Фазированные антенные решетки и их назначение. Калибровка и контроль ФАР

1. Структура курса

• Введение
– Фазированные антенные решетки и их назначение
• Теория ФАР
– Основные характеристики ФАР
– Диаграммоформирование в ФАР
• Техника ФАР
– Схемы возбуждения ФАР
– Принципы конструирования ФАР
• надежность ФАР
• принципы управления ФАР
– Калибровка и контроль ФАР
1

2. Калибровка и контроль ФАР

• Калибровка есть процесс определения
характеристик каналов ФАР, участвующих в
алгоритмах диаграммоформирования
• Диагностика есть процесс определения
неисправностей составных частей ФАР
2

3. Основное соотношение управления ФАР (фаза)

2
uxi vyi i0
i
x, y
u, v
i0
- длина волны
- координаты элемента
- направляющие косинусы
- начальная фаза канала
3

4. Основное соотношение управления ФАР (амплитуда)

Ai0 Ai A( xi , yi )(dB) const
Ai0 - начальная амплитуда коэффициента передачи канала (дБ)
Ai - управляемая амплитуда коэффициента передачи канала (дБ)
A( xi , yi )(dB )
- требуемое амплитудное распределение (дБ)
4

5. Калибровка с последовательным отключением каналов

Источник
К векторному детектору
сигнала
Развинтить антенну непросто, но в активных антеннах каналы можно отключать
Необходима когерентность измерений, но ее трудно обеспечить
Метод идеален для приемных цифровых антенн
5

6. Калибровка с помощью зонда

Источник
К векторному
детектору сигнала
Зонд надвигается на каждый элемент непосредственно
Если зонд недостаточно близко – мешают сигналы соседних каналов.
6

7. Ручные измерения – зло

• Ручная перестыковка – источник ошибок
• Ручное позиционирование – источник ошибок
• Человеческая усталость – источник ошибок
7

8. Калибровка методом переключений

Источник
К детектору сигнала
.
Зонд неподвижен относительно антенны, при необходимости учитывается набег по эфиру
Выделение сигнала канала производится манипуляцией фазовращателя канала(лов).
Могут быть альтернативные методы впрыска контрольного сигнала в апертуру
8

9. Что нужно выбрать при разработке метода калибровки:

Как часто будет проводиться калибровка
Как доставить контрольный сигнал
Как измерять суммарный сигнал
(амплитуда или еще и фаза)
Как управлять фазовращателями каналов
Как обрабатывать данные
Дополнительные особенности - для многоканальных антенн
9

10. Как часто производить калибровку

Один раз за жизненный цикл (гарантийный срок)
После ремонта и замены модуля
Перед каждым сеансом
Регулярно через определенное время
Несколько раз на протяжении сеанса.
• Главный вопрос – нужна ли встроенная система калибровки
10

11. Как доставить контрольный сигнал?

11

12. Вышка с источником сигнала

12

13. Зонд в ближнем поле - схема

To N.A.
13

14. Зонд в ближней зоне

14

15. Вид с зонда

To N.A.
15

16. Вид с элемента

16

17. На выносной штанге

17

18. На поверхности Земли (спутник)

18

19. Калибровка по небесным источникам

• Звезды
• Солнце
• Спутники
19

20. Дополнительные элементы - зонды

20

21. Взаимная связь между элементами

21

22. Внутреннее отражение от излучателей

Нет картинки
22

23. Линии доставки сигнала в апертуру (проволока)

23

24. Специальная система доставки сигнала

radiation
E
С
φ
PA
φ
PA
φ
φ
PA
PA
φ
PA
φ
D
PA
В
Divider
A
24

25. Специальная система доставки сигнала

Rx
Cal. combiner
...
Divider
2:1
Freq conversion
TX APAA
Cal. divider
Tx
...
Rx APAA
Cal. Generator
Cal. Detector
Combiner
2:1
Antenna
Antenna input
Antenna output
25

26. Еще варианты

26

27.

Основной принцип калибровки по контрольным
цепям
Перед первым использованием:
Определить начальные длины по эфиру i far
cntr
Определить начальные длины по контрольным цепям i
far
cntr
Вычислить разность i i i
Запомнить указанные величины
cntr
i
i i far
27

28.

Основной принцип калибровки по контрольным
цепям
После ремонта:
Начальные длины по эфиру определить нельзя
~ cntr
Определить начальные длины по контрольным цепям i
Вычислить начальные длины по эфиру ~i far ~icntr i
Предполагается, что начальные длины по эфиру
и по контрольным цепям меняются синхронно:
i i far icntr ~i far ~icntr
28

29. К вопросу выбора взаимного положения ФАР и зонда

• Определение зоны допустимого положения
зонда
• Определение требуемой точности задания
положения
• Учет влияния переотражений
29

30. Положение зонда через ДН элемента

30

31. Положение зонда через ДН элемента

31

32. Положение зонда через ДН зонда

32

33. К вопросу выбора взаимного положения ФАР и зонда

• Определение зоны допустимого положения
зонда
• Определение требуемой точности задания
положения
• Учет влияния переотражений
33

34. Ошибка в определении положения зонда

34

35. Дальнее расположение зонда

35

36. Ближнее расположение зонда

36

37. Ближнее расположение зонда

37

38. Искажение фазового распределения

1) Линейный член (поперек оси антенны) :
: отклонение
x
arcsin
zc
2) Квадратичный член (вдоль оси антенны) :
2
: искажение
z xi
( xi )
zc 2
3) Кубический член (поперек оси антенны) :
3
искажение
x xi
( xi )
zc 3
38

39. Смещение зонда вбок:

• Возникает линейная фазовая ошибка
• Это приводит к уходу положения луча
• Незначительная максимальная ошибка связана со
значительным уходом луча
• Уход луча можно определить по тангенсу отношения
• Уход не зависит от длины волны!!!
39

40. Искажение фазового распределения

1) Линейный член (поперек оси антенны) :
: отклонение
x
arcsin
zc
2) Квадратичный член (вдоль оси антенны) :
2
: искажение
z xi
( xi )
zc 2
3) Кубический член (поперек оси антенны) :
3
искажение
x xi
( xi )
zc 3
40

41. Искажение формы луча – уход вдоль

41

42. Искажение формы луча – уход поперек

42

43. Выводы

• Зонд желательно располагать над центром апертуры
(напротив центра)
• Зонд желательно располагать как можно дальше
• Первое, что нужно принимать во внимание – ошибку
установки луча
• Если ошибка установки луча не важна – требования к
точности могут быть существенно ослаблены
43

44. Привязка направления лазерной указкой

44

45. Привязка направления лазерной указкой

45

46. Трубка холодной пристрелки

46

47. Привязка направления трубкой холодной пристрелки

47

48. К вопросу об условии дальней зоны

Расстояние до края
D2
2
2
1
16 D 2
Разность хода
16
48

49. Искажение формы луча

49

50. Привязка зонда с помощью тахеометра

50

51. Привязка зонда с помощью тахеометра

51

52. Привязка плоскости апертуры и сканера

52

53. К вопросу выбора взаимного положения ФАР и зонда

• Определение зоны допустимого положения
зонда
• Определение требуемой точности задания
положения
• Учет влияния переотражений
53

54. Учет влияния переотражений

54

55. При амплитудно-фазовом управлении

• Диаграмма направленности ФАР становится равной сумме двух
диаграмм – основной и «ДН помехи»
• ДН помехи направлено симметрично направлению на
переотражение
• Амплитуда ДН помехи равна амплитуде отраженного сигнала
55

56. При чисто фазовом управлении

• Для чисто фазового управления «ДН помехи» две
• Они расположены симметрично относительно направления на
источник
• Их мощность вдвое меньше
• Они противоположны по фазе
56

57. Переотражения при близком расположении зонда

57

58. Форма помеховой диаграммы

0
-5
Расст ояние от пом ехи до аперт уры
дальняя зона
5L
1L
-10
F (дБ )
-15
-20
-25
-30
-35
-40
-10
0
10
20
30
Угол (градусы)
40
50
60
58

59. Методы борьбы с переотражениями

Установка поглощающих экранов
Подбор ДН зонда
Разворот ФАР нулем элемента на помеху
Увеличение высоты зонда
Калибровка в нескольких положениях и усреднение
59

60. Методы борьбы с переотражениями

60

61. Методы борьбы с переотражениями

61

62. Что нужно выбрать при разработке метода калибровки:

Как часто будет проводиться калибровка
Как доставить контрольный сигнал
Как измерять суммарный сигнал
(амплитуда или еще и фаза)
Как управлять фазовращателями каналов
Как обрабатывать данные
Дополнительные особенности - для многоканальных антенн
62

63. Простой поиск максимума сигнала

• Последовательно увеличивать фазу канала
• Измерять мощность поля
• Определить положение фазовращателя
с максимальным уровнем мощности
• Повторить для всех каналов
• Повторить несколько раз
• Очень просто
• Не нужна фаза сигнала
• Относительно долго
• Точность – до шага фазовращателя
• Для многоканальных ФАР не работает
63

64. Single channel, 180-degrees phase toggle

Phase measurement is used,
but calculation is very simple :
A Built-In Performance-Monitoring/Fault
Isolation and Correction (PM/FIC) System
for Active Phased-Array Antennas
Kuan-Min Lee, Ruey-Shi Chu, Sien-Chanliu
IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PKOPAGATION,
VOL. 41, NO. 11, NOVEMBER 1993
64

65. Single channel, 180-degrees phase toggle

Good:
No need to measure
phase
Bad:
Comparatively
complex procession
formulae (see article)
Phased Array Calibration
Ron Sorace
IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION,
VOL. 49, NO. 4, APRIL 2001
65

66. Метод кодирования контрольной последовательностью

Манипуляция фазой производится в соответствии со
значениями столбцов матрицы Адамара или другого набора
ортогональных кодов
• Изменение фазы всех каналов происходит синхронно и
одновременно
• Производится измерение нескольких, по числу элементов в
столбце, значений суммарного сигнала
• Для выделения сигнала канала, данные домножаются на
значения манипулирующей функции и суммируются.
66

67. 3. МТЕ Method (Method of Two Elements)

67

68. Сущность МТЕ

Все каналы кроме двух (опорного и
тестируемого) отключаются.
Фазовое состояние фазовращателя
(а значит, и фаза в канале)
тестируемого фазовращателя
последовательно приращается,
производятся измерения мощности
суммарного сигнала
Вычисляется начальная фаза и
амплитуда тестируемого канала, по
отношению к опорному
Тестируемый канал отключается,
подключается следующий канал.
Опорный канал тот же.
Вычисляется относительная
амплитуда и фаза второго канала
итд.
Im E
0
E
Eref
Etest
E0
|E|
Re E
min
0
0
arg Etest – arg Eref
68

69. Изменение суммарного сигнала

|E|
Im E
3
2
4
0
3
8=0
1
0
E
2
1
5
Eref
4
0
Etest
7
7
5
6
E0 6
min
Re E
0
0
arg Etest – arg Eref
69

70. МТЕ – простые формулы

E0 , dB
0 min
E test
E ref
1
( E max E min )
2
1
( E max E min )
2
1
Emax
0
-1
-2
-3
-4
for
E test E ref
-5
Emin
min
-6
0
45
90
135
180
225
270
315
360
Inserted phase, deg
70

71. Изменение суммарного сигнала

|E|
Im E
3
2
4
0
3
8=0
1
0
E
2
1
5
Eref
4
0
Etest
7
7
5
6
E0 6
min
Re E
0
0
arg Etest – arg Eref
71

72. МТЕ – точная формула

2
2
Pm Etest
Eref
2 Etest Eref cos( 0 m) Теорема косинусов
если
2
2
A Etest
E ref
тогда Pm A B cos( m) C cos( m)
B 2 Etest E ref cos( 0 )
C 2 Etest E ref sin( 0 )
Для оценки можем использовать дискретное преобразование Фурье
M 1
A Pm
m 0
M 1
B 2 Pm cos( m)
m 0
M 1
C 2 Pm sin( m)
m 0
окончательно
0 arg( B, C )
A
B2 C 2
2
2
Etest
Eref
Etest Etest
Etest Eref
Eref Etest
72

73. 4. REV Method (Rotating Electrical Vector)

73

74. Сущность REV

Im E
Все каналы включены
Для всех каналов, начинаем калибровку с
одного и того же набора состояний
фазовращателей
Состояние тестового канала
инкрементируется, как в МТЕ, остальных –
не меняется
В этом случае опорный сигнал – это
«суммарный без одного»
Опорный сигнал меняется от канала к
каналу, нужны дополнительные
вычисления
Комплексная сумма «опорный +
тестируемый» от канала к каналу не
меняется, так что вычисление возможно
0
Ei
E
E -1
= ( i- 0)
E0
E2
E1
Re E
74

75. Формулы REV

Im E
r
K
Emax
Emin
Г
r 1
r 1
Ei
Г
E0
1 2 Г cos 0 Г 2
0
Ei
E
E -1
arctg (
= ( i- 0)
sin 0
)
cos 0 Г
E0
E2
E1
Re E
75

76. От MTE к REV (альтернатива)

Для всех комбинаций опорного (тонкая линия) и тестируемого
(пунктир) сигналов, их сумма (толстая линия) - константа
Ну так пусть возьмем опорный за единицу, методом МТЕ
вычислим тестируемый (для каждого канала).
Затем вычислим комплексную сумму опорного и тестируемого
76

77.

От MTE к REV (альтернатива)
Нормируем суммарные вектора к константе (единице)
Масштабированием и доворотом
77

78.

От MTE к REV (альтернатива)
… а с ними и пары опорный - тестируемый
… теперь сигналы каналов можно сравнить друг с другом
(не забыть учесть начальное состояние)
78

79. Метод, может быть, и не оптимален, но удобен во многих отношениях

Удобно управлять (простой алгоритм)
Удобно измерять (только амплитуда)
Можно отложить калибровку и вернуться позже
Удобно искать отказавшие элементы
79

80. Поиск отказавшего элемента

P
сум м , д Б
2 9 .2
2 8 .8
2 8 .4
28
2 7 .6
2 7 .2
320
360
400
Т акт изм ерен ия
440
480
80

81. Оптимальность по критерию наименьшего квадрата

Модель фазовращателя:
Поле канала :
Мощность суммарного поля:
0 k
E A * exp 0 k
P 1 A * exp 0 k
2
Метод МТЕ позволяет найти такие амплитуду и начальную фазу,
что мощность суммарного поля модельной антенны наилучшим образом
соответствует набору измеренных мощностей
Начальная фаза по МТЕ - это не фаза в нулевом состоянии!!!
81

82. Начальная фаза - это не фаза в нулевом состоянии

Фазовращатель
Начальная фаза 0
0
90
180
270
Фазовращатель
10
90
180
260
Начальная фаза тоже 0 (ну, почти, но точно не 10)
82

83. Что нужно выбрать при разработке метода калибровки:

Как часто будет проводиться калибровка
Как доставить контрольный сигнал
Как измерять суммарный сигнал
(амплитуда или еще и фаза)
Как управлять фазовращателями каналов
Как обрабатывать данные
• Дополнительные особенности калибровки многоканальных антенн
83

84. Основная проблема калибровки многоэлементной ФАР

С увеличением количества каналов, амплитуда модуляций мощности
уменьшается
Допустим, до калибровки ФАР сфазирована в направлении источника сигнала
Каналов
10
100
1000
Модуляция
≈ 2 dB
≈ 0.2 dB
≈ 0.02 dB
Очевидно, что затруднительно калибровать антенну уже с 100 элементами, так
как вариации 0.1 дБ может быть трудно отследитьs
Невозможно калибровать многоэлементные ФАР без подготовки.
Метод REV нуждается в доработке
84

85. Основные подходы к калибровке многоканальных ФАР

Сигнал ФАР должен быть снижен
–
–
–
Отключением некоторых каналов или
Расфазировкой групп каналов для снижения суммарного сигнала групп или
Вся ФАР может быть расфазирована для снижения полного суммарного сигнала
Затем :
1-й подход
– Каналы ФАР условно разделяются на отдельные группы (подрешетки)
– Каналы внутри групп калибруются между собой,
– Группы целиком калибруются друг относительно друга, как единое целое
2-d подход
– Каналы ФАР условно разделяются на перекрывающиеся группы
– Каналы внутри групп калибруются между собой,
– Фазы между группами сшиваются через зоны перекрытия
3-d подход
– ФАР целиком калибруется за один или несколько проходов
85

86. Готовые подрешетки

86

87. Расфазировка в группах

Фаза каждого второго канала в группе инвертируется
Antenna aperture.
1
2
3
4
5
6
7
Row
com biner
32
Coaxial line
Column
com biner
SA1
Phase shifter
Coaxial line
SA2
Инверсия фазы
Противоречие: глубокое подавление сигнала
возможно только для хорошей начальной калибровки.
Так что, может быть удобно для перекалибровки после замены
87

88. Расфазировка всей ФАР (шаг 1)

Все каналы делятся на группы, примерно пополам
Фазы в каналах одной группы последовательно инкрементируются, измеряется
мощность суммарного сигнала
Выбирается управляющий набор состояний, обеспечивающий минимальную мощность
88

89. Расфазировка всей ФАР (шаг 2)

Каналы разделяются на две группы по другому, и все повторяется
89

90. Расфазировка всей ФАР

Чтобы хорошо перемешать каналы между группами, удобно применять
функцию Уолша
За несколько первых шагов сигнал резко падает, дальше снижается
медленно
На этом этапе, можно взять один какой-нибудь канал и
минимизировать по его состоянию
Остановиться следует тогда, когда вариации сигнала одного канала
составляют 0.5 – 2.5 dB
Рекомендуется загнать сигнал в ноль, потом максимизировать по 3-5
каналам
90

91. Основные подходы к калибровке многоканальных ФАР

Сигнал ФАР должен быть снижен
–
–
–
Отключением некоторых каналов или
Расфазировкой групп каналов для снижения суммарного сигнала групп или
Вся ФАР может быть расфазирована для снижения полного суммарного сигнала
Затем :
1-й подход
– Каналы ФАР условно разделяются на отдельные группы (подрешетки)
– Каналы внутри групп калибруются между собой,
– Группы целиком калибруются друг относительно друга, как единое целое
2-d подход
– Каналы ФАР условно разделяются на перекрывающиеся группы
– Каналы внутри групп калибруются между собой,
– Фазы между группами сшиваются через зоны перекрытия
3-d подход
– ФАР целиком калибруется за один или несколько проходов
91

92. 1-й подход: Калибруем каналы внутри групп

Работает только модуль 32, остальные «отключены
Калибруем его как 6-элементную антенну
Antenna aperture.
1
2
3
4
5
6
7
Row
com biner
32
Coaxial line
Column
com biner
SA1
SA2
Phase shifter
Coaxial line
Фаза инвертирована
92

93. 1-й подход: Группы калибруются друг относительно друга как единый канал

Колонки 1 и 4 «включены», остальные «отключены». Калибруем их МТЕ
методом
Antenna aperture.
1
2
3
4
5
6
7
Row
com biner
32
Coaxial line
Column
com biner
SA1
SA2
Phase shifter
Coaxial line
Инверсия фазы
93

94. 2-й подход: Группы перекрываются …

94

95. 2-й подход: совмещаем фазы используя перекрытие

100
100
120
120
170
170
60
60
80
90
110
180
180
190
210
280
110
120
130
150
80
90
110
180
10
20
30
50
95

96. 3-й подход: Вся антенна калибруется за один или несколько проходов

96

97.

97