Алгоритмы калибровки малоэлементных антенных решеток тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Курганов Владислав Владимирович

• Курганов Владислав Владимирович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Курганов Владислав Владимирович

Оглавление

Введение

Глава 1. Обзор текущего состояния алгоритмов калибровки антенных

решёток

1.1 Особенности устройства антенных решёток и необходимость их калибровки

1.2 Классификация методов калибровки антенных решёток

1.3 Устройство современных дискретных фазовращателей

1.4 Алгоритм вращения вектора электрического поля элемента и алгоритм измерения двух элементов калибровки антенных решёток

1.5 Алгоритмы калибровки антенных решёток, основанные на трёх измерениях выходной мощности

1.6 Алгоритмы Левита и Сораса калибровки антенных решёток

1.7 Алгоритмы калибровки антенных решёток с использованием ортогональных и псевдо-ортогональных кодов

1.8 Цифровые антенные решётки и алгоритмы адаптивной обработки сигналов

1.9 Выводы по главе

Глава 2. Алгоритмы калибровки с минимальным числом измерений

выходной мощности антенной решётки

2.1 Определение минимального требуемого числа измерений мощности

2.2 Погрешности измерения мощности суммарного сигнала антенной решётки при переключении фазовращателя в различные состояния

2.3 Составляющие фазового набега калибруемого канала

2.4 Система уравнений и её решение для алгоритмов калибровки

2.5 Решение неоднозначности определения фазы

2.6 Исключение посторонних корней системы уравнений

-32.7 Процедура предварительного фазирования перед калибровкой

антенной решётки

2.8 Результаты моделирования разработанных алгоритмов калибровки антенных решёток

2.9 Выводы по главе

Глава 3. Алгоритм калибровки, не требующий предварительного

фазирования антенной решётки

3.1 Математическое описание предлагаемого алгоритма калибровки

3.2 Архитектура установок для калибровки антенных решёток

3.3 Результаты моделирования алгоритма калибровки антенных

решёток

3.4 Выводы по главе

Глава 4. Алгоритм перестановки управляющих кодов фазовращателей

4.1 Источники ошибок фазовращателей

4.2 Математическое описание алгоритма перестановки управляющих кодов фазовых состояний фазовращателя

4.3 Пример результата выполнения алгоритма перестановки управляющих кодов фазовращателя

4.4 Анализ ошибок фазовых состояний фазовращателя

4.5 Результаты моделирования перестановки управляющих кодов фазовращателя

4.6 Выводы по главе

Глава 5. Корреляционный алгоритм калибровки антенных решёток

5.1 Математическое описание корреляционного алгоритма

5.2 Требования к ансамблю модулирующих последовательностей

5.3 Результаты моделирования корреляционного алгоритма

5.4 Выводы по главе

Глава 6. Калибровка антенных решёток на основе алгоритмов адаптивной

обработки сигналов

-46.1 Формализация задачи калибровки цифровых антенных решёток с

помощью алгоритмов адаптивной фильтрации сигналов

6.2 Калибровка цифровых антенных решёток на базе RLS-алгоритмов

6.3 Результаты моделирования алгоритма калибровки цифровых антенных решёток с помощью RLS-алгоритмов

6.4 Выводы по главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение А Акты внедрения результатов диссертационной работы

А.1 Акт внедрения в АО «Радиотехнический институт

имени академика А.Л. Минца»

А.2 Акт внедрения в ООО «ЭЛИАРС»

А.3 Акт внедрения в «Национальном исследовательском университете

«МИЭТ»

Приложение Б Тексты программ моделируемых алгоритмов

Б. 1 Программа алгоритма калибровки

Б.2 Программа алгоритма калибровки

Б.3 Программа алгоритма калибровки 6+2

-5-

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Алгоритмы калибровки малоэлементных антенных решеток»

Введение

В диссертации разработаны и исследованы алгоритмы калибровки антенных решёток (АР) с малым числом элементов (антенн). К таким алгоритмам относятся: алгоритмы калибровки, не требующие доступа к сигналам каналов АР; алгоритм перестановки управляющих кодов фазовращателей (ФВ), учитывающий особенности современных интегральных ФВ и обеспечивающий повышение точности калибровки; корреляционный алгоритм калибровки АР с применением псевдо-ортогональных кодов, а также алгоритмы калибровки АР на основе адаптивной обработки сигналов.

Общая характеристика работы. Сегодня сложно представить оборудование современных радиотехнических систем (РТС) без АР, которые используются в нём в качестве узконаправленных антенн. АР позволяют управлять положением главного лепестка (луча АР) диаграммы направленности (ДН) не изменяя пространственного положения апертуры, формировать ДН требуемой формы и использовать адаптивные алгоритмы для подавления сигналов от источников помех, пространственное положение которых неизвестно. Многоканальная структура АР позволяет снизить мощность используемых усилителей, распределив её по антенному полотну - апертуре, т.е. между усилителями каналов АР, что повышает надёжность, коэффициент полезного действия АР и облегчает отвод тепла в такой сложной антенной системе.

В настоящее время значительная часть узлов современных АР всё ещё строится с использованием аналоговых радиочастотных компонентов, различие характеристик которых растёт с увеличением рабочей частоты. Это приводит к неидентичности характеристик каналов АР, что отрицательным образом влияет на форму ДН и не позволяет эффективно использовать алгоритмы управления АР, которые в основном базируются на её идеальной модели, т.е. АР с одинаковыми характеристиками каналов. Поэтому для компенсации различия характеристик каналов АР необходимо калибровать АР, как на этапе производства, так и на этапе эксплуатации. В составе каждого канала АР имеются радиочастотные

компоненты для управления амплитудой и фазой проходящего через канал сигнала. Эти компоненты характеризуются погрешностями установки требуемых значений модуля и фазы комплексного коэффициента передачи, что отрицательным образом влияет на форму ДН, а также на качество калибровки АР. Поэтому, для уменьшения ошибок установки фазы требуется калибровать и ФВ перед их использованием в АР. Для калибровки АР в процессе эксплуатации важно использовать простые алгоритмы, не требующие больших вычислительных ресурсов и использования дорогостоящего фазометрического оборудования. В настоящее время такие алгоритмы во многом базируются на методах цифровой обработки сигналов (ЦОС), которая является неотъемлемой частью современной радиотехники.

Степень разработанности темы. Несмотря на то, что калибровку АР в большинстве случаев, по-прежнему, проводят в специальных помещениях (безэховых камерах) с применением специального измерительного оборудования, сегодня основные тенденции в калибровке АР направлены на использование автономных методов, не требующих внешних измерительных приборов, зондов, специальных помещений; методов, которыми можно пользоваться непосредственно перед началом работы или в перерывах между сеансами работы, а также методов, которые определяют комплексные коэффициенты передачи каналов АР с наименьшей погрешностью. Кроме того, при калибровке желательно обеспечивать режимы работы каналов АР, близкие к реальным рабочим режимам, так как каналы АР могут оказывать существенное электродинамическое влияние друг на друга. В связи с изложенным выше, калибровка АР является такой же необходимостью, как и калибровка любой иной сложной многоканальной технической системы. Чем больше радиочастотных компонентов в каждом канале АР, тем больше число характеристик, от которых зависит правильность функционирования АР и которые могут изменять свои значения в процессе её эксплуатации.

Актуальность темы. В настоящее время в связи с ростом числа потребительских услуг, предоставляемых с помощью беспроводной связи и

глобальной спутниковой навигации, в аппаратуре потребителей начинают широко использоваться недорогостоящие малоэлементные АР с числом элементов, не превышающим 25...26. Различие амплитудно-фазовых характеристик каналов таких АР имеет существенное влияние, так как отклонение комплексного коэффициента передачи каждого канала от номинального значения приводит к заметному влиянию на форму результирующей ДН. В тоже время, в многоэлементных решётках это различие нивелируется за счёт большого числа каналов, а вклад отдельных каналов не так ощутим. Однако в многоэлементных АР данное различие приводит к существенному снижению энергетического потенциала РТС. Поэтому для большинства АР, независимо от числа элементов в них, необходимо проводить калибровку с целью сохранения формы ДН и обеспечения требуемых уровней её главного и боковых лепестков, так как именно этими характеристиками определяется качество работы РТС. Решению актуальной научной задачи, заключающейся в разработке алгоритмов калибровки малоэлементных АР и в исследовании точностных характеристик этих алгоритмов, посвящена настоящая диссертационная работа.

Объектом диссертационного исследования являются малоэлементные аналоговые и цифровые АР (ЦАР), требующие калибровки после их изготовления и в процессе эксплуатации.

Предметом диссертационного исследования являются алгоритмы калибровки аналоговых и цифровых АР и характеристики этих алгоритмов.

Цель работы - разработка и исследование новых алгоритмов калибровки, не требующих физической модификации АР и использования дорогостоящего измерительного оборудования, позволяющих определять различие характеристик каналов АР и производить компенсацию этого различия.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие научные задачи:

1. Разработать и исследовать бесфазовые алгоритмы калибровки АР, не требующие доступа к сигналам её каналов, с минимально возможным числом измерений выходной мощности АР на один калибруемый канал, с

использованием различных фазовых состояний калибруемого канала, с возможным применением предварительного фазирования АР и использованием в качестве опорного сигнала суммы сигналов всех каналов АР.

2. Разработать и исследовать алгоритм калибровки АР, не требующий доступа к сигналам её каналов, с использованием четырёх фазовых состояний калибруемого канала при двух значениях фазового состояния опорного канала, без процедуры предварительного фазирования АР и с использованием сигнала одного из каналов АР в качестве опорного.

3. С целью повышения точности калибровки АР, разработать и исследовать алгоритм перестановки управляющих кодов фазовращателей (ФВ), учитывающий особенности современных промышленно выпускаемых дискретных ФВ.

4. Разработать и исследовать корреляционный алгоритм калибровки АР с применением псевдо-ортогональных кодовых последовательностей, а также исследовать влияние свойств этих последовательностей на точностные характеристики алгоритма.

5. Исследовать возможность и эффективность применения алгоритмов адаптивной обработки сигналов для калибровки ЦАР с доступом к сигналам её каналов.

Методы исследования. При проведении работы использованы методы теории статистической радиотехники, ЦОС, адаптивной фильтрации сигналов, теории антенных решёток, геометрии и линейной алгебры, а также методы компьютерного моделирования. При моделировании и разработке программ использовался программный продукт МАТЬАВ.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработаны и исследованы два варианта бесфазовых алгоритмов калибровки АР, не требующие доступа к сигналам её каналов, с минимально возможным числом измерений её выходной мощности на один калибруемый канал, равным трём, с использованием различных фазовых состояний калибруемого канала: 0°, 90°, 180° или 0°, 90°, 270° при каждом измерении

мощности. В данных алгоритмах используется предварительное фазирование АР, а в качестве опорного сигнала выступает сумма сигналов всех каналов АР.

2. Разработан и исследован алгоритм калибровки АР, не требующий доступа к сигналам её каналов, базирующийся на измерениях её выходной мощности при изменении фазовых сдвигов в парах каналов (опорном и калибруемом) на 0°, 90°, 180° и 270°, отличающийся от известных алгоритмов повышенной точностью, не зависящей от числа каналов АР. Алгоритм требует 6 измерений выходной мощности АР на каждый из калибруемых каналов и 2 дополнительных измерения мощности, являющиеся общими при калибровке любого из каналов АР, отличного от опорного.

3. Разработан и исследован алгоритм перестановки управляющих кодов ФВ, позволяющий повысить точность алгоритмов калибровки АР за счёт предварительной калибровки ФВ.

4. Разработан и исследован корреляционный алгоритм калибровки АР с применением псевдо-ортогональных кодов, отличающийся от известных алгоритмов отсутствием необходимости кадровой синхронизации и возможностью повысить отношение сигнал-шум на выходе устройства обработки путём увеличения числа символов модулирующей последовательности (МП). Исследовано влияние свойств ансамбля МП на точностные характеристики калибровки.

5. Разработаны алгоритмы калибровки АР на основе адаптивной обработки сигналов, отличающиеся от алгоритмов адаптации к помехам тем, что с помощью предложенных алгоритмов можно не только подавлять сигналы помех в выходном сигнале АР, но и компенсировать разброс значений (неидентичность) комплексных коэффициентов каналов АР.

Практическая и теоретическая значимость:

1. При использовании предложенных алгоритмов калибровки АР с минимально возможным числом измерений её выходной мощности, равным трём, на один калибруемый канал, достигается повышение скорости калибровки всей АР. При реализации этих алгоритмов можно выбрать оптимальные значения

фазовых сдвигов в калибруемом канале с целью повышения точности калибровки. Алгоритмы не требуют доступа к сигналам в каналах, что позволяет использовать их в существующих АР, где такой доступ не предусмотрен. Кроме того, для реализации этих алгоритмов не требуется дорогостоящая фазометрическая аппаратура, так как при их выполнении используются только измерения выходной мощности АР. Это позволяет существенно упростить и удешевить процедуру калибровки АР.

2. При использовании предложенного алгоритма калибровки АР с попарным изменением фаз в каналах АР не требуется доступ к сигналам этих каналов. В алгоритме не требуется предварительное фазирование АР, что уменьшает полное время калибровки. Алгоритм не требует применения дорогостоящего фазометрического оборудования, так как в нём используются только измерения выходной мощности АР.

3. Современные промышленно выпускаемые дискретные ФВ характеризуются широким диапазоном рабочих частот и в зависимости от конкретной рабочей частоты устанавливают фазовые сдвиги сигналов с погрешностью, превышающей погрешность ФВ, спроектированного на определённую рабочую частоту, где эта погрешность не превышает половины младшего разряда. Калибровка промышленно выпускаемых дискретных ФВ повышает точность установки главного лепестка ДН, уменьшает деформацию формы ДН, а также повышает точность калибровки АР.

4. Корреляционный алгоритм позволяет проводить калибровку в режимах работы АР близких к реальным, с использованием штатных сигналов, использовать всего 2 состояния фазы 0° и 180° в ФВ или вообще не использовать ФВ в случае ЦАР.

5. Алгоритмы калибровки АР на основе адаптивной обработки сигналов позволяют уменьшить требования к идентичности каналов адаптивных АР, а также проводить калибровку при наличии источников помех.

Достоверность полученных научных результатов диссертационной работы подтверждена результатами моделирования в среде МЛТЬЛБ, а также их

сравнением с результатами моделирования известных алгоритмов калибровки АР, доступных из литературных источников.

Личный вклад автора. Все основные результаты диссертационной работы, включая положения, выносимые на защиту, получены автором диссертации лично или при его непосредственном участии.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в виде:

- алгоритма калибровки, не требующего предварительного фазирования АР, а также алгоритма калибровки ФВ в ООО «ЭЛИАРС» (г. Москва);

- алгоритма калибровки, с минимально возможным числом измерений выходной мощности АР, равным трём для каждого калибруемого канала в АО «Радиотехнический институт имени академика А.Л. Минца» (г. Москва);

- лабораторной работы «Бесфазовые алгоритмы калибровки фазированных антенных решёток» в курсе «Антенно-фидерные устройства», лабораторной работы «Корреляционный алгоритм калибровки антенных решёток с цифровой обработкой сигналов» в курсе «Современные алгоритмы цифровой обработки сигналов в радиолокационных системах» и лабораторной работы «Калибровка ЦАР на базе алгоритмов адаптивной фильтрации сигналов» в курсе «Адаптивная обработка сигналов в радиотехнических системах» в «Национальном исследовательском университете «МИЭТ».

Внедрение подтверждено актами, представленными в приложении А.

Диссертационная работа выполнена на основе научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проводимых Институтом МПСУ МИЭТ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Для калибровки АР требуется минимум три измерения её выходной мощности на каждый калибруемый канал при изменении фазы только в этом канале, а два разработанных алгоритма калибровки на основе таких измерений, требующие предварительного фазирования АР, обеспечивают погрешность оценки фазы, не превышающую одного дискрета квантования фазы ФВ.

-122. Для калибровки АР без предварительного фазирования требуется восемь измерений её выходной мощности на каждый калибруемый канал, а разработанный алгоритм калибровки на основе таких измерений, базирующийся на изменении фазовых сдвигов в двух каналах (опорном и калибруемом), обеспечивает погрешность оценки фазы, не превышающую одного дискрета квантования фазы ФВ.

3. Перестановка управляющих кодов дискретных ФВ позволяет уменьшить в 1,5...2 раза погрешности фазовых состояний ФВ до перестановки и, следовательно, повысить точность калибровки АР.

4. Разработанный корреляционный алгоритм калибровки аналоговых АР или ЦАР с применением псевдо-ортогональных кодов, позволяет повысить отношение сигнал-шум на выходе устройства обработки и уменьшить погрешность определения модуля и фазы комплексного коэффициента передачи каждого калибруемого канала АР за счёт увеличения числа символов МП. При использовании МП с числом символов от 127 до 16383 погрешность оценки фазы, полученная с помощью данного алгоритма, меняется от 7,5° до 0,6° при числе каналов АР М = 4 и меняется до 5,2° при М = 256, аналогично, погрешность оценки модуля меняется от -7 дБ до -18 дБ при числе каналов АР М = 4 и меняется до -8 дБ при М = 256.

5. Разработанные алгоритмы калибровки ЦАР на основе адаптивной обработки сигналов позволяют компенсировать неидентичность комплексных коэффициентов передачи каналов ЦАР с погрешностью, определяемой числом разрядов используемых весовых коэффициентов и одновременно подавлять сигналы источников внешних помех в выходном сигнале ЦАР, если их число не превышает М -1, где М - число каналов ЦАР.

Апробация результатов. Основные результаты работы представлены и обсуждены на 14-ти научно-технических конференциях, таких как:

- Международная конференция «Цифровая обработка сигналов и её применение - DSPA» (2019, 2020 г.);

-13- IEEE Antennas Design and Measurement International Conference - ADMInC (2019 г.);

- IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS) (2019, 2020 г.);

- Всероссийская молодёжная научно-техническая конференция «Радиолокация и связь - перспективные технологии» (2019, 2020 г.);

- IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering - EIConRus (2020 г.);

- IEEE Ukrainian Microwave Week (UkrMW) (2020 г.);

- Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - МЭС» (2020, 2021 г.);

- Всероссийская конференция «Радиоэлектронные устройства и системы для инфокоммуникационных технологий - РЭУС» («REDS-2020») (2020 г.),

- IEEE Siberian Conference on Control and Communications («SIBCON-2021») (2021 г.);

- IEEE Ukrainian Conference on Electrical and Computer Engineering («UKRCON-2021») (2021 г.).

Три доклада, представленные на конференциях «Цифровая обработка сигналов и её применение - DSPA» (2019 г.), «Радиолокация и связь -перспективные технологии» (2019, 2020 г.), удостоены дипломов за лучший доклад и два доклада, представленные на конференциях IEEE East-West Design & Test Symposium (2019, 2020 г.), удостоены дипломов за вклад в разработку и тестирование.

Публикации. Результаты диссертационного исследования опубликованы в 21 работе [1-21]. Из них: 7 публикаций, индексируемых в международной базе данных Scopus [1-7]; 6 статей в журналах из Перечня ВАК РФ [8-13]; и остальные статьи в трудах перечисленных выше российских и международных конференций.

Соответствие паспорту специальности приводится по номенклатуре научных специальностей, утверждённой приказом Министерства науки и высшего образования Российской Федерации от 24 февраля 2021 г. №118.

Область научного исследования соответствует паспортам специальностей 2.2.13 -Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения и 2.2.14 - Антенны, СВЧ-устройства и их технологии. По совокупности представленных решений и основных положений диссертационная работа соответствует технической отрасли науки.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести (с учётом обзора) глав, заключения и приложений. Она содержит 152 страницы текста, включая 35 рисунков, 2 таблицы, 15 страниц списка используемой литературы из 153 наименований и 2-х приложений: актов о внедрении результатов диссертации и программ компьютерного моделирования.

В первой главе представлен обзор литературных источников, на основе которых проведён анализ современного состояния вопросов калибровки АР и сформулированы задачи диссертационного исследования. Во второй главе представлены алгоритмы калибровки с минимальным числом измерений выходной мощности АР. В третьей главе представлен алгоритм калибровки с малым числом измерений выходной мощности АР, не требующий предварительного фазирования АР. В четвертой главе представлен алгоритм перестановки управляющих кодов ФВ. В пятой главе представлен корреляционный алгоритм калибровки АР. В шестой главе представлена калибровка АР на основе алгоритмов адаптивной обработки сигналов.

Глава 1. Обзор текущего состояния алгоритмов калибровки

антенных решёток

1.1 Особенности устройства антенных решёток и необходимость

их калибровки

На сегодняшний день сложно представить оборудование современных радиотехнических систем (РТС) без антенных решёток (АР), которые используются в нём в качестве узконаправленных антенн. АР позволяет формировать ДН требуемой формы, управлять положением главного лепестка ДН не изменяя пространственного положения апертуры и использовать адаптивные алгоритмы для подавления сигналов от источников помех, пространственное положение которых неизвестно. Кроме того, АР увеличивает отношение сигнал-шум (ОСШ) в своём выходном сигнале по сравнению с ОСШ в её каналах за счёт когерентного сложения принимаемых сигналов и некогерентного сложения шумов. Многоканальная структура АР также позволяет снизить мощность используемых усилителей, распределив её по антенному полотну - апертуре, т.е. между усилителями каналов АР, что повышает надёжность и коэффициент полезного действия АР, а также облегчает отвод тепла в такой сложной антенной системе. Теория и расчёт АР хорошо разработаны и представлены в классических книгах по антенной технике [22-31].

Структурная схема АР с М элементами (каналами) приведена на рисунке 1.1. Здесь и фт - компоненты комплексного коэффициента передачи,

формирующие по апертуре амплитудное и фазовое распределение (управляемые усилители, аттенюаторы, ФВ и др.), а 8кт и - отклонения модуля и фазы от требуемых значений, являющиеся результатом различия характеристик активных и пассивных компонентов, используемых для построения АР, влияния механических погрешностей при монтаже этих компонентов, а также условий эксплуатации АР.

ф1 — к,— 5^1 5к1

1 1

ф2

5^2

5*2.

фт _ к _ "т 5Ут 5кт

• • •

фм — км — 5ум 5км

1 1

Рисунок 1.1 - Структурная схема АР

Для реализации функциональных возможностей АР в процессе эксплуатации требуется поддерживать её электродинамические характеристики, так как к точности управления амплитудно-фазовым распределением в апертуре АР предъявляются всё более жёсткие требования [32-34]. Однако выполнению этих требований препятствуют следующие факторы: дискретный характер управления комплексными коэффициентами передачи каналов АР; ширина полосы сигнала; смена частот излучения; колебания температуры окружающей среды; отказы компонентов; технологический разброс характеристик активных компонентов; взаимное влияние излучателей АР; сферичность фазового фронта первичной волны (для АР с пространственным возбуждением); неидентичность характеристик питающих фидеров (для АР с фидерным возбуждением) и др. [2326, 32-34]. Большинство из вышеперечисленных факторов можно оценивать и компенсировать путём калибровки АР.

С развитием РТС, увеличением объёмов передаваемой информации и использованием широкополосных сигналов, а также с усовершенствованием современной элементной базы, сегодня широкое распространение получили АР миллиметрового диапазона длин волн. В таких АР появилась возможность интеграции микромощных радиопередающих и малочувствительных

2

радиоприёмных трактов каналов решётки и её антенных элементов в недорогостоящие и малопотребляющие устройства. Такие устройства, именуемые как «антенна на кристалле» («antenna-on-chip») и «антенна в корпусе» («antenna-in-package»), уже существуют как отдельные электронные компоненты по типу интегральных схем и микросборок [47-56]. Разработка и промышленное изготовление таких АР стало возможным благодаря достижениям современной физики полупроводников, микроэлектронных технологий и конструирования больших интегральных схем, которые позволили освоить производство активных и пассивных радиочастотных компонентов, а также цифровых больших интегральных микросхем, используемых для построения радиочастотных трактов и устройств управления АР [56-59]. АР миллиметрового диапазона длин волн весьма чувствительны к различию характеристик каналов, поэтому требуют использования в них элементов встроенной диагностики и калибровки.

Как правило, результатом влияния перечисленных выше факторов является уменьшение коэффициента усиления АР, искажение формы ДН и снижение точности установки главного лепестка ДН АР при сканировании [35]. По этой причине, с развитием теории и техники АР, постоянно разрабатываются методы и алгоритмы диагностики состояния каналов и калибровки АР [32-40]. Термины и определения связанные с АР и управлением ими представлены в ГОСТ [41-44].

Диагностика АР проводится с целью проверки соответствия основных её характеристик требуемым значениям [45, 46]. В связи с этим появилась необходимость создания АР, способных на основе результатов диагностики осуществлять компенсацию погрешностей амплитудно-фазового распределения в апертуре, т.е. выполнять калибровку.

Калибровкой АР называют процедуру определения характеристик каналов АР с целью их дальнейшего учёта и использования в алгоритмах управления решёткой в процессе её эксплуатации. Обычно в качестве таких характеристик используются значения комплексных коэффициентов передачи каналов АР при различных состояниях входящих в них ФВ и других управляемых компонентов [32-40]. Диагностика подразумевает только идентификацию возникающих

отклонений характеристик АР от штатных значений, а калибровка также включает их компенсацию.

Различие амплитудно-фазовых характеристик каналов наиболее критично для малоэлементных АР, так как отклонение комплексного коэффициента передачи каждого её канала от номинального значения приводит к заметному влиянию на форму результирующей ДН, в то время как в многоэлементных решётках это различие нивелируется за счёт большого числа каналов, и вклад отдельных каналов не значительный. Тем не менее, в многоэлементных АР данное различие приводит к снижению энергетического потенциала РТС [22-28]. Поэтому для большинства АР необходимо проводить калибровку с целью сохранения формы и ширины главного лепестка (луча) ДН, а также обеспечения допустимого уровня её боковых лепестков, так как именно этими характеристиками определяется качество работы РТС [30, 31].

Сегодня основные тенденции в калибровке АР направлены на использование автономных методов, не требующих внешних измерительных приборов, зондов, специальных помещений (безэховых камер); методов, которыми можно пользоваться непосредственно перед началом работы или в перерывах между сеансами работы, а также методов, которые определяют комплексные коэффициенты передачи каналов АР с наименьшей погрешностью. Кроме того, при калибровке желательно обеспечивать режимы работы каналов АР, близкие к реальным рабочим режимам, так как каналы АР могут оказывать существенное электродинамическое влияние друг на друга [32-35].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Курганов Владислав Владимирович, 2021 год

Список литературы

1. Djigan V.I., Kurganov V.V. Antenna array calibration algorithm based on phase perturbation // Proceedings of the 17-th IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS). Batumi, Georgia. September 13-16, 2019. Р. 29-33.

2. Kurganov V.V. Antenna array complex channel gain estimation using phase modulators // Proceedings of the Antennas Design and Measurement International Conference. Saint Petersburg, Russia. October 16-18, 2019. P. 126-129.

3. Kurganov V.V., Djigan V.I. Permutation of phase shifter control codes to increase the efficiency of antenna array calibration // Proceedings of the IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineers. Moscow, Russia. January 27-30, 2020. P. 2262-2264.

4. Djigan V.I., Kurganov V.V. Antenna arrays calibration using recursive least squares adaptive filtering algorithms based on inverse QR decomposition // Proceedings of the 18-th IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS-2020). Varna, Bulgaria. September 4-7, 2020. P. 105-109.

5. Djigan V.I., Kurganov V.V. Least squares criterion adaptive filtering algorithms as tools for calibration of arrays with digital beamforming // Proceedings of the IEEE Ukrainian Microwave Week. Kharkiv, Ukraine. September 21-25, 2020. Vol. 1. P. 16-19.

6. Kurganov V.V., Djigan V.I. Simple algorithm of antenna array calibration // Proceedings of the IEEE International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON 2021). Kazan, Russia. May 13-15, 2021. P. 1-5.

7. Kurganov V.V., Djigan V.I. Simple algorithms for antenna array calibration and their accuracy // Proceedings of the IEEE Ukrainian Conference on Electrical and Computer Engineering (UKRCON 2021). Lviv, Ukraine. August 26-28, 2021. P. 202-207.

8. Джиган В.И., Курганов В.В. Алгоритм калибровки фазированной антенной решётки, не требующий доступа к сигналам её элементов // Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника. 2020. Т. 63. №1. C. 3-20.

-1289. Курганов В.В., Джиган В.И. Бесфазовые алгоритмы калибровки антенных решёток с минимальным числом измерений выходной мощности // Радиотехника. 2021. Т. 85. №3. С. 96-108.

10. Джиган В.И., Курганов В.В. Калибровка цифровых антенных решёток с помощью алгоритмов адаптивной обработки сигналов // Телекоммуникации. 2021. №2. С. 8-16.

11. Курганов В.В., Лялин К.С., Приходько Д.В. Построение модели системы встроенного контроля антенных решёток для радиолокаторов с синтезированной апертурой // Известия вузов. Электроника. 2010. №5. С. 48-57.

12. Курганов В.В., Джиган В.И. Калибровка антенных решёток с малым числом элементов: проблемы и их решения // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2020. - Сборник трудов под общ. ред. академика РАН А.Л. Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, 2020. Выпуск IV. С. 159-168.

13. Джиган В.И., Курганов В.В. Точностные характеристики бесфазовых алгоритмов калибровки антенных решёток // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2021. - Сборник трудов под общ. ред. академика РАН А.Л. Стемпковского. М.: ИППМ РАН, 2021. Выпуск V. С. 77-86.

14. Джиган В.И., Курганов В.В. Точность оценки фазовых сдвигов в каналах антенной решётки при использовании алгоритмов, основанных на конечном числе измерений её выходной мощности // Труды 21-й Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и её применения». Москва, Россия. 27-29 марта 2019 г. Т. 1. С. 116-121.

15. Курганов В.В. Корреляционный метод определения комплексных коэффициентов передачи каналов антенной решётки // Труды 21-й международной конференции «Цифровая обработка сигналов и её применения». Москва, Россия. 27-29 марта 2019 г. Т. 1. С. 137-141.

-12916. Курганов В.В. Точность корреляционного метода определения комплексных коэффициентов передачи каналов антенной решётки // Тезисы XVII Всероссийской молодёжной научно-технической конференции «Радиолокация и связь - перспективные технологии». Москва, Россия. 5 декабря 2019 г. С. 76-78.

17. Курганов В.В. Требование к ансамблю модулирующих последовательностей корреляционного алгоритма калибровки антенной решётки // Труды XVII Всероссийской молодёжной научно-технической конференции «Радиолокация и связь - перспективные технологии». Москва, Россия. 5 декабря 2019 г. С. 29-33.

18. Курганов В.В. Минимизация числа измерений при калибровке антенных решёток бесфазовым методом // Тезисы XVIII Всероссийской молодёжной научно-технической конференции «Радиолокация и связь - перспективные технологии». Москва, Россия. 17 декабря 2020 г. С. 124-127.

19. Курганов В.В. Минимальное возможное число измерений выходной мощности в бесфазовых алгоритмах калибровки антенных решёток // Труды XVIII Всероссийской молодёжной научно-технической конференции «Радиолокация и связь - перспективные технологии». Москва, Россия. 17 декабря 2020 г. С. 54-58.

20. Джиган В.И., Курганов В.В Повышение точности управления фазированными антенными решётками за счёт калибровки серийно выпускаемых фазовращателей // Труды 22-й Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и её применения - В8РЛ-2020». Москва, Россия. 25-27 марта 2020 г. С. 97-104.

21. Курганов В.В., Джиган В.И. Преобразование Хаусхолдера в алгоритмах калибровки антенных решёток // Труды 75-й Всероссийской конференции (с международным участием) «Радиоэлектронные устройства и системы для инфокоммуникационных технологий - РЭУС-2020» («REDS-2020»). Серия: научные конференции, посвящённые Дню Радио. Выпуск LXXV. Москва, Россия. 27-29 мая 2020 г. С. 22-25.

-13022. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ: Учебник для радиотехнических спец. вузов. - М.: Высшая школа, 1988. - 432 с.

23. Воскресенский Д.И., Гостюхин В.Л., Максимов В.М. Пономарев Л.И. Устройства СВЧ и антенны / Под ред. Д.И. Воскресенского -М.: Радиотехника, 2006. - 376 с.

24. Проблемы антенной техники / Под ред. Л.Д. Бахраха и Д.И. Воскресенского -М.: Радио и связь, 1989. - 368 с.

25. Антенны. Современное состояние и проблемы / Под ред. Л.Д. Бахраха. -М.: Советское радио, 1988. - 208 с.

26. Бененсон Л.С., Журавлев В.А., Попов, С.В., Постнов Г.А. Антенные решётки. Методы расчета и проектирования. Обзор зарубежных работ. - М.: Советское радио, 1966. - 367 с.

27. Balanis C.A. Antenna theory: analysis and design. - 4th ed., John Wiley & Sons, Inc., 2016. - 1095 p.

28. Maillou R.J. Phased array antenna handbook. - 3rd ed., Artech House, Inc., 2017. - 506 p.

29. Brown A.D., Boeringer D., Cooke T. Electronically scanned arrays. MATLAB® modelling and simulation. - CRC Press, 2012. - 214 p.

30. Richards M.A. Fundamentals of radar signal processing. - 2nd ed., McGraw-Hill Education, 2014. - 618 p.

31. Skolnik M.I. Radar handbook. - 3rd ed., McGraw-Hill Education, 2008. - 1328 p.

32. Активные фазированные антенные решётки / Под ред. Д.И. Воскресенского и А.И. Канащенкова. - М.: Радиотехника, 2004. - 488 с.

33. Бубнов Г.Г., Никулин С.М., Серяков Ю.Н., Фурсов С.А. Коммутационный метод измерения характеристик ФАР. - М.: Радио и связь, 1988. - 120 с.

34. Шишов Ю.А., Голик А.М., Клейменов Ю.А и др. Адаптация управления ФАР по результатам встроенного контроля // Зарубежная радиоэлектроника. 1990. №9. С. 69-89.

35. Шифрин Я.С. Вопросы статистической теории антенн. - М.: Советское радио, 1970. - 384 с.

-13136. Коротецкий Е.В., Шитиков А.М., Денисенко В.В. Методы калибровки фазированных антенных решёток // Радиотехника. 2013. №5. С. 95-104.

37. Николаев А.А., Комягин Р.В. Обзор методов калибровки каналов активных фазированных антенных решёток // Труды VIII научно-технической конференции молодых учёных и специалистов «Актуальные вопросы развития систем и средств воздушно-космической обороны». ПАО «НПО «Алмаз», Москва, Россия. 26 октября 2017 г. С. 108-115.

38. Николаев А.А., Комягин Р.В., Дрожжина Н.В. Измерение и анализ комплексных коэффициентов передачи каналов перспективной АФАР // Вестник воздушно-космической обороны. 2019. №3(23). С. 67-76.

39. Воронин Е.Н., Нечаев Е.Е., Шашенков В.Ф. Реконструктивные антенные измерения. - М.: Наука, 1995. - 352 с.

40. Самойленко В.И., Шишов Ю.А. Управление фазированными антенными решётками. - М.: Радио и связь, 1983. - 240 с.

41. ГОСТ 23282-91 Решётки антенные. Термины и определения. - Издательство стандартов, 1991. - 7 с.

42. ГОСТ 24375-80 Радиосвязь. Термины и определения. - Издательство стандартов, 1987. - 58 с.

43. ГОСТ 23066-78 Устройства управления лучом ФАР. Термины и определения. - Издательство стандартов, 1978. - 6 с.

44. ГОСТ 16465-70 Сигналы радиотехнические измерительные. Термины и определения. - Издательство стандартов, 1970. - 16 с.

45. ГОСТ 8.309-78 Антенны остронаправленные. Методика выполнения измерений для определения параметров по полю в раскрыве. - Издательство стандартов, 1978. - 12 с.

46. ГОСТ 8.463-82 Государственная система обеспечения единства измерений антенны и комплексы аппаратуры измерительные Методы и средства поверки. - Издательство стандартов, 1982. - 8 с.

47. Jeon S., Ou Yu-C., Tassoudji A., Dunworth J., Koymen O., Raghavan V. A recent development of antenna-in-package for 5G millimeter-wave applications (Invited

paper) // Proceedings of the 19th IEEE Wireless and Microwave Technology Conference. 2018. P. 1-3.

48. Liu D., Pfeiffer U., Gaucher B., Grzyb J. Advanced millimeter-wave technologies: antennas, packaging and circuits. - Wiley, 2009. - 850 p.

49. Luo Q., Gao S., Liu W., Gu C. Low-cost smart antennas // Microwave and Wireless Technologies Series. - Wiley, 2019. - 288 p.

50. Roh Y.W., Seol J.-Y., Park J., Lee B., Lee J., Kim Y. et al. Millimeter-wave beamforming as an enabling technology for 5G cellular communications: theoretical feasibility and prototype results // IEEE Communications Magazine. 2014. Vol. 52. №2. P. 106-113.

51. Sadhu B., Tousi Y., Hallin J., Sahl S., Reynolds S.K., Renstrom O. A 28-GHz 32-element TRX phased-array IC with concurrent dual-polarized operation and orthogonal phase and gain control for 5G communications // IEEE Journal of Solid-State Circuits. 2017. Vol. 52. №12. P. 3373-3391.

52. Valdes-Garcia A., Sadhu B., Gu X., Tousi Y., Liu D, Reynolds S. et al. Circuit and antenna-in-package innovations for scaled mm wave 5G phased array modules // Proceedings of the IEEE Custom Integrated Circuits Conference. 2018. P. 1-8.

53. Liu D., Zhang Y. P. Integration of array antenna in chip package for 60-GHz radios // Proceedings of the IEEE. 2012. Vol. 100. №7. P. 2364-2371.

54. Woods R., McAllister J., Lightbody G., Ying Yi. FPGA-based implementation of signal processing systems. - 2nd ed., Willey, 2017. - 360 p.

55. Zhang Y.P., Liu D. Antenna-on-chip and antenna-in-package solutions to highly integrated millimeter-wave devices for wireless communications // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2006. Vol. 57. №10. C. 2830-2841.

56. Darabi H. Radiofrequency integrated circuits and systems - 2nd ed., Cambridge University Press, 2020. - 778 p.

57. Grebennikov A., Kumar N., Yarman B. Broadband RF and microwave amplifiers. - CRC Press, 2017. - 767 p.

-13358. Malik W., Stevens C., Edwards D. Ultrawideband antenna distortion compensation // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2008. Vol. 56. №7. P. 1900-1907.

59. Lohou A., Chaimbault D., Lesur B., Karas A., Lintignat J., Jarry B. Ka-band MMIC variable gain low noise amplifier for electronic scanning antenna // Proceedings of the 25th IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems. 2018. P. 337-340.

60. Kurganov V.V., Biryuk A.A. Ku-band Active phased antenna array calibration in anechoic chamber with phaseless calibration method // Proceedings of the IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus). 2021. P. 2525-2530.

61. Коротецкий Е.В., Шитиков А.М., Денисенко В.В. Влияние ошибки установки юстировочной антенны на фазовую ошибку в апертуре при формировании луча и калибровке в ближней зоне // Радиотехника. 2013. №5. С. 89-94.

62. Хижа Г.С., Вендик И.Б., Серебрякова Е.А. СВЧ фазовращатели и переключатели: Особенности создания на p-i-n-диодах в интегральном исполнении. - М.: Радио и связь, 1984. - 184 с.

63. Godara L.C. The effect of phase-shifter errors on the performance of an antennaarray beamformer // IEEE Journal of Oceanic Engineering. 1985. Vol. 10. P. 278-284.

64. Sebak A., Shafai L., Moheb H, Ittipiboon A. The effect of random amplitude and phase errors on phased arrays performance // Proceedings of the Symposium on Antenna Technology and Applied Electromagnetics. 1990. P. 391-396.

65. Nakamoto N., Takahashi T., Konishi Y., Chiba I. Phase optimization for accurate beam forming of phased array with element field errors at every phase shift // Proceedings of the IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology. 2013. P. 693-697.

66. Takemura N., Deguchi H., Yonezawa R., Chiba I. Phased array calibration method with evaluating phase shifter error // Proceedings of ISAP 2000, Fukuoka, Japan. 2000.

-13467. HMC247 5-18 GHz 400° analog phase shifter, Analog Devices.

URL: https://www.analog.com/ (дата обращения: 08.08.2021)

68. CMD297P34 5-18 GHz analog phase shifter, Qorvo Inc. URL: https://www.qorvo.com/ (дата обращения: 08.08.2021)

69. Кочемасов В., Шадский В. Твёрдотельные СВЧ-фазовращатели. Часть 1 // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2017. №1(161). С. 86-100.

70. Кочемасов В., Шадский В. Твёрдотельные СВЧ-фазовращатели. Часть 2 // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2017. №2(162). С. 78-90.

71. Lan W., Zhong D., Jin D., Yang D., Zhu Z., Jia B. Design of a Ku band 7-bit PIN diode phase shifter // Proceedings of the 18th International Conference on Electronic Packaging Technology (ICEPT). 2017. Р. 785-788.

72. HMC543ALC4B 8-12 GHz MMIC 22.5° 4-bit digital phase shifter, Analog Devices. URL: https://www.analog.com/ (дата обращения: 08.08.2021)

73. HMC642ALC5 9-12.5 GHz GaAs MMIC 6-bit digital phase shifter, Analog Devices. URL: https://www.analog.com/ (дата обращения: 08.08.2021)

74. TGP2105-SM 6-18 GHz 6-bit digital phase shifter, Qorvo Inc. URL: https://www.qorvo.com/ (дата обращения: 08.08.2021)

75. TGP2102 35 GHz 5-bit digital phase shifter, Qorvo Inc. URL: https://www.qorvo.com/ (дата обращения: 08.08.2021)

76. PE44820 1.7-2.2 GHz UltraCMOS RF digital phase shifter 8-bit, Peregrine Semiconductor. URL: https://www.psemi.com/ (дата обращения: 08.08.2021)

77. Mano S., Katagi T. A method for measuring amplitude and phase of each radiating element of a phased array antenna // Electronics and Communications in Japan (Part I: Communications). 1982. Vol. 65. №5. P. 58-64.

78. Ishii R., Shiramatsu K., Haruyama T., Orime N., Katagi T. A built-in correction method of the phase distribution of a phased array antenna // Proceedings of the IEEE Antennas and Propagation Society Symposium Digest. 1991. P. 1144-1147.

79. Katagi T., Konishi Y., Tamai Y., Iida Y. A large deployable active phased array antenna for satellite use // Proceedings of the 15th International Communications Satellite System Conference. 1994. P. 1075-1084.

-13580. Nakamoto N., Takahashi T., Otsuka M., Aoki T., Konishi Y., Nishino T., Chiba I., Yajima M. Study on calibration accuracy of PAA calibration using the REV method // Proceedings of the International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP2009). Bangkok, Thailand. 2009. P. 636-639.

81. Takahashi T. Fast measurement technique for phased array calibration // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2008. Vol. 56. №7. P. 1888-1899.

82. Takahashi T. Theoretical study on measurement accuracy of rotating element electric field vector (REV) method // Electronics and Communications in Japan (Part I: Communications). 2006. Vol. 89. №1. P. 22-30.

83. Takahashi T., Konishi Y., Chiba I. A novel amplitude-only measurement method to determine element fields in phased arrays // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2012. Vol. 60. P. 3222-3230.

84. Takahashi T., Konishi Y., Makino S., Ohmine H., Nakaguro H. Fast measurement technique for phased array calibration // IEEE Transactions on Antennas Propagation. 2008. Vol. 56. №7. P. 1888-1899.

85. Takahashi T., Miyashita H., Konishi Y., Makino S., Theoretical study on measurement accuracy of rotating element electric field vector (REV) method // Transactions IEICE. 2005. Vol. 88. №1. P. 280-290.

86. Takahshi T., Nakamoto N., Ohtsuka M. A simple on-board calibration method and its accuracy for mechanical distortions of satellite phased array antennas // Proceedings of the 3rd European Conference on Antennas and Propagation. 2009. P. 1573-1577.

87. Yonezawa R., Konishi Y. Beam-shape correction in deployable phased arrays // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1999. Vol. 47. №3. P. 482-486.

88. Shishlov A.V., Ganin S.A., Shubov A.G., Shitikov A.M. Limit of accessible antenna array efficiency under their calibration by means of switching method // Proceedings of the Nordic Antenna Symposium. Lund, Sweden. 2000.

89. Shubov A.G., Shishlov A.V. Analysis of methods for phased array antenna phasing based on amplitude measurements only // Proceedings of the Millennium Conference on Antennas and Propagation. Davos. 2000. P. 295-298.

-13690. Бондарик А.В., Шитиков А.М., Шубов А.Г. Опыт использования в многоканальных фазированных антенных решётках поэлементных методов калибровки без применения фазометрической аппаратуры // Антенны. 2005. №1. C. 15-21.

91. Коротецкий Е.В., Шитиков А.М. Оценка влияния близкорасположенного помехового сигнала при калибровке на результирующую ДН ФАР. Радиотехника. 2012. №4. С. 96-101.

92. Коротецкий Е.В., Шитиков А.М. Оценка ошибок методов MTE и REV калибровки ФАР Радиотехника. 2014. №1. С. 72-78.

93. Россельс Н.А., Шишлов А.В., Шитиков А.М. Активные фазированные антенные решетки - некоторые вопросы настройки и обслуживания // Радиотехника. 2009. №4. С. 64-70.

94. Шитиков А.М., Афанасенков Ю.М. Калибровка фазированных антенных решёток в условиях помех // Радиотехника. 2010. №4. С. 46-51.

95. Шитиков А.М., Коротецкий Е.В., Саблин А.В. Опыт калибровки фазированных антенных решёток в ПАО «Радиофизика» // IV Всероссийская Микроволновая конференция. 2016. С. 187-190.

96. Шитиков А.М., Саблин А.В., Дурандин С.П. Особенности калибровки фазированных антенных решёток методом REV по движущемуся источнику сигнала // Радиотехника. 2017. №4. С. 20-27.

97. Lee K.M., Chu R.S., Liu S.C. A built-in performance-monitoring/fault isolation and correction (PM/FIC) system for active phased-array antennas // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1993. Vol. 41. №11 P. 1530-1540.

98. He G., Gao X., Zhou H. Fast phased array calibration by power-only measurements twice for each antenna element // International Journal of Antennas and Propagation. 2019. P. 1-10.

99. Long R., Yang F., Han W., Zhou L. Fast amplitude-only measurement method for phased array calibration // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2017. Vol. 65. №4. P. 1815-1822.

-137100. Leavitt M.K. A phase adaptation algorithm // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1976. Vol. 24. №5. P. 754-756.

101. Sorace R. Phased array calibration // Proceedings of the IEEE International Conference on Phased Array Systems and Technology. 2000. P. 533-536.

102. Sorace R. Phased array calibration // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. April 2001. Vol. 49. №4. P. 517-525.

103. Zalawadia K., Jain P., Shah H., Dalal U. An efficient calibration scheme for satellite onboard receive digital beamformer // IEEE Journal of Research. 2015. Vol. 61. № 6. P. 590-596.

104. Fadamiro A., Semomhe A., Famoriji O., Lin F. A multiple element calibration algorithm for active phased array antenna // IEEE Journal on Multiscale and Multiphysics Computational Techniques. 2019. Vol. 4. P. 163-170.

105. Fadamiro A., Famoriji O., Ali A., Zakariyya R., Zhang Z., Lin F. A fast and accurate multi-element calibration algorithm of an active phased antenna array // Progress in Electromagnetics Research. 2019. Vol. 78. P. 49-58.

106. Fadamiro A.O., Famoriji O.J., Kashif R., Ali M.D, Lin F. An improved calibration algorithm for active phased array antenna // Proceedings of the IEEE International Conference on Computational Electromagnetics. 2018. P. 1-3.

107. Silverstein S.D. Application of orthogonal codes to the calibration of active phased array antennas for communication satellites // IEEE Transactions on Signal Processing. 1997. Vol. 45. №1. P. 206-218.

108. Silverstein S.D. Algorithms for remote calibration of active phased array antennas for communication satellites // Proceedings of the 30th Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers. 1996. P. 1181-1185.

109. Silverstein S.D. Remote calibration of active phased array antennas for communication satellites // Proceedings of the IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing. 1997. Vol. 5. P. 4057-4060.

110. Lier E., Zemlyansky M., Farina D., Purdy D. Efficient phased array calibration and characterization based on orthogonal coding: Theory and experimental validation //

Proceedings of the IEEE International Symposium Phased Array Systems and Technology. 2010. P. 271-278.

111. Schwerdt M., Hounam D., Alvarez-Pères J., Molkenthin T. The calibration concept of TerraSAR-X: a multiple-mode, high-resolution SAR // Canadian Journal of Remote Sensing. 2005. Vol. 31. №1. P. 30-36.

112. Bräutigam B., Schwerdt M., Bachmann M., Stangl M. Individual T/R module characterisation of the TerraSAR-X active phased array antenna by calibration pulse sequences with orthogonal codes // Proceedings of the IEEE 27th International Geoscience And Remote Sensing Symposium, Barcelona, Spain, 2007. P. 5202-5205.

113. Bräutigam B., Schwerdt M., Bachmann M. An efficient method for performance monitoring of active phased array antennas // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2009. Vol. 47. №4. P. 1236-1243.

114. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985. - 384 c.

115. Пестряков В.Б. Шумоподобные сигналы в системах передачи информации. -М.: Советское радио, 1973. - 424 с.

116. Трухачёв А.А. Радиолокационные сигналы и их применения. -М.: Воениздат, 2005. - 320 с.

117. Сенин А.И. Корреляционные свойства последовательностей, построенных на основе М-последовательностей и последовательностей Уолша // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Приборостроение». 2014. №5. С. 88-97.

118. Steyskal H. Digital beamforming antennas // Microwave Journal. 1987. №1. P. 107-124.

119. Litva J., Lo T. Digital beamforming in wireless communications. - Artech House, 1996. - 301 p.

120. Григорьев Л.Н. Цифровое формирование диаграммы направленности в фазированных антенных решётках. - М.: Радиотехника, 2010. - 144 с.

-139121. Fulton C., Yeary M., Thompson D., Lake J., Mitchell A. Digital phased arrays: challenges and opportunities // Proceedings of the IEEE. 2016. Vol. 104. №3. P. 487-503.

122. Воскресенский Д.М., Добычина Е.М. Цифровые антенные решетки бортовых систем 2020. - М.: Радиотехника, 2020. - 240 с.

123. Слюсар В.И. Развитие схемотехники ЦАР: некоторые итоги. Часть 1. // Электроника: наука, технология, бизнес. Первая миля. 2018. №1. C. 72-77.

124. Слюсар В.И. Развитие схемотехники ЦАР: некоторые итоги. Часть 2. // Электроника: наука, технология, бизнес. Первая миля. 2018. №2. C. 76-80.

125. Oppenheim A.V., Schafer R.W. Discrete-time signals processing - Prentice-Hall, 2009. - 1144 p.

126. Kuo S.M. Gan W.S. Digital signal processors: architectures, implementations and applications. - Prentice Hal, 2004. - 624 p.

127. Витязев С.В. Цифровые процессоры обработки сигналов. - М.: Горячая линия - Телеком, 2017. - 100 с.

128. Welch T.B., Wright H.G., Morrow M.G. Real-time digital signal processing from MATLAB to C with the TMS320C6x DSPs. - 3rd ed., CRC Press, 2017. - 480 p.

129. Woods R., McAllister J., Lightbody G., Ying Yi FPGA-based implementation of signal processing systems. - 2nd ed., Willey, 2017. - 360 p.

130. Журавлев А.К., Лукошкин А.П., Поддубный С.С. Обработка сигналов в адаптивных антенных решётках. - Л.: Издательство Ленинградского университета, 1983. - 240 с.

131. Compton R.T. Adaptive antennas. Concepts and performance. - Prentice Hall, 1988. - 448 p.

132. Пистолькорс А.А., Литвинов О.С. Введение в теорию адаптивных антенн. -М.: Наука, 1991. - 200 с.

133. Allen B., Ghavami M. Adaptive array systems. Fundamentals and applications. -John Wiley & Sons Ltd., 2005. - 250 p.

134. Hudson J.E. Adaptive array principles. - The Institution of Engineering and Technology, 2007. - 253 p.

-140135. Monzingo R.A., Haupt R.L., Miller T.W. Introduction to adaptive arrays. - 2nd ed. SciTech Publishing, 2011. - 510 p.

136. Джиган В.И. Адаптивная фильтрация сигналов. Теория и алгоритмы. -М.: Техносфера, 2013. - 528 с.

137. Diniz P.S.R. Adaptive filtering algorithms and practical implementation. - 5th ed., Springer, 2020. - 495 p.

138. Farhang-Boroujeny B. Adaptive filters theory and applications - 2nd ed., John Willey & Sons, 2013. - 778 p.

139. Haykin S., Adaptive filter theory. - 5th ed., Pearson Education Inc., 2014. - 889 p.

140. Добычина Е.М. Калибровка ЦАР бортовых РЛС // Радиолокационные системы специального и гражданского назначения. 2010-2012 // Под ред. Ю.И. Белого. - М.: Радиотехника, 2011. - 920 с.

141. Добычина Е.М. Калибровка цифровых антенных решеток // Радиотехника. Антенны. 2013. №9(196). С. 46-55.

142. Добычина Е.М., Снастин М.В. Пат. 166501 Российская Федерация, МПК 7 H 01 Q 3/26. Устройство калибровки многолучевой антенной решетки / Заявитель и патентообладатель федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) (МАИ) (RU). - № 2016119618/28, заявл. 23.05.2016; опубл. 27.11.2016. Бюл. № 33. - 10 с.

143. Добычина Е.М., Снастин М.В., Солод А.Г. Имитационное моделирование процесса калибровки цифровой антенной решетки // Электросвязь. 2018. №12. С. 58-63.

144. Snastin M.V., Dobychina E.M. Calibration of a planar scanner for near-field antenna measurements // 2020 Systems of Signals Generating and Processing in the Field of on Board Communications. 2020. P. 1-4.

145. Thomson P. Adaptation by direct phase-shift adjustment in narrow-band adaptive antenna systems // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1976. Vol. 24. №5. P. 756-760.

-141146. Джиган В.И., Незлин Д.В. Градиентные алгоритмы в задачах дискретной фазовой адаптации антенных решёток // Радиотехника. 1991. №5. С. 84-86.

147. Незлин Д.В., Джиган В.И. Анализ структуры функционалов в задачах дискретной фазовой адаптации антенных решёток // Электронная техника. Серия 10: Микроэлектронные устройства. 1989. Т. 75. № 3. С. 3-6.

148. Djigan V.I. A forgotten technology: phase adaptation in arrays with digital beamforming // Proceedings of the International Conference «Antennas Theory and Technique». V.N. Karazin Kharkiv National University, Kharkiv, Ukraine, September 21-25, 2020. P. 20-24.

149. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Определения, теоремы, формулы, 3-е изд. / Пер. с англ. под ред. И.Г. Арамановича. - М.: Наука, 1978. - 832 с.

150. Proakis J.G., Manolakis D.G Digital signal processing. - 5th ed., Pearson, 2021. -1137 p.

151. Smith S. Digital Signal Processing: A practical guide for engineers and scientists. -1st ed., Newnes, 2013. - 666 p.

152. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы. - 4-е изд., М.: Радио и связь, 1986. - 512 c.

153. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. -3-е изд., М.: Высшая школа, 2000. - 462 с.

-142-Приложение А

Акты внедрения результатов диссертационной работы

Концерн ВКО

Алмаз - Антей

АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА АЛ. МИНЦА»

«

127083, г. Москва, ул. 8 Марта, д. 10, стр. 1, тел.: [phone], факс: [phone] E-mail: [e-mail], ОКПО 11498931, ОГРН 1027739323831, ИНН/КПП 7713006449/771301001

результатов диссертационной работы на соискание учёной степени кандидата технических наук Курганова Владислава Владимировича на тему «Алгоритмы калибровки малоэлементных антенных решёток»

Комиссия в составе: председателя комиссии - начальника комплексного отдела - заместителя генерального конструктора, д.т.н., профессора A.B. Тимошенко, членов комиссии - начальника отдела д.т.н. Д.И. Буханца и ведущего инженера к.т.н. A.M. Казанцева составили настоящий акт о том, что алгоритмы калибровки, с минимально возможным числом измерений выходной мощности антенных решёток (АР), равным трём для каждого калибруемого канала, разработанные Кургановым В.В., реализованы и используются при настройке и испытаниях опытных образцов АР L-диапазона с числом каналов 1024, создаваемых в АО «Радиотехнический институт имени академика A.JI. Минца» в проектах «Волга-МП» и «РИК ВКО МБ». Использование результатов диссертационной работы Курганова В.В. позволило повысить скорость калибровки АР и обеспечить снижение стоимости настройки и испытаний радиоэлектронных комплексов в 4 раза.

«УТВЕРЖДАЮ»

Генеральный конструктор АО «Радиотехнический институт

АКТ ВНЕДРЕНИЯ

Члены комиссии

Председатель комиссии

A.M. Казанцев

Общество с ограниченной ответственностью

«ЭЛИЛРС»

124460, г. Москва, г. Зеленоград, Ул. Конструктора Гуськова, дом 8, стр. 1 тел/факс: [phone] Электронная почта: infofa),eliars.ru

ИНН 7735140825 КПП 773501001 р/с 40702810738150008739 к/с 30101810400000000225

в ПАО Сбербанк г.Москва

Атливанчик _ 2021 г.

АКТ ВНЕДРЕНИЯ

результатов диссертационной работы на соискание учёной степени кандидата технических наук Курганова Владислава Владимировича на тему «Алгоритмы калибровки малоэлементных антенных решёток»

Комиссия в составе: председатель комиссии - заместитель генерального директора по НИР и ОКР, к.т.н. Криштопов A.B.; члены комиссии - генеральный конструктор Съедин М.В., заместитель главного конструктора, к.т.н. Щербаков A.B. составили настоящий акт о том, что алгоритм калибровки, не требующей предварительного фазирования антенной решётки (АР) и алгоритм калибровки фазовращателей, полученные Кургановым В.В., реализованы и использовались при настройке и испытаниях малоканальной АФАР экспериментального образца радиолокационного модуля Х-диапазона, разработанной ООО «ЭЛИАРС» в рамках СЧ НИР «Разработка экспериментальных образцов радиолокационных модулей Х- и Р- диапазонов длин волн для перспективного беспилотного летательного апппарата», шифр «Локатор-Элиарс». Использование результатов диссертационной работы Курганова В.В. позволило повысить скорость калибровки АФАР и обеспечить погрешность оценки фаз комплексных коэффициентов передачи каналов АФАР с точностью до единицы младшего разряда используемых фазовращателей, а также позволило уменьшить погрешность установки фазы в фазовращателях серийно выпускаемых приёмо-передающих каналов АФАР в 1,5...2 раза.

Председатель комиссии

A.B. Криштопов

Члены комиссии

М.В. Съедин

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники» Шокина пл., д.1, г.Зеленоград, Москва, 124498 Тел.:[phone] Факс:[phone] E-mail: [e-mail] http: //www.miet.ru ОГРН 1027739615584

_______№_____

на №___________

АКТ ВНЕДРЕНИЯ

результатов диссертационной работы на соискание учёной степени кандидата технических наук Курганова Владислава Владимировича на тему «Алгоритмы калибровки малоэлементных антенных решёток»

Настоящим актом подтверждается, что результаты диссертационной работы использованы в лабораторной работе «Бесфазовые алгоритмы калибровки фазированных антенных решёток» в курсе «Специальные главы антенно-фидерных устройств», в лабораторной работе «Корреляционный алгоритм калибровки антенных решёток с цифровой обработкой сигналов» в курсе «Современные алгоритмы цифровой обработки сигналов в радиолокации» и в лабораторной работе «Калибровка ЦАР на базе алгоритмов адаптивной фильтрации сигналов» в курсе «Адаптивная обработка сигналов в радиотехнических системах» в Институте микроприборов и систем управления имени JI.H. Преснухина (Институт МПСУ) Национального исследовательского университета «МИЭТ».

Применение алгоритмов и результатов диссертационной работы Курганова В.В. в учебном процессе способствует проведению занятий на высоком научном уровне с использованием современных достижений в области теории и практики управления аналоговыми и цифровыми антенными решётками.

Заместитель директора по образовательной деятельности Института МПСУ МИЭТ, к.т.н., доцент

«УТВЕРЖДАЮ» Проректор по инновационному развитию Национального исследовательского университета «МИЭТ»,

д.т.н.,

ЭД — доцент"-— v -

A.J1. Переверзев

2021 г.

Д.В. Калеев

ö С о 3

-146-Приложение Б

Тексты программ моделируемых алгоритмов

Б.1 Программа алгоритма калибровки 0-90-270

function [FM,hMF,FI_est,FIQ_est,FIQR_est,hMQ]= ...

seacrch_calibr_gm1_rect(M,Mz,My,Mx,FIQ_ste,FIQR_ste,r_F_qua_zyx,hME,CMF,B,ind_rand_df)

% Algorithm initialization

o o

[FIQ_ste,FIQR_ste]= ...

seacrch_calibr_init(M,Mz,My,Mx,FIQ_ste,FIQR_ste,r_F_qua_zyx,hME,CMF,B,ind_rand_df);

% Calibration algorithm

o o

F0=FIQR_ste;

%

FF=[0;pi/2;pi;3/2*pi];

PC=zeros(M,length(FF));

%

hMC=hME.*exp(1i*F0); UC=hMC.'*CMF;

PC(:,1)=UC*conj(UC);

%

for mz=1:Mz

for my=1:My

for mx=1:Mx

o

o

m=mx+(my-1)*Mx+(mz-1)*My*Mx;

o

o

F0_init=F0(m);

o o

[FIQR_pi]=mod2pi_rand(FIQ_ste(m),r_F_qua_zyx,mz,my,mx,B,ind_rand_df,FF(2));

F0(m)=FIQR_pi;

hMC=hME.*exp(1i*F0);

UC=hMC.'*CMF;

PC(m,2)=UC*conj(UC);

o o

[FIQR_pi]=mod2pi_rand(FIQ_ste(m),r_F_qua_zyx,mz,my,mx,B,ind_rand_df,FF(3));

F0(m)=FIQR_pi;

hMC=hME.*exp(1i*F0);

UC=hMC.'*CMF;

PC(m,3)=UC*conj(UC);

o o

[FIQR_pi]=mod2pi_rand(FIQ_ste(m),r_F_qua_zyx,mz,my,mx,B,ind_rand_df,FF(4));

F0(m)=FIQR_pi;

hMC=hME.*exp(1i*F0);

UC=hMC.'*CMF;

PC(m,4)=UC*conj(UC);

o

o

F0(m)=F0_init;

o o

end

end

end

Pk=(1/4)*(PC(:,2)+PC(:,4) -sqrt(4*PC(:,1).*PC(:,2)+4*PC(:,1).*PC(:,4)+2*PC(:,2).*PC(:,4)-4*PC(:,1).A2-PC(:,2).A2-PC(:,4).A2))

Pop=(1/4)*(PC(:,2)+PC(:,4)+sqrt(4*PC(:,1).*PC(:,2)+4*PC(:,1).*PC(:,4)+2*PC(:,2).*PC(:,4)-

4*PC(:,1).A2-PC(:,2).A2-PC(:,4).A2))

n=PC(:,2)<PC(:,4)

FM=(2*n-1).*acos((PC(:,1)+Pk-Pop)./(2*sqrt(PC(:,1).*Pk))) K_Gm=1./sqrt(Pk)

% Un-quantized estimated weights for channel error compensation and steering

o o

hMF=exp(1i*FM).*(exp(1i*(-FIQ_ste))*exp(1i*FIQ_ste(1)));

% Quantized estimated array weights for channel error compensation and steering

o

% -------------------------------------------------------------------------

FI_est=zeros(M,1);

FIQ_est=zeros(M,1); FIQR_est=zeros(M,1); hMQ=zeros(M,1); for mz=1:Mz

for my=1:My

for mx=1:Mx

o o

m=mx+(my-1)*Mx+(mz-1)*My*Mx;

o

o

FI_est(m)=angle(hMF (m)); [FIQR_est(m),FIQ_est(m)]=mod2pi_rand(FI_est(m),r_F_qua_zyx,mz,my,mx,B,ind_rand_df,0);

o

o

% Quantized initial weights % -------------------------

hMQ(m)=exp(1i*FIQR_est(m));

o o

end

end

end

Б.2 Программа алгоритма калибровки 0-90-180

function [FM,hMF,FI_est,FIQ_est,FIQR_est,hMQ]= ...

seacrch_calibr_gm2_rect(M,Mz,My,Mx,FIQ_ste,FIQR_ste,r_F_qua_zyx,hME,CMF,B,ind_rand_df)

% Algorithm initialization

o o

[FIQ_ste,FIQR_ste]= ...

seacrch_calibr_init(M,Mz,My,Mx,FIQ_ste,FIQR_ste,r_F_qua_zyx,hME,CMF,B,ind_rand_df);

% Calibration algorithm

o o

F0=FIQR_ste;

%

FF=[0;pi/2;pi;3/2*pi];

PC=zeros(M,length(FF));

%

hMC=hME.*exp(1i*F0); UC=hMC.'*CMF;

PC(:,1)=UC*conj(UC);

%

for mz=1:Mz

for my=1:My

for mx=1:Mx

o

o

m=mx+(my-1)*Mx+(mz-1)*My*Mx;

o

o

F0_init=F0(m);

o o

[FIQR_pi]=mod2pi_rand(FIQ_ste(m),r_F_qua_zyx,mz,my,mx,B,ind_rand_df,FF(2));

F0(m)=FIQR_pi;

hMC=hME.*exp(1i*F0);

UC=hMC.'*CMF;

PC(m,2)=UC*conj(UC);

o o

[FIQR_pi]=mod2pi_rand(FIQ_ste(m),r_F_qua_zyx,mz,my,mx,B,ind_rand_df,FF(3));

F0(m)=FIQR_pi;

hMC=hME.*exp(1i*F0);

UC=hMC.'*CMF;

PC(m,3)=UC*conj(UC);

o o

[FIQR_pi]=mod2pi_rand(FIQ_ste(m),r_F_qua_zyx,mz,my,mx,B,ind_rand_df,FF(4));

F0(m)=FIQR_pi;

hMC=hME.*exp(1i*F0);

UC=hMC.'*CMF;

PC(m,4)=UC*conj(UC);

o

o

F0(m)=F0_init;

o o

end

end

end

Pk=(1/4)*(PC(:,1)+PC(:,3) -sqrt(4*PC(:,1).*PC(:,2)+2*PC(:,1).*PC(:,3)+4*PC(:,2).*PC(:,3)-PC(:,1).A2-4*PC(:,2).A2-PC(:,3).A2))

Pop=(1/4)*(PC(:,1)+PC(:,3)+sqrt(4*PC(:,1).*PC(:,2)+2*PC(:,1).*PC(:,3)+4*PC(:,2).*PC(:,3)-

PC(:,1).A2-4*PC(:,2).A2-PC(:,3).A2))

n=PC(:,2)<((PC(:,1)+PC(:,3))/2)

FM=(2*n-1).*acos((PC(:,1)+Pk-Pop)./(2*sqrt(PC(:,1).*Pk))) K_Gm=1./sqrt(Pk)

% Un-quantized estimated weights for channel error compensation and steering

o o

hMF=exp(1i*FM).*(exp(-1i*FIQ_ste)*exp(1i*FIQ_ste(1)));

% Quantized estimated array weights for channel error compensation and steering

o

% -------------------------------------------------------------------------

FI_est=zeros(M,1);

FIQ_est=zeros(M,1); FIQR_est=zeros(M,1); hMQ=zeros(M,1); for mz=1:Mz

for my=1:My

for mx=1:Mx

o o

m=mx+(my-1)*Mx+(mz-1)*My*Mx;

o

o

FI_est(m)=angle(hMF(m)); [FIQR_est(m),FIQ_est(m)]=mod2pi_rand(FI_est(m),r_F_qua_zyx,mz,my,mx,B,ind_rand_df,0);

o

o

% Quantized initial weights % -------------------------

hMQ(m)=exp(1i*FIQR_est(m));

o o

end

end

end

-151-

Б.3 Программа алгоритма калибровки 6+2

function [FM,hMF,FI_est,FIQ_est,FIQR_est,hMQ]= ...

seacrch_calibr_QG_rect(M,Mz,My,Mx,FIQ_ste,FIQR_ste,r_F_qua_zyx,hME,CMF,B,ind_rand_df)

FM=zeros(M,1);

F0=FIQR_ste;

FP=FIQR_ste;

О

о

for mz=1:1

for my=1:1

for mx=1:1

о

о

m=mx+(my-1)*Mx+(mz-1)*My*Mx;

[FIQR_pi]=mod2pi_rand(FIQ_ste(m),r_F_qua_zyx,mz,my,mx,B,ind_rand_df,pi); FP(m)=FIQR_pi;

О

о

end

end

end

о

hM00=hME.*exp(1i*F0); hM0P=hME.*exp(1i*FP);

О

U00=hM00.'*CMF; U0P=hM0P.'*CMF; P00=U00*conj(U00); P0P=U0P*conj(U0P);

О

P10=zeros(M,1); P1P=zeros(M,1); P2 0=zeros(M,1); P2P=zeros(M,1); P30=zeros(M,1); P3P=zeros(M,1);

О

for mz=1:Mz

for my=1:My

о

о

if mz==1 && my==1 mx1=2;

else

mx1=1;

end

о

о

for mx=mx1:Mx