[發明專利]有源相控陣天線自診斷修復裝置

有效

• 申請號: 201811263214.2
• 申請日: 2018-10-28
• 公開（公告）號: CN109600175B
• 公開（公告）日: 2021-06-15
• 發明（設計）人: 何慶強;杏晨;楊國慶;陳軍全;師帥
• 申請（專利權）人: 西南電子技術研究所（中國電子科技集團公司第十研究所）
• 主分類號: H04B17/19
• 分類號: H04B17/19;H04B17/17;H04B17/12;H04B17/21;H04B17/29
• 代理公司: 成飛(集團)公司專利中心 51121
• 代理人: 郭純武

本發明公開了一種有源相控陣天線自診斷修復裝置，利用本發明可以實現有源相控陣天線電性能的自診斷和修復，顯著提高監測效率。本發明通過下述方案予以實現：在發射狀態，射頻信號進入硅芯片組件，低頻信號進入控制修復模塊，將計算出來的幅/相碼發送給硅芯片組件完成射頻信號的空間功率合成；在接收狀態，控制修復模塊將計算出來的幅/相碼發送給硅芯片組件，射頻信號經放大、移相后進入功率分配合成網絡模塊實現接收；在收/發狀態中，控制修復模塊采用模數AD芯片進行數字采樣，通過FPGA芯片進行工作狀態故障診斷，并在有源相控陣天線停止工作情況下，啟用刷新控制電路將有源相控陣天線自啟動，并進行有源相控陣天線工作狀態的刷新和自修復。

技術領域

本發明涉及電子技術領域中一種有源相控陣天線自診斷修復裝置。

背景技術

隨著雷達工作電磁環境的日益惡化、輻射單元數量的與日俱增，作為無線通信系統的核心收發器件，相控陣天線在日常工作過程中不可避免地會產生TR組件、波控機、或者輻射單元失效的現象。如何通過測量相控陣天線的輻射特性，利用一定的故障診斷方法，定位故障單元的具體位置并判斷故障類型，進而為后續的決策維修提供有效的指導，對相控陣天線的測試與診斷技術提出了迫切的需求，目前仍然是一項較為復雜的技術難題。通常情況下，現代大型有源相控陣天線的組件數量一般都很大，成千上萬個發射源合成的總功率可以高達數十兆瓦，并且現代有源相控陣天線TR組件測試通路多、測試數據處理量大、測試效率低，要在短時間內完成每個組件的輸出功率、頻譜、脈沖檢波包絡、幅頻特性、相頻特性的檢測和幅度相位的一致性分析，對天線測試的手段提出了很高的要求。相控陣天線通常要求具備高可靠性和高穩定性，能夠長時間無故障工作。然而，一方面在設計和制造過程中受到加工工藝水平的制約，另一方面在實際環境中受到惡劣自然環境因素的影響，兩種因素的合力加速了TR組件的元器件異?；虿貦C不工作，進而引起天線單元失效，從而導致天線探測能力下降。當失效輻射單元的數量達到一定程度后，將會嚴重影響到相控陣天線性能的充分發揮。當相控陣天線發生故障后，在無需雷達完全停止工作的前提下，如何通過監測其狀態，獲取關鍵性能參數，及時對出現故障的天線單元進行快速定位并排除故障，迅速恢復相控陣天線的技術指標，目前仍然是一項十分復雜的技術難題。由于大量的有源設備的引入，有源相控陣天線系統的多樣性、復雜性決定了系統設備較難實現較高的穩定性。過去手動的測試是人工依次將各通道打開與關閉，測量每個通道的幅相特性并記錄數據，對于規模小的相控陣天線可行，但對于通道數量多的相控陣天線而言這種方法既浪費人力又耗費時間，尤其是占用微波暗室的時間長，使得本來就顯得不足的有限資源更加緊張。由于有源相控陣天線的有源組件直接與陣列單元相連，TR組件位置前置，降低了系統損耗，多個獨立的TR組件和陣列單元形成獨立的系統，只有當20%以上的TR組件失效/損毀后才會嚴重影響雷達的性能。有兩種方法可以使有源相控陣天線性能穩定：一種是陣列采用高精密或經過補償的元件，這些元器件的參數隨時間或環境變化小，同時采用小型的監控設備進行在線健康監測；另一種是采用公差要求不太嚴格的元器件，并提供整套開環或閉環校正系統，對有源相控陣天線的射頻通道進行幅相校準。但對于含有上萬個輻射單元的大型有源相控陣天線，一方面采用將被測對象置于轉臺進行常規遠場測量幾乎不可能實現，而且受到多徑效應的影響，測試精度也很難保證；另一方面近場測量需要采用大型掃描架探頭抽測相控陣天線每一組配相狀態下的幅/相信息，導致測試效率難以忍受，此外近場測量通常需要在微波暗室進行，難以實現現場實時檢測。這兩方面的因素使得相控陣天線的故障診斷與維修工作比其他類型的天線要復雜得多。相控陣天線故障診斷方法的實施依賴于參數測量獲取的數據，即首先通過對相控陣天線性能進行測試，獲取諸如天線增益、波束寬度、波束指向、波束零點、副瓣電平、副瓣位置、系統G/T值、極化方式、跟蹤范圍等基本故障特征參數，通過性能監測系統發現天線異常后，利用所獲取的故障信息，通過調用相應的故障診斷策略定位具體故障輻射單元的位置，實現相控陣天線的故障診斷。最后采取包括直接更換異常單元或者利用各種補償算法的故障維修策略進行維修，以使相控陣天線盡快恢復良好的工作狀態。其中作為表征天線輻射能量隨著距離變化在空間分布的幾何圖形，在遠場范圍內對天線方向圖的測試仍然是一項工作量十分龐大的任務。對于含有上萬個輻射單元的現代大型有源相控陣天線，由于被測對象無法轉動，而且存在地面反射雜波所造成的多徑效應，加之受制于設備、場地和時間的制約，很難甚至不可能在外場利用轉臺進行天線性能的遠場測試，測試精度難以保證。低副瓣相控陣天線在現有遠場測試距離不足，導致了鄰近主瓣的副瓣區測量誤差較大的實際問題。傳統遠場測量法由于測量時間長又無檢測功能而無法滿足要求。近場測量法對相控陣天線的和測試起了積極的作用，但測試效率仍然較低，這是因為對天線的每一組配相都要重新進行一次掃描測量。另外該方法需要造價昂貴的大型掃描架且對環境的要求較高，而且難于實現對相相控陣天線快速測量和故障診斷的現場檢測。在近遠場條件下大型相控陣天線方向圖難以測試，中場測試技術也很難單獨確定輻射單元幅/相特性以及定位TR組件。每當確定一組配相形成對應的波束時，在近場區域內，探頭都要完成一次掃描測量工作。因此，需要在相控陣天線所有可能的配相狀態下，對掃描范圍內所有可能出現的波束進行測量。對動輒輻射單元數量達到上萬個之多的現代有源相控陣，完成一次測試通常需要若干個月，需要處理大量的測試數據，這將導致測試效率低下。且這種技術通常需要在微波暗室內將天線停機分塊進行檢修，無法滿足現場檢測的需要。有源相控陣天線故障診斷系統，需要利用陣面性能測試來獲取數據、實現故障單元的定位與類型判別兩大功能。其中發射陣面性能參數的測試需要實現天線方向圖、增益、波束寬度、發射頻率穩定性與頻譜特性（諧波、雜散）等指標的測試，接收端測試是指探頭接收信號的幅度和相位信息。而陣面判故則要求系統具備對故障單元進行定位以及類型識別的能力。由于現代相控陣天線陣面通常由大量的天線單元構成，直接對每個陣元進行單獨測試需要耗費大量的測試時間，將導致測試效率低下。在測試進行過程中，需要測試場周圍環境造成的反射干擾盡可能小，因為源天線照射待測天線時，除直射波以外，還有來自地面、周圍物體等的反射波，反射干擾由于其相位、頻率、方向的無規律性，將干擾正常的測量參數，從而使待測天線口面產生相位差，造成增益下降、副瓣電平抬高等現象，引起較大的測量誤差。特別是多徑效應的存在，影響到所有的外場測試過程，會大大降低測試結果的準確性。一般來說，外場測試環境無法消除多徑效應的存在。