24 Ноября 2016
Автор и должность
Константин Папилов, ведущий инженер
Отдел
ООО "Остек-Электро"
Издание
Вектор высоких технологий №7(28) 2016
Посмотреть в формате pdf

Радиолокация — одно из основных направлений военно-промышленного комплекса. Радиолокационные станции (РЛС) составляют основу противовоздушной обороны любой страны, поэтому поддержание в работоспособном состоянии действующих РЛС и создание новых, обладающих улучшенными характеристиками, представляет собой важную задачу. Развитие технологий малозаметности подвижных объектов, а также рост их скоростей предъявляют к радиолокаторам повышенные требования по точности и дальности.

Эффект отражения радиоволн от твердых тел впервые обнаружил немецкий физик Генрих Герц в 1886 году.

Однако лишь с активным развитием авиации в 30-х годах прошлого века радиолокация стала развиваться как полноценная научная отрасль.

Двадцать лет тому назад радиолокация подошла к рубежу, когда практически были исчерпаны резервы по мощности излучаемых сигналов, диапазону используемых частот, размерам апертуры антенн. И тогда еще более актуальными стали проблемы повышения информативности РЛС и их помехозащищенности, которые способствовали развитию оптимальных методов обработки радиолокационной информации. Начали внедрять радиолокационные системы с фазированными антенными решетками. Практически все антенные системы современных радиолокаторов — это фазированная антенная решетка (ФАР). В общем случае ФАР состоит из полотна излучателей и системы распределения фаз и амплитуд. Разработка антенной решетки является трудоемким процессом, который обычно проводится математическими методами. После расчета математической модели и изготовления на ее основе макета, необходимо провести измерения решетки или ее фрагмента. Чтобы подать на каждый антенный элемент сигнал с точно за- данным распределением фазы и амплитуды, требуется система питания с фазовращателями. Однако на этапе макетирования антенной решетки можно воспользоваться многоканальным фазокогерентным генератором, который позволит с высокой точностью установить необходимые значения фазы и амплитуды на каждом канале для формирования диаграммы направленности решетки и управления ею. Благодаря возможности по- добрать амплитуду и фазу по каждому каналу можно точно скорректировать параметры системы питания антенной решетки с учетом реальных измерений.

Многоканальные фазокогерентные системы приема и генерации представляют собой сложные комплексы, включающие как необходимый набор прецизионной измерительной аппаратуры, так и соответствующее программное обеспечение. Подбор подобной аппаратуры, написание программного обеспечения, а, зачастую, и создание уникальной технологической оснастки — сложная комплексная задача.

В статье мы рассмотрим пример реализации подобного решения, выполненного специалистами Остека для одного из предприятий, которое является разработчиком систем и средств государственного опознавания. Была реализована фазокогерентная система многоканального приема и генерации сигналов, построенная на базе оборудования в формате PXI. Все необходимое программное обеспечение для управления системой и анализа данных было написано в среде графического программирования LabVIEW. Разработанную систему разместили в двух стандартных 19-дюймовых шкафах (РИС.1).

В одном шкафу размещен многоканальный фазокогерентный генератор, в другом — многоканальный анализатор сигналов.

Характеристики системы фазокогерентной генерации:

  • количество каналов: 4;
  • частотный диапазон: от 85 МГц до 12 ГГц;
  • полоса пропускания: 100 МГц;
  • выходная мощность: до 10 дБм;
  • фазовый шум на частоте 1 ГГц и отстройке от не- сущей 10 кГц: −112 Дбн/Гц.

Характеристики системы фазокогерентного анализа сигналов:

  • количество каналов: 4;
  • частотный диапазон: от 20 Гц до 14 ГГц;
  • мгновенная полоса пропускания: 50 МГц;
  • фазовый шум на частоте 1 ГГц и отстройке от не- сущей 10 кГц: −112 Дбн/Гц;
  • типовое значение среднего уровня шумов на ча- стоте 1 ГГц: −158 дБм/Гц.

Одной из особенностей данной системы является высокая стабильность разностей фаз между каналами. В традиционных многоканальных системах общим является опорный 10-мегагерцовый сигнал, который приходит на канальные гетеродины (РИС.2).

В описываемой системе используется один гетеродин на все каналы (РИС.3). Данный метод позволяет избежать погрешностей, связанных с тем, что параметры гетеродинов от канала к каналу могут варьироваться.

В итоге, при использовании схемы с общим гетеродином, стабильность фазы составляет порядка 0,01°, тогда как в традиционной схеме с общей опорой — 0,2° (РИС.4). Также при использовании схемы с общим гетеродином удается снизить влияние фазовых шумов на фазовую стабильность системы.

Комплекс когерентного приема и генерации сигналов может использоваться в широком спектре радиолокационных приложений:

  • характеризация ФАР/АФАР, формирование диаграмм направленности антенных решеток;
  • имитация фоновой радиообстановки;
  • отработка алгоритмов цифровой обработки сигналов на ПЛИС;
  • тестирование ППМ.

Как уже было сказано, антенная решетка состоит из множества антенных элементов, их количество может достигать десятков тысяч. Антенные элементы, в свою очередь, подсоединены к приемопередающим модулям (ППМ). Приёмопередающий модуль — это основа пространственного канала обработки сигнала в АФАР, в его состав входит активный элемент — усилитель, который делает это устройство электродинамически невзаимным. Поэтому для обеспечения работы устройства как на приём, так и на передачу, в нём разделяют передающий и приёмный каналы. Разделение осуществляется либо коммутатором, либо циркулятором (РИС.5).

Количество ППМ в антенной решетке также доходит до тысяч единиц. При сборке всей АФАР необходимо проверить каждый ППМ. Так как ППМ является сложным техническим устройством, количество проверяемых параметров может быть свыше десятка, а тестирование всех ППМ для одной АФАР может потребовать десятки миллионов измерений и несколько недель тестового времени. Таким образом, проверка всех ППМ антенной решетки — рутинный и трудоемкий процесс. На базе оборудования и программного обеспечения NI можно создать автоматизированные рабочие места (АРМ) для тестирования ППМ, их применение позволит значительно снизить стоимость и время тестирования.

Рассмотрим типовой список параметров ППМ, которые проверяются согласно ТУ. Условно их можно разде- лить на три группы: тесты общего плана, тестирование приемного тракта и тестирование передающего тракта. Тесты общего плана:

  • инициализация устройства, обмен командами по заданному протоколу;
  • запись информации в EEPROM;
  • считывание показаний датчика температуры, эмуляция показаний датчика в случае перегрева;
  • измерение потребляемой мощности;
  • проверка работы и калибровка фазовращателей.

1. Тестирование приемного тракта:

  • коэффициент передачи и отражения;
  • нестабильность коэффициента передачи;
  • коэффициент шума;
  • коэффициент усиления;
  • точка интермодуляции третьего порядка;
  • минимальная скважность;
  • неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ);
  • верхняя граница линейности АЧХ по входу.

2. Тестирование передающего тракта:

  • КПД;
  • точка компрессии;
  • параметры фронтов огибающей выходного импульса;
  • уровень гармоник;
  • выходная импульсная мощность;
  • неравномерность АЧХ;
  • задержка фронта выходного импульса относительно фронта входного;
  • допустимое изменение фазы выходного сигнала за промежуток времени;
  • электрическая длина;
  • побочные внеполосные излучения.

На базе платформы PXI можно реализовать АРМ для тестирования ППМ по указанным выше параметрам. В общем случае АРМ включает следующий набор приборов: анализатор спектра, генератор сигналов, предусилитель, осциллограф, анализатор цепей, подсистему коммутации, сумматоры, аттенюаторы, интерфейс управления. Благодаря концепции модульной системы АРМ имеет компактный размер, а входящие в него приборы управляются единым контроллером на базе производительного ЦПУ. Все перечисленные выше приборы внесены в Государственный реестр средств измерения. Интерфейс взаимодействия оператора с АРМ и программа управления создаются при помощи среды графического программирования LabVIEW. Созданное в данной среде программное обеспечение имеет открытый код, что позволяет пользователям изменять и усовершенствовать ПО, а также создавать собственное.

Преимущества использования АРМ для тестирования ППМ:

  • максимальная оптимизация времени тестирования;
  • оптимизация цены, низкая стоимость владения;
  • коэффициент автоматизации = 1;
  • минимизация человеческого фактора;
  • минимальные сроки разработки и внедрения АРМ;
  • высокая эргономика АРМ;
  • оборудование и ПО от единого поставщика, возможность разработки системы «под ключ»;
  • техническая поддержка на русском языке, программы обучения самостоятельному программированию.

Применение модульных приборов формата PXI, а также соответствующее программное обеспечение дают возможность оснастить лаборатории разработчиков и рабочие места на производстве всеми необходимыми инструментами, позволяющими существенно повысить точность измерений и сократить время тестирования как макетов, так и готовой продукции.

Специалисты Остека и партнеры компании готовы разработать решение «под ключ», удовлетворяющее всем потребностям заказчика — полноценный автоматизированный комплекс с возможностью внесения его в Госреестр как поверенное средство измерения.