В.И. Джиган

Инcтитут проблем проектирования в микроэлектронике РАН (Москва, г. Зеленоград, Россия)

Постановка проблемы. В настоящее время антенные решетки (АР) используются в радиосистемах различного назначения в качестве направленных антенн. Большинство алгоритмов управления такими антеннами предполагают идеальную модель АР с одинаковыми электрическими характеристиками каналов, которые сложно обеспечить из-за разброса характеристик радиочастотных компонентов, используемых при изготовлении решеток, а также из-за неточности установки этих компонентов, конструктивных ограничений и по ряду других причин. Поэтому после изготовления АР достаточно часто требуется настройка ее радиочастотных узлов. Ручная настройка - дорогостоящая и трудоемкая процедура. Кроме того, ее нельзя применить в процессе эксплуатации АР, характеристики компонентов которой зависят от изменения температуры окружающей среды или питающих напряжений. Однако АР имеет в каждом канале дискретный управляемый фазовращатель (ФВ), с помощью которого можно не только управлять лучом этой решетки, но и скомпенсировать разброс фазовых характеристик ее каналов. Процесс оценки и компенсации этого разброса называется калибровкой.

Цель. Представить бесфазовый алгоритм калибровки АР, позволяющий оценить и скомпенсировать относительные фазы сигналов в ее каналах с помощью ФВ, являющихся неотъемлемой частью АР.

Результаты. Предложен бесфазовый алгоритм калибровки АР, который не требует доступа к сигналам ее каналов, а для работы использует только измерения выходной мощности. Показано, что этот алгоритм требует примерно на 33% меньше измерений мощности по сравнению с аналогичным алгоритмом, которому необходимо 2+6(M-1) таких измерений (где M – число каналов решетки). Установлено, что погрешность оценки фазы предложенного и известного алгоритмов калибровки одинакова и не превышает одного дискрета фазы, соответствующего младшему разряду дискретного ФВ.

Практическая значимость. Предложенный бесфазовый алгоритм калибровки АР может быть использован в приемной или передающей АР произвольной геометрической конфигурации после изготовления или в процессе эксплуатации.

Джиган В.И. Бесфазовый алгоритм калибровки антенной решетки, оптимизированный по требуемому числу измерений ее выходной мощности // Радиотехника. 2022. Т. 86. № 6. С. 80-95. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202206-12

1. Balanis C.A. Antenna theory: analysis and design (4th ed.). Wiley, 2016. 1104 p.
2. Maillou R.J. Phased array antenna handbook. 3rd ed. Artech House, Inc., 2017. 506 p.
3. Brown A.D. Active electronically scanned arrays: fundamentals and applications. Wiley-IEEE Press. 2021. 272 p.
4. Sharma S.K., Chieh J.-C.S. Multifunctional antennas and arrays for wireless communication systems. Wiley-IEEE Press. 2021. 458 p.
5. Williams J.S. Electronic scanned array design (radar, sonar and navigation). Scitech Publishing. 2021. 357 p.
6. Самойленко В.И., Шишов Ю.А. Управление фазированными антенными решетками. М.: Радио и связь. 1983. 240 с.
7. Шифрин Я.С. Вопросы статистической теории антенн. М.: Советское радио. 1970. 384 с.
8. 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.
9. Sebak A., Shafai L., Moheb H., Ittipiboon A. The effect of random amplitude and phase errors on phased arrays performance // Proc. of the Symposium on Antenna Technology and Applied Electromagnetics. 1990. P. 391-396.
10. Hong W., Maaskant R., Liu D., Wang H., Shamim A., Smolders B., Manteuffel D. Guest editorial antenna-in-package, antenna-on-chip, antenna-IC interface: joint design and cointegration // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2019. V. 18. № 11.
    P. 2345–2350.
11. Коротецкий Е.В., Шитиков А.М., Денисенко В.В. Методы калибровки фазированных антенных решеток // Радиотехника. 2013. № 5. С. 95–104.
12. Курганов В.В., Джиган В.И. Калибровка антенных решеток с малым числом элементов: проблемы и их решения // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС). 2020. Вып. 4. С. 159–168.
13. 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 (Pt. I. Communications). 1982. V. 65. № 5. P. 58–64.
14. Yoon Hong-Jib. Min B.-W. Improved rotating-element electric-field vector method for fast far-field phased array calibration // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2021. V. 69. № 11. P. 8021–8026.
15. 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.
16. 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. Article ID 6432149. 2019. 10 p.
17. Kurganov V., Djigan V. Simple algorithm for antenna array calibration // Proceedings of IEEE Siberian Conference on Control and Communications (Sibcon). Kazan. Russia. May 13-15 2021. 5 p.
18. Курганов В. В., Джиган В. И. Бесфазовые алгоритмы калибровки антенных решеток минимальным числом измерений выходной мощности // Радиотехника. 2021. № 3. C. 96–108.
19. Leavitt M. K. A phase adaptation algorithm // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 1976. V. 24. № 5. P. 754–756.
20. Sorace R. Phased array calibration // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 2001. V. 49. № 4. P. 517–525.
21. Fadamiro A.O., Samomhe A.A.-H., Famoriji O.J., Lin F. A multiple element calibration algorithm for active phased array antenna // IEEE Trans. Multiscale and Multiphysics Computational Techniques. 2019. V. 4. P. 163–169.
22. Djigan V., Kurganov V. Antenna array calibration algorithm based on phase perturbation // Proceedings of the 17th IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS). Batumi. Georgia. September 13-16 2019. P. 29–33.
23. Джиган В.И., Курганов В.В. Алгоритм калибровки фазированной антенной решетки, не требующий доступа к сигналам ее элементов // Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника. 2020. Т. 63. № 1. С. 1–14.
24. 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.
25. Brown A. D., Boeringer D., Cooke T. Electronically scanned arrays. MATLAB® modelling and simulation. CRC Press. 2012. 214 p.