RU2647514C2

RU2647514C2 - Method and device for calibrating transceiving active phased antenna array

Info

Publication number: RU2647514C2
Application number: RU2016117568A
Authority: RU
Inventors: Юрий Аркадьевич Шишов; Виктор Владимирович Подольцев; Виталий Владимирович Подъячев; Дмитрий Валерьевич Губанов; Михаил Григорьевич Вахлов; Ирина Сергеевна Луцько
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации
Priority date: 2016-05-04
Filing date: 2016-05-04
Publication date: 2018-03-16
Also published as: RU2016117568A

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: invention is intended for calibrating transceiving active phased antenna arrays (PAA). The method of calibrating the active PAA, in which to calibrate the receiving channels of the transceiving modules, a control signal is fed at their inputs, based on the comparison of the amplitudes and phases of output signals of the receiving channels of the calibrated modules with an amplitude and phase of the output signal of the receiving channel of the reference transceiving module to form correction signals, which are used for adjusting the complex coefficients of the transmission of the receiving channels of the calibrated transceiving modules. Similarly, calibration of transmitting channels of the transceiving modules is carried out, wherein the calibration of the transmitting channels of the modules is carried out regardless of calibration of the receiving channels of the modules, as a reference one a transceiving module is selected, located in the center of the active aperture of the active PAA, and the formation of the correcting signals is carried out with a view to ensuring the required law of the amplitude of the field distribution over the aperture of the transceiving active phased array.

EFFECT: increasing the calibration accuracy of the transmitting channels of the active phased array antenna of the transceiving modules, expanding the range of possible applications of the calibration method, and providing the required amplitude distribution at the antenna aperture.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к антенной технике, а именно к области фазированных антенных решеток (ФАР), обеспечивающих формирование диаграммы направленности (ДН) заданной формы, угловое положение которой в пространстве изменяется электрическим путем, и используемых в системах связи, радиоэлектронного противодействия, радиотехнической разведки, а в основном - в радиолокации.The invention relates to antenna technology, and in particular to the field of phased antenna arrays (PAR), providing the formation of a radiation pattern (NF) of a given shape, the angular position of which in space is changed electrically, and used in communication systems, electronic countermeasures, radio intelligence, and mostly in radar.

В настоящее время широко используются активные ФАР (АФАР), в которых к каждому излучателю (антенному элементу) подключены приемно-передающие модули (НИМ), в состав каждого из которых входят передающий и приемный каналы, при этом в передающий канал входят фазовращатель, аттенюатор, усилитель мощности, согласующие цепи. В приемный канал входят малошумящий усилитель (МШУ), преобразователь частоты, усилитель промежуточной частоты, фазовращатель, аттенюатор. В АФАР с цифровым формированием диаграммы направленности в приемный канал может входить аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с выделением квадратурных составляющих комплексной амплитуды выходного напряжения. В качестве излучателей в зависимости от диапазона волн применяются рупоры, щелевые излучатели, полуволновые вибраторы и т.п. Развязка между передающим и приемным каналами осуществляется с помощью быстродействующего переключателя «прием-передача» (ПП), в качестве которого чаще всего используется ферритовый циркулятор. Элементы, образующие каждый ППМ, не являются абсолютно идентичными. Они имеют отклонения параметров от номинального значения, вызванного производственным разбросом, температурными воздействиями, старением и т.д. В результате амплитуды и фазы выходных сигналов и передающих, и приемных каналов ППМ будут отличаться от расчетных значений, что вызовет ошибки в амплитудно-фазовом распределении поля на раскрыве АФАР относительно расчетных значений и приведет к снижению коэффициента использования площади раскрыва АФАР, коэффициента направленного действия антенны, росту уровня боковых лепестков ДН. Для сохранения расчетных параметров АФАР в процессе эксплуатации необходимо периодически проводить контроль параметров ППМ и проводить их калибровку для восстановления идентичности их комплексных коэффициентов передачи.Currently, active phased arrays (AFARs) are widely used, in which transmitting and receiving modules (BAT) are connected to each emitter (antenna element), each of which includes transmitting and receiving channels, while the transmitting channel includes a phase shifter, an attenuator, power amplifier matching circuits. The receiving channel includes a low noise amplifier (LNA), a frequency converter, an intermediate frequency amplifier, a phase shifter, and an attenuator. An analog-to-digital converter (ADC) with the allocation of the quadrature components of the complex amplitude of the output voltage can be included in an AFAR with digital beamforming in the receiving channel. As emitters, depending on the wave range, horns, slot emitters, half-wave vibrators, etc. are used. Decoupling between the transmitting and receiving channels is carried out using a high-speed switch "receive-transmission" (PP), which is most often used ferrite circulator. The elements that form each MRP are not completely identical. They have deviations of parameters from the nominal value caused by production scatter, temperature effects, aging, etc. As a result, the amplitudes and phases of the output signals of both the transmitting and receiving channels of the PMD will differ from the calculated values, which will cause errors in the amplitude-phase distribution of the field in the AFAR aperture relative to the calculated values and will lead to a decrease in the utilization factor of the AFAR aperture, the antenna directional coefficient, an increase in the level of the side lobes. In order to maintain the calculated parameters of the AFAR during operation, it is necessary to periodically check the PPM parameters and calibrate them to restore the identity of their complex transfer coefficients.

Известен способ встроенного контроля характеристик ФАР, изложенный в книге [1, с. 18-21], основанный на последовательной коммутации фазовращателей и приеме излучаемого сигнала вспомогательной антенной. Основным недостатком данного способа является необходимость использования вспомогательной антенны, отнесенной от контролируемой АФАР на расстояние дальней зоны, что не всегда возможно при установке АФАР на подвижных носителях, а также при калибровке крупноапертурных АФАР. Таким же недостатком обладает способ встроенного контроля характеристик ФАР, изложенный в [2], в котором тоже используется последовательная коммутация фазовращателей и прием излучаемого вспомогательной антенной сигнала. Известен способ калибровки антенной решетки [3], в котором для калибровки передающего канала каждого ППМ поочередно подают контрольный сигнал на вход передающего канала каждого ППМ, измеряют сигнал, передаваемый каждым передающим каналом, формируют корректирующие коэффициенты для передающего канала каждого ППМ на основе результатов измерений, корректирующие коэффициенты используют для регулировки амплитуды и фазы передаваемых сигналов. Для калибровки приемного канала каждого ППМ поочередно подают контрольный сигнал на вход приемного канала каждого ППМ, измеряют сигнал на выходе приемного канала каждого ППМ, на основе результатов измерений формируют корректирующие коэффициенты, которые используют для регулировки амплитуды и фазы сигналов на выходах соответствующих приемных каналов ППМ. Основным недостатком данного способа калибровки антенной решетки является необходимость использования сложной высокоточной измерительной аппаратуры, поскольку в процессе калибровки необходимо измерять абсолютные значения амплитуды и фазы сигналов на выходах калибруемых передающих и приемных каналов ППМ, что, в конечном счете, снижает точность калибровки АФАР.A known method of integrated control of the characteristics of the PAR, described in the book [1, p. 18-21], based on the serial switching of the phase shifters and the reception of the emitted signal by the auxiliary antenna. The main disadvantage of this method is the need to use an auxiliary antenna allocated from the monitored AFAR to the distance of the far zone, which is not always possible when installing the AFAR on mobile carriers, as well as when calibrating large-aperture AFARs. The method of integrated control of the PAR characteristics described in [2], which also uses serial switching of phase shifters and reception of a signal emitted by an auxiliary antenna, also has the same drawback. A known method of calibrating the antenna array [3], in which to calibrate the transmit channel of each PPM alternately sends a control signal to the input of the transmit channel of each PPM, measure the signal transmitted by each transmit channel, form correction factors for the transmit channel of each PPM based on the measurement results, corrective coefficients are used to adjust the amplitude and phase of the transmitted signals. To calibrate the receive channel of each PPM, a control signal is fed alternately to the input of the receive channel of each PPM, measure the signal at the output of the receive channel of each PPM, and correction coefficients are generated based on the measurement results, which are used to adjust the amplitude and phase of the signals at the outputs of the respective PPM receive channels. The main disadvantage of this method of calibrating the antenna array is the need to use sophisticated high-precision measuring equipment, since in the process of calibration it is necessary to measure the absolute values of the amplitude and phase of the signals at the outputs of the calibrated transmitting and receiving channels of the PMD, which ultimately reduces the accuracy of the AFAR calibration.

Этот недостаток частично устранен в способе калибровки АФАР [4], наиболее близком к предлагаемому способу и принятом в качестве прототипа, в котором калибровка приемных каналов ППМ осуществляется парами в режиме приема, а калибровка передающих каналов также осуществляется парами в режиме передачи, в процессе калибровки измеряют разность фаз и амплитуд на выходах приемных и передающих каналов калибруемых ППМ относительно амплитуды и фазы сигнала на выходе соответственно приемного и передающего канала опорного ППМ, в качестве которого для калибровки всех ППМ используется один и тот же ППМ, например, первый. Сначала осуществляется калибровка приемного канала ППМ, затем - передающего, причем для калибровки передающего канала используется контрольный сигнал, прошедший через приемный канал ППМ. Предполагается, что поскольку приемный канал уже откалиброван, амплитуда и фаза сигнала на выходе передающего канала будет определяться только его параметрами. Однако при калибровке передающего канала калибруемого ППМ контрольный сигнал проходит через элементы приемного канала, минуя малошумящий усилитель.This drawback is partially eliminated in the method of calibrating AFAR [4], which is closest to the proposed method and adopted as a prototype, in which the calibration of the receiving channels of the MRP is carried out in pairs in the receiving mode, and the calibration of the transmitting channels is also carried out in pairs in the transmission mode, during the calibration process the difference between the phases and amplitudes at the outputs of the receiving and transmitting channels of the calibrated PPM relative to the amplitude and phase of the signal at the output of the receiving and transmitting channels of the reference PPM, for which I calibration of all antipersonnel mines used the same ISP, such as the first. First, the calibration channel of the receiving channel is calibrated, then the transmitting channel, and for calibration of the transmitting channel, a control signal is used that has passed through the receiving channel. It is assumed that since the receiving channel is already calibrated, the amplitude and phase of the signal at the output of the transmitting channel will be determined only by its parameters. However, when calibrating the transmitting channel of the calibrated MRP, the control signal passes through the elements of the receiving channel, bypassing the low-noise amplifier.

Выбранный в качестве прототипа способ калибровки АФАР имеет следующие недостатки. Во-первых, он обеспечивает низкую точность калибровки передающего канала ППМ, так как при его калибровке контрольный сигнал проходит минуя малошумящий усилитель, а поступает непосредственно на последовательно соединенные второй аттенюатор и второй фазовращатель, которые при калибровке приемного канала были установлены в положения, компенсирующие отличия модуля и аргумента комплексного коэффициента усиления малошумящего усилителя калибруемого ППМ от соответствующих значений комплексного коэффициента усиления малошумящего усилителя опорного ППМ. Устранение этого недостатка путем подачи контрольного сигнала с выхода усилителя мощности на вход малошумящего усилителя даже при затухании в направленном ответвителе в 40…60 дБ (как указано в описании к прототипу) не представляется возможным, так как мощность сигнала на выходе усилителя мощности может составлять десятки и даже сотни ватт, в то время как мощность сигнала на входе МШУ составляет 10^-20…100^-18 Вт [5], что приведет к ограничению контрольного сигнала в малошумящем усилителе и сделает невозможной калибровку передающего канала ППМ. Во-вторых, в качестве опорного ППМ в прототипе используется любой ППМ. В качестве примера в описании прототипа принят первый, что предполагает создание равноамплитудного распределения поля на раскрыве антенны, которое обеспечивает максимальное значение коэффициента направленного действия антенны в режиме передачи и максимальное значение эффективной площади в режиме приема, однако в этом случае имеет место и максимальное значение уровня боковых лепестков диаграммы направленности, что приводит к снижению скрытности и помехозащищенности радиотехнической системы. Поэтому на практике применяют спадающее к краям апертуры амплитудное распределение, что обеспечивает минимум боковых лепестков диаграммы направленности при допустимом снижении коэффициента направленного действия либо допустимый уровень боковых лепестков диаграммы направленности при максимальном значении коэффициента направленного действия (например, так называемое дольф-чебышевское амплитудное распределение) [6]. В-третьих, область применения прототипа ограничена только возможностью использования в приемно-передающих АФАР, что характерно в основном для радиолокации и радиосвязи, так как калибровка передающих и приемных каналов ППМ осуществляется совместно. В то же время широко применяются радиотехнические системы с АФАР, которые работают либо только в режиме излучения (например, станции активных помех), либо только в режиме приема (станции радиотехнической разведки). Кроме того, в некоторых РЛС функции излучения и приема разделены между соответствующими антеннами.The AFAR calibration method selected as a prototype has the following disadvantages. Firstly, it provides low calibration accuracy of the PPM transmitting channel, since when calibrating it, the control signal passes bypassing the low-noise amplifier and goes directly to the second attenuator and the second phase shifter connected in series, which, when calibrating the receiving channel, were set to compensate for the differences between the module and the argument of the complex gain of the low-noise amplifier of the calibrated PPM from the corresponding values of the complex gain of low-noise amplifier To support EAP. The elimination of this drawback by supplying a control signal from the output of the power amplifier to the input of a low-noise amplifier even when attenuation in a directional coupler of 40 ... 60 dB (as indicated in the description of the prototype) is not possible, since the signal power at the output of the power amplifier can be tens and even hundreds of watts, while the power to the LNA input signal is 10 ... 100 ^-20 ^-18 W [5], resulting in a restriction in the pilot signal a low noise amplifier and make it impossible to calibrate the transmission channel MRP. Secondly, as the reference MRP in the prototype, any MRP is used. The first is taken as an example in the description of the prototype, which involves the creation of an equal-amplitude field distribution at the aperture of the antenna, which provides the maximum value of the directional coefficient of the antenna in the transmission mode and the maximum value of the effective area in the reception mode, but in this case the maximum level value of the side lobes of the radiation pattern, which leads to a decrease in stealth and noise immunity of the radio system. Therefore, in practice, an amplitude distribution that decreases to the edges of the aperture is used, which ensures a minimum of the side lobes of the radiation pattern with an acceptable decrease in the coefficient of directional action or an acceptable level of side lobes of the radiation pattern with a maximum value of the coefficient of directional action (for example, the so-called Dolph-Chebyshev amplitude distribution) [6 ]. Thirdly, the scope of the prototype is limited only by the possibility of using in the receiving-transmitting AFAR, which is typical mainly for radar and radio communications, since the calibration of the transmitting and receiving channels of the PPM is carried out jointly. At the same time, radio engineering systems with AFAR are widely used, which operate either only in the radiation mode (for example, active jamming stations) or only in the reception mode (radio intelligence stations). In addition, in some radars, the radiation and reception functions are divided between the respective antennas.

Задачами изобретения являются: повышение точности калибровки передающего канала приемно-передающего модуля АФАР; создание необходимого закона амплитудного распределения поля на апертуре АФАР для достижения оптимального соотношения между коэффициентом направленного действия антенны и уровнем боковых лепестков диаграммы направленности; расширение области применения способа для калибровки не только приемно-передающих АФАР, но и передающих и приемных АФАР.The objectives of the invention are: improving the accuracy of calibration of the transmitting channel of the receiving and transmitting module AFAR; creating the necessary law of the amplitude field distribution at the AFAR aperture to achieve the optimal ratio between the directional coefficient of the antenna and the level of the side lobes of the radiation pattern; expanding the scope of the method for calibrating not only transmitting and receiving AFARs, but also transmitting and receiving AFARs.

Для решения указанных задач калибровка приемных каналов приемно-передающих модулей осуществляется парами в режиме приема, при этом контрольный сигнал снимается с выходов приемных каналов приемно-передающих модулей, калибровка передающих каналов приемно-передающих модулей осуществляется парами в режиме передачи, при этом контрольный сигнал снимается с выходов передающих каналов приемно-передающих модулей, в процессе калибровки измеряют сдвиг по фазе и сравнивают амплитуды сигналов с выходов калибруемых приемно-передающих модулей относительно амплитуды и фазы сигнала на выходе опорного приемно-передающего модуля. По результатам сравнения амплитуд и фаз выходных сигналов приемного и передающего каналов каждого калибруемого ППМ АФАР с амплитудой и фазой выходных сигналов соответствующих каналов опорного ППМ формируются корректирующие сигналы, которые используются для регулировки параметров соответственно приемных и передающих каналов калибруемых приемно-передающих модулей АФАР, причем калибровка приемных и передающих каналов ППМ АФАР осуществляется раздельно, т.е. при калибровке приемного канала контрольный сигнал проходит только через элементы приемного канала соответствующего калибруемого ППМ, а при калибровке передающего канала контрольный сигнал проходит только через элементы передающего канала соответствующего калибруемого ППМ АФАР, что исключает влияние параметров приемного канала (в частности фазовращателя и аттенюатора приемного канала) на результаты калибровки передающего канала калибруемого ППМ, что приводит к повышению точности калибровки передающих каналов калибруемых ППМ по сравнению со способом калибровки по прототипу. Кроме того, в качестве опорного выбирается центральный ППМ АФАР, т.е. располагаемый в центре апертуры АФАР, что позволяет при калибровке АФАР коэффициенты передачи передающих и приемных каналов калибруемых ППМ регулировать таким образом, чтобы обеспечить требуемый закон амплитудного распределения поля на апертуре АФАР как в режиме передачи, так и в режиме приема для обеспечения оптимального соотношения между коэффициентом направленного действия антенны и уровнем боковых лепестков диаграммы направленности. Проведенный сравнительный анализ заявленного способа калибровки активной фазированной решетки и прототипа показывает, что заявленный способ отличается тем, что, во-первых, в прототипе при калибровке передающего канала каждого ППМ АФАР контрольный сигнал проходит не только через элементы передающего канала, но и через элементы приемного канала минуя малошумящий усилитель, при этом элементы регулировки комплексного коэффициента передачи приемного канала вносят погрешность в результаты калибровки передающего канала, что приводит к снижению точности калибровки передающих каналов калибрируемых ППМ АФАР. В заявленном способе калибровка приемных и передающих каналов ППМ производится независимо одна от другой, т.е. при калибровке приемного канала контрольный сигнал проходит только через элементы соответствующего приемного канала, а при калибровке передающего канала контрольный сигнал проходит только через элементы передающего канала, что исключает влияние элементов регулировки приемного канала на регулировку параметров передающего канала, что по сравнению с прототипом приводит к повышению точности калибровки передающих каналов калибруемых ППМ АФАР. Кроме того, независимая калибровка передающих и приемных каналов ППМ АФАР расширяет область возможных применений способа калибровки, т.е. он может применяться не только для калибровки приемно-передающих АФАР, но и для калибровки как передающих, так и приемных АФАР. Во-вторых, в прототипе в качестве опорного приемно-передающего модуля используется любой модуль (например, первый), что предполагает обеспечение одинаковых значений комплексных коэффициентов передачи передающих и приемных каналов всех ППМ, т.е. равномерное амплитудно-фазовое распределение поля на апертуре антенны как в режиме передачи, так и в режиме приема. В этом случае, как известно из теории антенн, коэффициент использования площади апертуры антенны равен единице, т.е. максимально значение эффективной площади антенны, что важно при работе антенны в режиме приема, и максимальное значение коэффициента направленного действия, что важно при работе антенны в режиме передачи. Однако при этом имеет место и максимальное значение уровня боковых лепестков диаграммы направленности: так, уровень первого бокового лепестка составляет -13,3 дБ. Поэтому для снижения уровня боковых лепестков диаграммы направленности применяют спадающее по определенному закону симметричное относительно центра апертуры амплитудное распределение поля. Так в [6, с. 34-38] приведены различные законы амплитудного распределения поля на апертуре антенны, обеспечивающие различные соотношения между уровнем боковых лепестков и коэффициентом использования площади апертуры антенны. Предложение использовать центральный ППМ в качестве опорного позволяет задать любой симметричный закон амплитудного распределения поля на апертуре и обеспечить оптимальное, для конкретной сигнальной и помеховой радиоэлектронной обстановки, соотношение между коэффициентом направленного действия антенны и уровнем боковых лепестков диаграммы направленности.To solve these problems, the calibration of the receiving channels of the receiving and transmitting modules is carried out in pairs in the receiving mode, while the control signal is removed from the outputs of the receiving channels of the receiving and transmitting modules, the calibration of the transmitting channels of the receiving and transmitting modules is carried out in pairs, while the control signal is removed from the outputs of the transmitting channels of the receiving and transmitting modules; during the calibration process, the phase shift is measured and the amplitudes of the signals from the outputs of the calibrated receiving and transmitting modules are compared in relative amplitude and phase of the signal at the output of the reference receiving-transmitting unit. Based on the results of comparing the amplitudes and phases of the output signals of the receiving and transmitting channels of each calibrated APM AFM with the amplitude and phase of the output signals of the corresponding channels of the reference APM, correction signals are generated that are used to adjust the parameters of the receiving and transmitting channels of calibrated transmit-receive AFAR modules, moreover, the calibration of the receiving and transmitting channels APM AFAR is carried out separately, i.e. when calibrating the receiving channel, the control signal passes only through the elements of the receiving channel of the corresponding calibrated APM, and when calibrating the transmitting channel, the control signal passes only through the elements of the transmitting channel of the calibrated PPM AFAR, which eliminates the influence of the parameters of the receiving channel (in particular, the phase shifter and attenuator of the receiving channel) calibration results of the transmitting channel of the calibrated MRP, which leads to an increase in the accuracy of calibration of the transmitting channels of the calibrated MRP equal to the calibration method of the prototype. In addition, the central APM AFAR is selected as a reference, i.e. located in the center of the AFAR aperture, which allows for calibrating the AFAR to calibrate the transmit and receive channels of the calibrated PPM in such a way as to ensure the required law of the amplitude distribution of the field on the AFAR aperture both in the transmission mode and in the reception mode to ensure the optimal ratio between the directional coefficient the actions of the antenna and the level of the side lobes of the radiation pattern. A comparative analysis of the claimed method for calibrating the active phased array and prototype shows that the claimed method differs in that, firstly, in the prototype, when calibrating the transmitting channel of each APM AFAR, the control signal passes not only through the elements of the transmitting channel, but also through the elements of the receiving channel bypassing the low-noise amplifier, while the control elements of the complex gain of the receiving channel introduce an error in the calibration results of the transmitting channel, which leads to zheniyu calibration accuracy of transmission channels kalibriruemyh MRP APAA. In the claimed method, the calibration of the receiving and transmitting channels of the PPM is performed independently of one another, i.e. when calibrating the receiving channel, the control signal passes only through the elements of the corresponding receiving channel, and when calibrating the transmitting channel, the control signal passes only through the elements of the transmitting channel, which excludes the influence of the adjustment elements of the receiving channel on the adjustment of the parameters of the transmitting channel, which leads to an increase in accuracy calibration of the transmitting channels calibrated APM AFAR. In addition, the independent calibration of the transmitting and receiving channels of the APM AFAR extends the range of possible applications of the calibration method, i.e. It can be used not only for calibration of transmitting and receiving AFARs, but also for calibration of both transmitting and receiving AFARs. Secondly, in the prototype, any module (for example, the first) is used as a reference transmitting and receiving module, which implies ensuring the same values of the complex transmission coefficients of the transmitting and receiving channels of all PPMs, i.e. uniform amplitude-phase distribution of the field at the antenna aperture in both transmission and reception modes. In this case, as is known from the theory of antennas, the utilization factor of the antenna aperture area is unity, i.e. the maximum value of the effective area of the antenna, which is important when the antenna is in reception mode, and the maximum value of the directional coefficient, which is important when the antenna is in transmission mode. However, at the same time, the maximum value of the level of the side lobes of the radiation pattern also takes place: for example, the level of the first side lobe is -13.3 dB. Therefore, to lower the level of the side lobes of the radiation pattern, the amplitude field distribution that is symmetrical with respect to the center of the aperture and decreases according to a certain law is used. So in [6, p. 34-38], various laws of the amplitude field distribution at the antenna aperture are provided, which provide various relationships between the level of the side lobes and the utilization factor of the antenna aperture area. The proposal to use the central MRP as a reference allows you to set any symmetric law of the amplitude field distribution at the aperture and provide the optimal ratio for the directional coefficient of the antenna action and the level of the side lobes of the radiation pattern for a specific signal and interference electronic environment.

Техническим результатом изобретения является повышение точности калибровки передающих каналов ППМ АФАР, обеспечение оптимального для конкретной радиоэлектронной обстановки соотношения между коэффициентом направленного действия антенны и уровнем боковых лепестков ее диаграммы направленности, а также расширение области применения способа калибровки.The technical result of the invention is to increase the accuracy of calibration of the transmitting channels of the AFM AFAR, to ensure the optimal ratio for the specific electronic environment of the ratio between the directional coefficient of the antenna and the level of the side lobes of its radiation pattern, as well as expanding the scope of the calibration method.

Сущность изобретения иллюстрируется фигурой 1, на которой приведена структурная схема устройства, реализующего заявленный способ калибровки АФАР.The invention is illustrated in figure 1, which shows a structural diagram of a device that implements the claimed method for calibrating AFAR.

По предлагаемому способу выполняют следующую последовательность операций: для калибровки приемных каналов подают контрольный сигнал на вход приемного канала в режиме приема каждого приемно-передающего модуля, при этом контрольный сигнал проходит только через приемные каналы всех ППМ; сравнивают по очереди параметры сигналов с выходов всех калибруемых приемных каналов ППМ с параметрами сигнала на выходе приемного канала опорного ППМ, при этом измеряют разность фаз и отношение амплитуд, формируют на основе измерений корректирующие коэффициенты для приемного канала каждого ППМ, которые используются для регулировки комплексных коэффициентов передачи приемных каналов калибруемых ППМ, реализующих заданный закон амплитудно-фазового распределения поля на апертуре АФАР в режиме приема; для калибровки передающих каналов подают контрольный сигнал на вход передающего канала в режиме передачи каждого приемно-передающего модуля, при этом контрольный сигнал проходит только через передающие каналы всех ППМ; сравнивают по очереди параметры сигналов с выходов всех калибруемых передающих каналов ППМ с параметрами сигнала на выходе передающего канала опорного ППМ, при этом измеряют разность фаз и отношение амплитуд, формируют на основе измерений корректирующие коэффициенты для передающего канала каждого ППМ, которые используются для регулировки комплексных коэффициентов передачи передающих каналов калибруемых ППМ, реализующих заданный закон амплитудно-фазового распределения поля на апертуре АФАР в режиме передачи. При этом очередность калибровки передающих и приемных каналов ППМ АФАР не имеет значения, так как их калибровка проводится независимо одна от другой.The proposed method performs the following sequence of operations: for calibrating the receiving channels, a control signal is supplied to the input of the receiving channel in the receive mode of each receiving and transmitting module, while the control signal passes only through the receiving channels of all the control channels; compare in turn the parameters of the signals from the outputs of all calibrated receiving channels of the PPM with the signal parameters at the output of the receiving channel of the reference PPM, while measuring the phase difference and the ratio of the amplitudes, forming, based on the measurements, correction factors for the receiving channel of each PPM, which are used to adjust the complex transmission coefficients receiving channels of calibrated MRP that implement the specified law of the amplitude-phase field distribution at the AFAR aperture in the reception mode; for calibration of the transmitting channels, a control signal is supplied to the input of the transmitting channel in the transmission mode of each receiving and transmitting module, while the control signal passes only through the transmitting channels of all the control channels; one compares in turn the parameters of the signals from the outputs of all calibrated PPM transmitting channels with the signal parameters at the output of the transmitting channel of the reference PPM, while the phase difference and amplitude ratio are measured, and correction coefficients for the transmitting channel of each PPM are formed based on the measurements, which are used to adjust the complex transmission coefficients transmitting channels of calibrated MRP that implement the specified law of the amplitude-phase field distribution at the AFAR aperture in the transmission mode. In this case, the sequence of calibration of the transmitting and receiving channels of the APM AFAR does not matter, since their calibration is carried out independently of one another.

Устройство для калибровки АФАР содержит N одинаковых приемно-передающих модулей 1 с излучателями 2, общий для всех ППМ коммутатор 3, блок управления 4 и делитель мощности 6. Входы общего коммутатора 3 с нулевого по (N-1)-й соединены с выходами соответствующих ППМ, первый и второй выходы, а также управляющий вход общего коммутатора 3 соединены с первым и вторым измерительными входами и первым управляющим выходом блока управления 4. Второй выход блока управления 4 посредством магистрали управления АФАР 5 (на фиг. 1 показана жирной линией) соединен с управляющими входами каждого ППМ. Третий выход блока управления 4 соединен с входом делителя мощности 6, выходы которого с нулевого по (N-1)-й соединены с входами соответствующих ППМ. Общий коммутатор 3, блок управления 4 и делитель мощности 6 выполнены и работают так же, как и соответствующие блоки прототипа. Каждый ППМ содержит первый коммутатор 7, вход которого является входом ППМ, первый выход подключен к последовательно соединенным первому фазовращателю 8, первому аттенюатору 9, усилителю мощности 10, циркулятор 11, направленный ответвитель 12, и излучатель 2. Второй выход циркулятора 11 подключен к последовательно соединенным малошумящему усилителю 13, второму аттенюатору 14, второму фазовращателю 15, первому входу дополнительного коммутатора 16, второй вход которого соединен с выходом второго коммутатора 17, а выход дополнительного коммутатора 16 является выходом ППМ. Контрольный двунаправленный вход-выход направленного ответвителя 12 соединен с первым двунаправленным входом-входом второго коммутатора 17, а второй вход второго коммутатора 17 соединен со вторым выходом первого коммутатора 7. Первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой выходы контроллеров 18 в каждом ППМ соединены с управляющими входами первого коммутатора 7, второго коммутатора 17, дополнительного коммутатора 16, первого фазовращателя 8, первого аттенюатора 9, второго фазовращателя 15 и второго аттенюатора 14 (указанные связи на схеме не показаны, чтобы не загромождать чертеж). Вход и выход интерфейса управления контроллера 18 соединены через трансивер 19 с магистралью управления АФАР. Отличительными признаками заявленного устройства от устройства по прототипу являются: включение в состав каждого ППМ дополнительного коммутатора 16, его связи с выходом второго фазовращателя 15, с выходом ППМ, с выходом второго коммутатора 17, второй вход которого связан со вторым выходом первого коммутатора 7, первый выход которого соединен со входом первого фазовращателя, а вход является входом ППМ. Указанные отличия обеспечивают калибровку передающего канала каждого ППМ независимо от результатов калибровки соответствующего приемного канала, что исключает влияние приемного канала на результаты калибровки передающего канала, что приводит к повышению точности калибровки передающего канала каждого ППМ по сравнению с прототипом. Устройство, реализующее предлагаемый способ калибровки АФАР, работает следующим образом. Очередность калибровки приемного и передающего каналов в каждом ППМ в отличие от прототипа не имеет значения, так как они проводятся независимо одна от другой. Первый коммутатор 7, второй коммутатор 17 и дополнительный коммутатор 16 обеспечивают прохождение контрольного сигнала при калибровке передающего канала только через элементы передающего канала, а при калибровке приемного канала - только через элементы приемного канала, о чем подробнее излагается ниже. При калибровке передающего канала контрольный сигнал с выходов делителя мощности 6 поступает на соответствующие входы опорного и (N-1) калибруемых ППМ, проходит через первый коммутатор 7, первый фазовращатель 8, первый аттенюатор 9, усилитель мощности 10, циркулятор 11, направленный ответвитель 12, второй коммутатор 17, дополнительный коммутатор 16 и поступает через коммутатор 3 на измерительные входы блока управления 4. При прохождении контрольного сигнала через передающий канал i-го калибруемого ППМ он приобретает сдвиг по фазе

и амплитуду

. Аналогично при прохождении через передающий канал опорного (нулевого) ППМ он приобретает сдвиг по фазе

и амплитуду

. В блоке управления 4 определяется разность фаз

между сигналами на выходах передающего канала i-го калибруемого ППМ и опорного (нулевого) ППМ

и отношение амплитуд в децибелахThe AFAR calibration device contains N identical transmit-receive modules 1 with emitters 2, a switch 3 common to all MRPs, a control unit 4 and a power divider 6. The inputs of the general switch 3 from zero to (N-1) -th are connected to the outputs of the corresponding MRP , the first and second outputs, as well as the control input of the common switch 3 are connected to the first and second measuring inputs and the first control output of the control unit 4. The second output of the control unit 4 via the AFAR control line 5 (shown in bold in Fig. 1) is connected to the governing inputs of each MRP. The third output of the control unit 4 is connected to the input of the power divider 6, the outputs of which are from zero to (N-1) -th connected to the inputs of the respective PPM. The common switch 3, the control unit 4 and the power divider 6 are made and work in the same way as the corresponding blocks of the prototype. Each PPM contains a first switch 7, the input of which is the input of the PPM, the first output is connected to the first phase shifter 8, the first attenuator 9, the power amplifier 10, the circulator 11, the directional coupler 12, and the emitter 2 in series. The second output of the circulator 11 is connected to the series connected low-noise amplifier 13, the second attenuator 14, the second phase shifter 15, the first input of the additional switch 16, the second input of which is connected to the output of the second switch 17, and the output of the additional switch 16 is the output of the MRP. The control bidirectional input-output of the directional coupler 12 is connected to the first bidirectional input-input of the second switch 17, and the second input of the second switch 17 is connected to the second output of the first switch 7. The first, second, third, fourth, fifth, sixth and seventh outputs of the 18 v controllers each MRP is connected to the control inputs of the first switch 7, the second switch 17, the additional switch 16, the first phase shifter 8, the first attenuator 9, the second phase shifter 15 and the second attenuator 14 (these connections on Heme not shown, to avoid cluttering the drawing). The input and output of the control interface of the controller 18 are connected via a transceiver 19 to the AFAR control line. Distinctive features of the claimed device from the device of the prototype are: the inclusion of each PPM additional switch 16, its connection with the output of the second phase shifter 15, with the output of the PPM, with the output of the second switch 17, the second input of which is connected with the second output of the first switch 7, the first output which is connected to the input of the first phase shifter, and the input is the input of the PPM. These differences ensure the calibration of the transmitting channel of each PPM regardless of the calibration results of the corresponding receiving channel, which eliminates the influence of the receiving channel on the calibration results of the transmitting channel, which leads to an increase in the accuracy of calibration of the transmitting channel of each PPM in comparison with the prototype. A device that implements the proposed method for calibrating AFAR, works as follows. The sequence of calibration of the receiving and transmitting channels in each MRP, unlike the prototype, does not matter, since they are carried out independently of one another. The first switch 7, the second switch 17 and the additional switch 16 provide the control signal when calibrating the transmitting channel only through the elements of the transmitting channel, and when calibrating the receiving channel only through the elements of the receiving channel, which is described in more detail below. When calibrating the transmitting channel, the control signal from the outputs of the power divider 6 is supplied to the corresponding inputs of the reference and (N-1) calibrated PMD, passes through the first switch 7, the first phase shifter 8, the first attenuator 9, power amplifier 10, circulator 11, directional coupler 12, the second switch 17, the additional switch 16 and enters through the switch 3 to the measuring inputs of the control unit 4. When the control signal passes through the transmitting channel of the i-th calibrated PPM, it acquires a phase shift

and amplitude

. Similarly, when the reference (zero) PPM passes through the transmitting channel, it acquires a phase shift

and amplitude

. The control unit 4 determines the phase difference

between the signals at the outputs of the transmitting channel of the i-th calibrated PPM and the reference (zero) PPM

and the ratio of amplitudes in decibels

где

- коэффициент амплитудного распределения поля на апертуре АФАР, обеспечивающего заданное соотношение между коэффициентом направленного действия антенны и уровнем боковых лепестков диаграммы направленности в режиме передачи. Результаты вычислений

и

из блока управления 4 по магистрали управления АФАР 5 через трансивер 19 поступают в контроллер 18, где формируются цифровые команды управления первым фазовращателем 8 и первым аттенюатором 9. При калибровке приемного канала контрольный сигнал с выходов делителя мощности 6 поступает на соответствующие входы опорного и калибруемых ППМ, проходит через первый коммутатор 7, второй коммутатор 17, направленный ответвитель 12, циркулятор 11, малошумящий усилитель 13, второй аттенюатор 14, второй фазовращатель 15, дополнительный коммутатор 16 и поступает через коммутатор 3 на измерительные входы блока управления 4. Во время прохождения через приемный канал i-го калибруемого ППМ он приобретает сдвиг по фазе

и амплитуду

между сигналами на выходах приемного канала i-го калибруемого ППМ и опорного (нулевого) ППМ

и отношение амплитуд в децибелахWhere

- the coefficient of the amplitude distribution of the field on the aperture of the AFAR, providing a predetermined ratio between the directional coefficient of the antenna and the level of the side lobes of the radiation pattern in transmission mode. Calculation results

and

from the control unit 4 through the AFAR control line 5 through the transceiver 19 they enter the controller 18, where digital control commands are generated by the first phase shifter 8 and the first attenuator 9. When calibrating the receiving channel, the control signal from the outputs of the power divider 6 is fed to the corresponding inputs of the reference and calibrated PMD, passes through the first switch 7, the second switch 17, the directional coupler 12, the circulator 11, the low-noise amplifier 13, the second attenuator 14, the second phase shifter 15, the additional switch 16 and comes Through the switch 3 to the measuring inputs of the control unit 4. While passing through the receiving channel of the i-th calibrated PPM, it acquires a phase shift

and amplitude

. The control unit 4 determines the phase difference

between the signals at the outputs of the receiving channel of the i-th calibrated PPM and the reference (zero) PPM

and the ratio of amplitudes in decibels

где

- коэффициент амплитудного распределения поля на апертуре АФАР, обеспечивающего заданное соотношение между коэффициентом направленного действия антенны и уровнем боковых лепестков диаграммы направленности в режиме приема. Результаты вычислений

и

по магистралям управления АФАР 5 через трансивер 19 поступают в контроллер 18, где формируются цифровые команды управления вторым фазовращателем 15 и вторым аттенюатором 14.Where

- the coefficient of the amplitude distribution of the field on the aperture of the AFAR, providing a predetermined ratio between the directional coefficient of the antenna and the level of the side lobes of the radiation pattern in the reception mode. Calculation results

and

AFAR control lines 5 through the transceiver 19 enter the controller 18, where digital control commands are generated by the second phase shifter 15 and the second attenuator 14.

Данный способ калибровки АФАР обеспечивает повышение точности калибровки передающего канала калибруемого ППМ, установку симметричного относительно центра апертуры АФАР закона амплитудного распределения поля на апертуре для достижения заданного (оптимального) соотношения между коэффициентом направленного действия и уровнем боковых лепестков диаграммы направленности.This method of calibrating the AFAR provides an increase in the accuracy of calibration of the transmitting channel of the calibrated PPM, setting the law of amplitude distribution of the field at the aperture symmetric with respect to the center of the APA aperture to achieve a predetermined (optimal) ratio between the directional coefficient and the level of the side lobes of the radiation pattern.

Источники информации, использованные при составлении заявки:Sources of information used in the preparation of the application:

1. Бубнов Г.Г., Никулин С.М., Серяков Ю.Н., Фурсов С.А. Коммутационный способ измерения характеристик фазированных антенных решеток. - М.: Радио и связь, 1988 г. - 120 с.1. Bubnov G.G., Nikulin S.M., Seryakov Yu.N., Fursov S.A. Switching method for measuring the characteristics of phased array antennas. - M .: Radio and communications, 1988 - 120 p.

2. Патент РФ №2169376, G01R 29/10. Способ встроенного контроля характеристик фазированной антенной решетки / A.M. Голик, Д.Н. Заговенков, Ю.А. Клейменов, В.А. Кондрашин, Ф.И. Рябокобыла - №99126339/09; Заявлено 16.12.1999. - Опубликовано 20.06.2001.2. RF patent No. 2169376, G01R 29/10. The method of integrated control of the characteristics of a phased array / A.M. Golik, D.N. Zagovenkov, Yu.A. Kleimenov, V.A. Kondrashin, F.I. Ryabokobyla - No. 99126339/09; Declared December 16, 1999. - Published on June 20, 2001.

3. Патент РФ №2147753, G01S 7/40. Способ калибровки антенной решетки / Б.Г. Йоханиссон, У. Фарссен. - №97100131/09; Заявлено 01.06.1995. - Опубликовано 20.04.2000.3. RF patent No. 2147753, G01S 7/40. The method of calibration of the antenna array / B.G. Johanisson, W. Farssen. - No. 97100131/09; Announced 06/01/1995. - Posted on 04/20/2000.

4. Патент РФ №2467346, G01S 7/40. Способ калибровки активной фазированной антенной решетки / В.В. Задорожный, А.Ю. Ларин. - №2011127436/08; Заявлено 04.07.2011. - Опубликовано 20.11.2012 (прототип).4. RF patent No. 2467346, G01S 7/40. A method for calibrating an active phased array antenna / V.V. Zadorozhny, A.Yu. Larin. - No. 2011127436/08; Announced July 4, 2011. - Published on November 20, 2012 (prototype).

5. Шишов Ю.А., Ворошилов В.А., Ясенков Т.В. Особенности калибровки приемных антенных решеток РЛС дальнего обнаружения. - Труды XXVIII Всероссийского симпозиума «Радиолокационное исследование природных сред» // Том 2, СПб, ВКА имени А.Ф. Можайского, 2013 г., с. 127-135.5. Shishov Yu.A., Voroshilov V.A., Yasenkov T.V. Features of calibration of receiving antenna arrays of early warning radars. - Proceedings of the XXVIII All-Russian Symposium "Radar Research of Natural Environments" // Volume 2, St. Petersburg, All-Russian Academy of Aviation named after A.F. Mozhaysky, 2013, p. 127-135.

6. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток. / Под ред. Д.Н. Воскресенского. - М.: Радио и связь, 1994 г. - 592 с.6. Antennas and microwave devices. Designing phased array antennas. / Ed. D.N. Voskresensky. - M .: Radio and communications, 1994 - 592 p.

Claims

1. A method for calibrating a transmit-receive active phased array antenna (AFAR), in which to calibrate the receive channels of transmit-receive modules (PPM), a sinusoidal control signal with a frequency in the operating frequency range of the AFAR and with an amplitude in the range of the possible values of the signal amplitudes at the inputs of the receiving channels when the AFAR is operating in the normal mode, based on a comparison of the amplitudes and phases of the output signals of the receiving channels of the calibrated MRP with the amplitude and phase of the receiving signal of the reference PPM channel, correcting signals are generated, which are used to adjust the complex transmission coefficients of the receiving channels of calibrated PPM, similarly, for the calibration of the transmission channels of the PPM, a sinusoidal control signal with a frequency in the operating frequency range of the AFAR and with an amplitude in the range of possible amplitudes is fed to the inputs of the transmission channels of all PPM calibrate the signals at the inputs of the transmitting channels during operation of the AFAR in the normal mode, based on a comparison of the amplitudes and phases of the output signals of the transmitting channels x PPM with amplitude and phase of the output signal of the transmitting channel of the reference PPM generate correction signals that are used to adjust the complex transmission coefficients of the transmit channels of the calibrated PPM, characterized in that the calibration of the transmit channels is carried out independently of the calibration of the receiving channels, as the reference is used PPM located in AFAR aperture center, and correction signals for adjusting the complex transmission coefficients of the receiving and transmitting channels of the MRP are formed taking into account Ia desired law field amplitude distribution at the aperture AFAR in receive and transmit modes.

2. A device for calibrating a receiving and transmitting AFAR containing N identical PPMs with emitters, a commutator common to all PPMs, a control unit and a power divider, with N inputs of a common switch connected to the outputs of the corresponding PPMs, and its first and second outputs, as well as the control the input is connected to the first and second measuring inputs and the first control output of the control unit, respectively, in which the output of the control unit via the AFAR control line is connected to the control inputs of each MRP, which the turn are the inputs of the PPM transceivers, and their outputs are connected to the inputs of the PPM controllers, the control outputs of which are connected to the control inputs of the phase shifters, attenuators and switches of the PPM, the third output of the control unit is connected to the input of the power divider, N outputs of which are connected to the inputs of the corresponding PPM, which are in turn, are the inputs of the first switches of each PPM, the first outputs of which are connected to the first phase shifter, the first attenuator and the power amplifier, connected in series, the output of which horn is connected to the input of the circulator, the bi-directional input-output of which is connected to the bi-directional input-output of the directional coupler, the first output of which is connected to the emitter, the second output of the circulator is connected to the low-noise amplifier, the second attenuator and the second phase shifter in series, characterized in that each PPM introduced an additional switch, the output of which is the output of the PPM, the first input is connected to the output of the second phase shifter, and the second input is connected to the second output of the second about the switch, the first bidirectional input-output of the second switch is connected to the control bidirectional input-output of the directional coupler, and the input is connected to the second output of the first switch, the input of which is the input of the control panel, and the output is connected to the input of the first phase shifter.