В.В. Курганов¹, В.И. Джиган²

1 Национальный исследовательский университет «МИЭТ» (Москва, г. Зеленоград, Россия)

2 ФГБУН «Институт проблем проектирования в микроэлектронике» Российской академии наук  (Москва, г. Зеленоград, Россия)

Постановка проблемы. Антенные решетки (АР) − это сложные многоканальные системы, значительная часть которых реализуется с помощью аналоговых активных и пассивных радиокомпонентов. Они широко используются в качестве направленных антенн радиотехнических систем различного назначения. Разброс характеристик радиокомпонентов обычно растет с увеличением рабочей частоты, что сказывается на неидентичности каналов антенной решетки, на которую также влияет точность и качество механической сборки АР (точность установки элементов, качество пайки и т.п.), температура окружающей среды, стабильность источников питающих напряжений и ряд других факторов. Как следствие, часто после изготовления и даже в процессе эксплуатации электрические характеристики каналов АР становятся неидентичными. Это затрудняет, а иногда делает и невозможным управление АР с помощью различных алгоритмов, базирующихся на ее идеальной модели, т.е. модели решетки с одинаковыми электрическими характеристиками каналов. Данная проблема решается с помощью калибровки АР, которая включает в себя определение комплексных коэффициентов передачи ее каналов и компенсацию их разброса после изготовления или учет этого разброса при управлении решеткой в рабочем режиме. Необходимы новые простые алгоритмы калибровки АР из семейства бесфазовых алгоритмов, поскольку для их реализации не требуется дорогостоящее фазометрическое оборудование. Цель. Представить новые простые алгоритмы калибровки АР, которые используют три неравномерно расположенные фазовые состояния в каждом из каналов (0, 90 и 270° или 0, 90 и 180°) и соответствующие им измерения выходной мощности АР для определения значений комплексных коэффициентов передачи каждого из ее каналов.

Результаты. Предложены алгоритмы, которые используют только три измерения выходной мощности антенной решетки для калибровки каждого ее канала при последовательном изменении в нем текущих фазовых состояний на 0, 90 и 270° или на  0, 90 и 180°. Рассмотрены принципы работы представленных алгоритмов и основные шаги их получения, базирующиеся на геометрическом представлении сигналов в АР. Для оценки значений комплексных коэффициентов передачи каналов АР (амплитуд и фаз этих коэффициентов) использованы уравнения, полученные путем решения системы четырех действительных линейных уравнений. Продемонстрирована эффективность алгоритмов путем моделирования. Показано, что при увеличении числа разрядов используемых фазовращателей точность предложенных алгоритмов приближается к точности фазовращателей и не зависит от числа каналов АР. Установлено, что евклидово расстояние между диаграммами направленности калиброванной с помощью этих алгоритмов решетки и идеальной решетки также не зависит от числа ее каналов, а зависит только от числа разрядов используемых фазовращателей. 

Практическая значимость. Предложенные алгоритмы, благодаря простоте, могут быть использованы не только для калибровки АР в специальных условиях, например, в безэховой камере, но и в процессе их эксплуатации в полевых условиях. 

Курганов В.В., Джиган В.И. Бесфазовые алгоритмы калибровки антенных решеток с минимальным числом измерений выходной мощности // Радиотехника. 2021. Т. 85. № 3. С. 96-108. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486202103-10

1. Бененсон Л. С., Журавлев В. А., Попов, С. В., Постнов Г. А. Антенные решетки. Методы расчета и проектирования. Обзор зарубежных работ. М.: Советское радио. 1966. 367 с.
2. Активные фазированные антенные решетки / Под ред. Д. И. Воскресенского и А. И. Канащенкова. М.: Радиотехника. 2004. 488 с.
3. Balanis C. A. Antenna theory: analysis and design. 4-th ed. John Wiley & Sons, Inc. 2016. 1095 p.
4. Maillou R. J. Phased array antenna handbook. 3-rd ed. Artech House, Inc. 2017. 506 p.
5. Darabi H. Radiofrequency integrated circuits and systems. 2-nd ed. Cambridge University Press. 2020. 778 p.
6. Woods R., McAllister J., Lightbody G., Ying Yi. FPGA-based implementation of signal processing systems. 2-nd ed. Willey. 2017. 360 p.
7. Витязев С. В. Цифровые процессоры обработки сигналов. М.: Горячая линия – Телеком. 2017. 100 с.
8. Самойленко В. И., Шишов Ю. А. Управление фазированными антенными решетками. М.: Радио и связь. 1983. 240 с.
9. Liu D., Pfeiffer U., Gaucher B., Grzyb J. Advanced millimeter-wave technologies: antennas, packaging and circuits. Wiley. 2009. 850 p.
10. Zhang Y. P., Liu D. Antenna-on-chip and antenna-in-package solutions to highly integrated millimeter-wave devices for wireless communications // IEEE Trans. Antennas and Propagation. V. 57. № 10. 2009. P. 2830–2841.
11. Liu D., Zhang Y. P. Integration of array antenna in chip package for 60 GHz radios // Proceedings of the IEEE. 2012. V. 100. №. 7. P. 2364–2371.
12. Шифрин Я.С. Вопросы статистической теории антенн. М.: Советское радио. 1970. 384 с.
13. Godara L. C. The effect of phase-shifter errors on the performance of an antenna-array beamformer // IEEE Journal of Oceanic Engineering. 1985. V. 10. №. 3. P. 278–284. 
14. Коротецкий Е. В., Шитиков А. М., Денисенко В. В. Методы калибровки фазированных антенных решеток // Радиотехника. 2013. № 5. С. 95–104.
15. 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. № 4. C. 159–168.
16. Leavitt M. K. A phase adaptation algorithm // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 1976. V. 24. № 5. P. 754–756.
17. Sorace R. Phased array calibration // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 2001. V. 49. № 4. P. 517–525.
18. Джиган В. И., Курганов В. В. Алгоритм калибровки фазированной антенной решётки, не требующий доступа к сигналам её элементов // Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника. 2020. № 1. C. 3–20.
19. 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. V. 65. № 5. P. 58–64.
20. Бубнов Г. Г., Никулин С. М., Серяков Ю. Н., Фурсов С. А. Коммутационный метода измерения характеристик ФАР. М.: Радио и связь. 1988. 120 с.
21. Бондарик А.В., Шитиков А. М., Шубов А. Г. Об использовании в многоканальных фазированных антенных решетках поэлементных методов калибровки без применения фазометрической аппаратуры // Антенны. 2005. № 1. С. 15–21.
22. Takahashi Т. Fast measurement technique for phased array calibration // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2008. V. 56. № 6. P. 1888–1899. 
23. Кочемасов В., Шадский В. Твердотельные СВЧ-фазовращатели. Часть 1 // Электроника: наука, технология, бизнес. 2017. № 1. С. 86–100.
24. Кочемасов В., Шадский В. Твердотельные СВЧ-фазовращатели. Часть 2 // Электроника: наука, технология, бизнес. 2017. № 2. С. 79–90.
25. He G., Gao X., Zhou H. Fast phased array calibration by power-only measuremets twice for each antenna element // International Journal of Antennas and Propogation. Article ID 6432149. 2019. 10 p.
26. Long R., Yang F., Han W., Zhou L. Fast amplitude-only measurement method for phased array calibration // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2017. V. 65. № 4. P. 1815–1822.
27. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работкников и инженеров. Определения, теоремы, формулы. Изд. 3-е / Пер. с англ. под ред. И. Г. Арамановича. М.: Наука. 1978. 832 с.
28. Brown A. D., Boeringer D., Cooke T. Electronically scanned arrays. MATLAB® modelling and simulation. CRC Press. 2012. 214 p.