АНАЛИЗ ПРИЧИН ВОЗНИКНОВЕНИЯ ОШИБОК В АМПЛИТУДНО-ФАЗОВОМ РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЛИНЕЙНЫХ ФАЗИРОВАННЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК И МЕТОДИКА ИХ УМЕНЬШЕНИЯ
DOI:
https://doi.org/10.18522/2311-3103-2026-1-%25pКлючевые слова:
ФАР, калибровка ФАР, определение АФР, измерение характеристик ФАР, эксплуатация ФАР, эволюционные алгоритмы, генетический алгоритмАннотация
Для использования фазированной антенной решётки в режиме диаграммоформирования необходимо установить определённое амплитудно-фазовое распределение на входах излучающих элементов. Амплитудные и фазовые ошибки искажают диаграмму направленности. В работе анализируются источники ошибок в амплитудно-фазовом распределении фазированных антенных решёток, включая паразитные фазовые сдвиги, нелинейность усилительных трактов, температурную нестабильность и взаимные электромагнитные связи между элементами. Описаны три методики калибровки и настройки фазированных антенных решёток, основанные на прямых измерениях коэффициентов передачи в ближней зоне и последующем вычислении вектора воздействий с использованием обратных и псевдообратных матриц взаимных связей, что обеспечивает системный подход к устранению ошибок. Для получения начальных значений предварительно проводилась калибровка каждого канала по закрытому тракту с помощью векторного анализатора цепей. Методика 1 реализует корректировку по множеству точек в пространстве и одному набору состояний каждого канала. Для повышения устойчивости решения методика 2 использует регуляризацию элементов матрицы взаимных связей на основе дополнительного набора измеренных состояний каждого канала. Методика 3 позволяет построить математическую модель конкретной реализации фазированной антенной решётки на основе измерений при фиксированном состоянии каналов, что обеспечивает формирование произвольного амплитудно-фазового состояния без повторных измерений. Проведена экспериментальная настройка восьмиэлементной эквидистантной линейной фазированной антенной решётки. Модули аттенюатора/фазовращателя решётки основаны на отладочных платах фазовращателя PE44820 и аттенюатора PE4302 и управляются с помощью микроконтроллера для автоматического изменения фаз и амплитуд. Измерения проводились автоматически на стенде ближнего поля в безэховой экранированной камере с помощью векторного анализатора цепей. Представлены результаты калибровки, построены матрицы взаимных связей и сформированы диаграммы направленности, подтверждающие работоспособность предложенных подходов. Поскольку экспериментальная решётка является малоэлементной, результаты применения рассмотренных методик сравниваются с результатами настройки в дальней зоне, выполненной с использованием эволюционного алгоритма.
Библиографические ссылки
1. Andropov A.V., Kuz'min S.V. Metodika sinteza diagramm napravlennosti antennykh reshetok s pro-izvol'nym raspolozheniem izluchayushchikh elementov [Methodology for synthesizing directional pat-terns of antenna arrays with arbitrary arrangement of radiating elements], Tr. uchebnykh zavedeniy svyazi [Proceedings of Communications Educational Institutions], 2022, Vol. 8, No. 2, pp. 15-28.
2. Dmitrieva V.V., Korovin K.O., Likontsev A.N. Sintez diagramm napravlennosti antennykh reshetok dlya bol'shikh uglov skanirovaniya s ispol'zovaniem geneticheskogo algoritma [Synthesis of directional pat-terns of antenna arrays for large scanning angles using a genetic algorithm], Tr. uchebnykh zavedeniy svyazi [Proceedings of Communications Educational Institutions], 2024, Vol. 10, No. 1, pp. 49-57.
3. Brown A.D. Electronically Scanned Arrays MATLAB® Modeling and Simulation. Boca Raton: CRC Press, 2012б 229 p. ISBN. DOI: 10.1201/b12044.
4. Shifrin Ya.S. Voprosy statisticheskoy teorii antenn [Questions of the statistical theory of antennas]. Mos-cow: Sov. radio, 1970, 383 p.
5. Spravochnik po antennoy tekhnike [Handbook of antenna technology]: in 5 vol. Vol. 1, ed. by
L.D. Bakhrakha. Moscow: Radiotekhnika, 1997, 248 p.
6. Kutuzov O.I., Tatarnikova T.M. Modelirovanie sistem. Imitatsionnyy metod: uchebnik [Modeling of systems. Simulation method: textbook]. Saint Petersburg.: Lan', 2022, 223 p.
7. Korotetskiy E.V., Shitikov A.M., Denisenko V.V. Metody kalibrovki fazirovannykh antennykh reshetok [Methods for calibrating phased antenna arrays], Radiotekhnika [Radio Engineering], 2013, No. 5, pp. 95-104.
8. Kruglov V.G., Mednikov V.V. Issledovanie otkloneniya fazy i amplitudy koeffitsienta otrazheniya fazostabil'noy kabel'noy sborki pri izmenenii temperatury okruzhayushchey sredy [Study of the deviation of the phase and amplitude of the reflection coefficient of a phase-stable cable assembly with changes in the ambient temperature]. Available at: https://www.micran.ru/about/blog/izmenenie-fazovoy-i-amplitudnoy-stabilnosti-ksf26-pri-izmenenii-t-nnjn-kvg-j/ (accessed 13 May 2025).
9. Khansen R.S. Fazirovannye antennye reshetki [Phased antenna arrays]: transl. from Engl. Moscow: Tekhnosfera, 2012, 560 p.
10. Anisimov A.A. i dr. Primenenie matritsy vzaimnykh svyazey pri nastroyke FAR [Application of the ma-trix of mutual connections in tuning a phased array], Radiolokatsiya i radiosvyaz': Mater. V Vseros. nauch.-tekhn. konf. [Radar and radio communications: Proceedings of the V All-Russian scientific and technical conference]. Moscow: IRE RAN, 2011, pp. 3-8.
11. Lei J., Fu G., Yang L., Fu D.-M. Wide band linear printed antenna array with low sidelobe cosecant square-shaped beam pattern, Progress In Electromagnetics Research C, 2010, Vol. 15, pp. 233-241. DOI: 10.2528/PIERC09112702.
12. Shubnikov V.V., Rivkin M.I. Metodika ekspress-analiza RTKh FAR v ekspluatatsionnykh usloviyakh [Methodology for express analysis of phased array radio-technical characteristics under operating condi-tions], Vestnik vozdushno-kosmicheskoy oborony [Bulletin of Aerospace Defense], 2018, No. 4 (20), pp. 105-108.
13. Golovitskiy A.P. Obratnye zadachi eksperimental'noy fiziki: prakticheskie aspekty: ucheb. posobie [In-verse problems of experimental physics: practical aspects: textbook]. Saint. Petersburg: SPbGTU, 2008, 222 p.
14. Garmash V.N., Malakshinov N.P., Puzankov V.F. Chislennye metody resheniya nekotorykh obratnykh zadach vosstanovleniya kharakteristik izluchayushchikh sistem po izmerennym polyam v dal'ney i blizhney zonakh [Numerical methods for solving some inverse problems of reconstructing the character-istics of radiating systems from measured fields in the far and near zones], Sb. nauchno-metodicheskikh statey po prikladnoy elektrodinamike [Collection of scientific and methodological articles on applied elec-trodynamics]. Moscow: Vyssh. shk., 1983, Issue 5, pp. 98-130.
15. Khashimov A.B. Regulyariziruyushchie skhemy v zadachakh vosstanovleniya polya izlucheniya antenn po izmereniyam v blizhney [Regularizing schemes in problems of antenna radiation field reconstruction from near-field measurements], Vestnik YuUrGU. Seriya "Komp'yuternye tekhnologii, upravlenie, radi-oelektronika" [Bulletin of SUSU. Series "Computer technologies, control, radio electronics"], 2014, Vol. 14, No. 2, pp. 70-80.
16. PE44820 – Tsifrovoy 8-bitnyy fazovrashchator: datasheet [PE44820 – Digital 8-bit phase shifter: datasheet]. Available at: https://psemi.com/pdf/datasheets/pe44820ds.pdf (accessed 11 July 2025).
17. PE4302 – Tsifrovoy 6-bitnyy attenyuator: datasheet [PE4302 – Digital 6-bit Attenuator: datasheet]. Available at: https://clck.ru/3N4ZjP (accessed 11 July 2025).
18. STM32H723: datasheet. Available at: https://clck.ru/3N4ai2 (accessed 11 July 2025).
19. Saymon D. Algoritmy evolyutsionnoy optimizatsii: prakticheskoe rukovodstvo [Evolutionary optimiza-tion algorithms: a practical guide]: transl. from Engl. by A.V. Logunova. Moscow: DMK Press, 2020, 1002 p.
20. Dunaev N.P., Kuz'min S.V., Makarov V.A. Opyt primeneniya geneticheskogo algoritma dlya na-stroyki i kalibrovki antennoy reshetki v dal'ney zone [Experience in applying a genetic algorithm to far-field an-tenna array tuning and calibration], Antenny i rasprostranenie radiovoln: Sb. dokl. Vseros. nauch.-tekhn. konf. [Antennas and Radio Wave Propagation: Collection of Papers from the All-Russian Scientific and Technical Conference]. Saint Petersburg: SPbGETU "LETI", 2023, pp. 75-77.
21. pinv, MATLAB Exponenta: dokumentatsiya [MATLAB Exponenta: documentation]. Available at: https://docs.exponenta.ru/matlab/ref/pinv.html (accessed 21 August 2024).
22. Strang G. Introduction to Linear Algebra. 5th ed. Wellesley: Wellesley-Cambridge Press, 2016б 574 з. ISBN 978-0-9802327-7-6.
23. lsqminnorm, MATLAB Exponenta: dokumentatsiya [MATLAB Exponenta: documentation]. Available at: https://docs.exponenta.ru/matlab/ref/lsqminnorm.html#d123e829846 (accessed 21 August 2024).
24. svd, MATLAB Exponenta: dokumentatsiya [MATLAB Exponenta: documentation]. Available at: https://docs.exponenta.ru/matlab/ref/double.svd.html (accessed 21 August 2024).
25. Decomposition, MATLAB Exponenta: dokumentatsiya [MATLAB Exponenta: documentation]. Availa-ble at: https://docs.exponenta.ru/matlab/ref/decomposition.html#d123e318933 (accessed 21 August 2024).
26. Golub Dzh., Van Loun Ch. Matrichnye vychisleniya [Matrix computations]: transl. from Engl. [and scientific editor] B.V. Sayfulina, Yu.A. Kuznetsova, V.B. Stepanova. 3rd ed. Moscow: Mir, 1999, 548 p. ISBN 5-03-002406-9.
