ФАР при определении характеристик ее ДН. Такой контроль характеристик ФАР может быть реализован в штатном режиме работы РЛС.

Техническая реализуемость предлагаемого способа может быть проиллюстрирована на примере устройства встроенного контроля характеристик ФАР, изображенного на фиг. 1.

В рассматриваемом примере ФАР 7 с равноамплитудным фидерным возбуждением состоит из излучателей 2, фазы токов возбуждения которых устанавливаются с помощью канала управления излучателем 3, представляющим трехразрядный полупроводниковый фазовращатель (т. е. дискрет переключения =o45, число состояний L = 2p=8), в качестве коммутационных элементов которого используются pin-диоды. Устройство управления секцией дискретного полупроводникового фазовращателя может быть выполнено в соответствии с патентом США N 3840827 (МКИ H 01 P 1/18).

Блок управления фазовращателями 4 представляет собой вычислительное устройство, реализующее расчет требуемых фаз токов возбуждения излучателей 2 ФАР 7 в соответствии с кодом требуемого углового положения луча ФАР. При выявлении отказов блок управления фазовращателями 4 за пределами стробируемых участков дальности осуществляет последовательное изменение всех L состояний фазовращателя контролируемого канала, при этом фазовращатели всех остальных каналов устанавливаются в нулевые состояния. При выявлении механических повреждений излучателей (A0s < Ais) блок управления фазовращателями 4 в соответствии с командами, поступающими от ЦВУ 5, осуществляет перефазировку фазовращателей всех излучателей в круге радиусом 2-4 длины волны от контролируемого излучателя для оценки влияния поврежденного излучателя на амплитудно-фазовое распределение.

Делитель-сумматор 9 обеспечивает распределение СВЧ-энергии, поступающей на него от приемопередающего блока 10, при работе радиолокационной станции в режиме "Передача", а также суммирование сигналов, поступающих на излучатели 2 ФАР 7, и передачу их к приемопередающему блоку 10 в режиме "Прием".

Блок контроля каналов управления 6, после установки их в состояния в соответствии с командами блока управления фазовращателями 4, осуществляет контроль состояний переключающих элементов фазовращателей и сравнивает их с рассчитанными в блоке 4. При несоответствии реального состояния рассчитанному, на основе анализа реального состояния, выдается информация на ЦВУ 5 о характере отказа. Блок контроля каналов управления может быть реализован в виде одного из устройств, предложенных в а.с. 1781641 (СССР, МКИ G 01 R 29/10), а. с. 321232 (СССР, МКИ G 01 R 29/10), a.c. 275531 (СССР, МКИ G 01 R 29/10). пат. 4005361 (США, МКИ G 01 R 31/02), пат. 2542435 (ФРГ, МКИ H 01 Q 3/26, G 01 R 3/28). Информация блока 6 поступает на ЦВУ 5 в цифровом виде.

Измеритель амплитуд и фаз 8 осуществляет измерение амплитуды и фазы сигнала принятого измерительным зондом 1. В цифровом виде информация от измерителя 8 поступает на ЦВУ 5.

Цифровое вычислительное устройство 5 последовательно реализует функции, фактически описывающие работу устройства:

расчет и выдачу кодов требуемого положения луча для блока управления фазовращателями;

прием и хранение поступающей от блока 6 встроенного контроля информации о координатах неисправных фазовращателей, номерах отказавших секций управления (переключающих элементов) и видах отказов (обрыв или короткое замыкание);

выдачу кодов излучателей на блок 4 для проведения СВЧ-контроля в соответствии с информацией от блока 6;

определение отношения максимального значения амплитуды поля фазированной антенной решетки к минимальному - A0i и фазового сдвига Фi (где i = 1 ... N, a N - число элементов ФАР) при максимальном значении амплитуды и сравнение их с эталонными значениями Aэтi и Фэтi в соответствии с информацией, поступающей от измерителя 8;

оценку влияния вышедших из строя излучателей, при которой фазовращатели всех излучателей, находящихся в круге радиусом 2-4 длины волны от контролируемого, перефазируются и в каждом состоянии путем СВЧ-контроля определяются параметры A0i и Фi, сравниваемые с их эталонными значениями Aэтi и Фэтi;

хранение координат поврежденных, излучателей ФАР, у которых отношение максимального значения амплитуды поля фазированной антенной решетки к минимальному A0i и фазовый сдвиг Фi при максимальном значении амплитуды отличаются от эталонных (Aэтi и Фэтi);

хранение таблиц эталонных значений Aэтi и Фэтi;

учет в процессе моделирования диаграммы направленности фазированной антенной решетки различия между значениями A0i и Aэтi, Фi и Фэтi.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет обеспечить контроль характеристик ФАР в штатном режиме работы радио-электронной системы, что позволяет использовать его в РЛС, обеспечивающих сопровождение быстролетящих объектов наблюдения в условиях воздействия разрушающих и возмущающих дестабилизирующих факторов, что в конечном итоге позволяет расширить область применения способа. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Способ встроенного контроля характеристик фазированной антенной решетки, при котором для определения характеристик диаграммы направленности фазированной антенной решетки (ФАР) проводится СВЧ-контроль излучателей и соединенных с ними каналов управления в каждом из L = 2Р их состояний, р - число разрядов фазовращателя, путем амплитудной модуляции поля ФАР последовательным изменением всех состояний фазовращателей контролируемых каналов управления, и в каждом состоянии определяют отношение максимального значения амплитуды поля ФАР к минимальному - 0i и фазовый сдвиг Фi, где i = 1 ... N, а N - число элементов ФАР, при максимальном значении амплитуды, которые сравнивают с их эталонными значениями Aэтi и Фэтi, отличающийся тем, что контроль проводят без вывода радиолокационной станции из штатного режима в интервалы времени, находящиеся за пределами стробируемых участков дальности, выявляют в результате проводимого анализа реакций фазовращателей на команды управления лучом антенной решетки излучатели, каналы управления которых неисправны, и подвергают эти излучатели СВЧ-контролю, по результатам выявленных при СВЧ-контроле параметров A0i, значения которых ниже значений Aэтi, осуществляют оценку влияния вышедших из строя излучателей, при котором фазовращатели всех излучателей, находящиеся в круге радиусом 2 - 4 длины волны от контролируемого перефазируют, и в каждом состоянии путем СВЧ-контроля определяют параметры A0i и Фi, сравниваемые с их эталонными значениями Aэтi и Фэтi, различия между значениями A0i и Фi, а также Aэтi и Фэтi учитывают в процессе моделирования диаграммы направленности ФАР.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Электроника и электротехника




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+автомобильная -сигнализация".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "датчик" будут найдены слова "датчик", "датчики" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("датчик!").


Металлоискатели и металлодетекторы | Электронные устройства охраны и сигнализации | Электронные устройства систем связи | Приемные и передающие антенны | Электротехнические и радиотехнические контрольно-измерительные приборы и способы электроизмерений | Электронные устройства пуска, управления и защиты электродвигателей постоянного и переменного тока | Электродвигатели постоянного и переменного тока | Магниты и электромагниты | Кабельно-проводниковые и сверхпроводниковые изделия


Рейтинг@Mail.ru