[发明专利]有源相控阵天线自诊断修复装置

说明书

本发明公开了一种有源相控阵天线自诊断修复装置，利用本发明可以实现有源相控阵天线电性能的自诊断和修复，显著提高监测效率。本发明通过下述方案予以实现：在发射状态，射频信号进入硅芯片组件，低频信号进入控制修复模块，将计算出来的幅/相码发送给硅芯片组件完成射频信号的空间功率合成；在接收状态，控制修复模块将计算出来的幅/相码发送给硅芯片组件，射频信号经放大、移相后进入功率分配合成网络模块实现接收；在收/发状态中，控制修复模块采用模数AD芯片进行数字采样，通过FPGA芯片进行工作状态故障诊断，并在有源相控阵天线停止工作情况下，启用刷新控制电路将有源相控阵天线自启动，并进行有源相控阵天线工作状态的刷新和自修复。

技术领域

本发明涉及电子技术领域中一种有源相控阵天线自诊断修复装置。

背景技术

随着雷达工作电磁环境的日益恶化、辐射单元数量的与日俱增，作为无线通信系统的核心收发器件，相控阵天线在日常工作过程中不可避免地会产生TR组件、波控机、或者辐射单元失效的现象。如何通过测量相控阵天线的辐射特性，利用一定的故障诊断方法，定位故障单元的具体位置并判断故障类型，进而为后续的决策维修提供有效的指导，对相控阵天线的测试与诊断技术提出了迫切的需求，目前仍然是一项较为复杂的技术难题。通常情况下，现代大型有源相控阵天线的组件数量一般都很大，成千上万个发射源合成的总功率可以高达数十兆瓦，并且现代有源相控阵天线TR组件测试通路多、测试数据处理量大、测试效率低，要在短时间内完成每个组件的输出功率、频谱、脉冲检波包络、幅频特性、相频特性的检测和幅度相位的一致性分析，对天线测试的手段提出了很高的要求。相控阵天线通常要求具备高可靠性和高稳定性，能够长时间无故障工作。然而，一方面在设计和制造过程中受到加工工艺水平的制约，另一方面在实际环境中受到恶劣自然环境因素的影响，两种因素的合力加速了TR组件的元器件异常或波控机不工作，进而引起天线单元失效，从而导致天线探测能力下降。当失效辐射单元的数量达到一定程度后，将会严重影响到相控阵天线性能的充分发挥。当相控阵天线发生故障后，在无需雷达完全停止工作的前提下，如何通过监测其状态，获取关键性能参数，及时对出现故障的天线单元进行快速定位并排除故障，迅速恢复相控阵天线的技术指标，目前仍然是一项十分复杂的技术难题。由于大量的有源设备的引入，有源相控阵天线系统的多样性、复杂性决定了系统设备较难实现较高的稳定性。过去手动的测试是人工依次将各通道打开与关闭，测量每个通道的幅相特性并记录数据，对于规模小的相控阵天线可行，但对于通道数量多的相控阵天线而言这种方法既浪费人力又耗费时间，尤其是占用微波暗室的时间长，使得本来就显得不足的有限资源更加紧张。由于有源相控阵天线的有源组件直接与阵列单元相连，TR组件位置前置，降低了系统损耗，多个独立的TR组件和阵列单元形成独立的系统，只有当20%以上的TR组件失效/损毁后才会严重影响雷达的性能。有两种方法可以使有源相控阵天线性能稳定：一种是阵列采用高精密或经过补偿的元件，这些元器件的参数随时间或环境变化小，同时采用小型的监控设备进行在线健康监测；另一种是采用公差要求不太严格的元器件，并提供整套开环或闭环校正系统，对有源相控阵天线的射频通道进行幅相校准。但对于含有上万个辐射单元的大型有源相控阵天线，一方面采用将被测对象置于转台进行常规远场测量几乎不可能实现，而且受到多径效应的影响，测试精度也很难保证；另一方面近场测量需要采用大型扫描架探头抽测相控阵天线每一组配相状态下的幅/相信息，导致测试效率难以忍受，此外近场测量通常需要在微波暗室进行，难以实现现场实时检测。这两方面的因素使得相控阵天线的故障诊断与维修工作比其他类型的天线要复杂得多。相控阵天线故障诊断方法的实施依赖于参数测量获取的数据，即首先通过对相控阵天线性能进行测试，获取诸如天线增益、波束宽度、波束指向、波束零点、副瓣电平、副瓣位置、系统G/T值、极化方式、跟踪范围等基本故障特征参数，通过性能监测系统发现天线异常后，利用所获取的故障信息，通过调用相应的故障诊断策略定位具体故障辐射单元的位置，实现相控阵天线的故障诊断。最后采取包括直接更换异常单元或者利用各种补偿算法的故障维修策略进行维修，以使相控阵天线尽快恢复良好的工作状态。其中作为表征天线辐射能量随着距离变化在空间分布的几何图形，在远场范围内对天线方向图的测试仍然是一项工作量十分庞大的任务。对于含有上万个辐射单元的现代大型有源相控阵天线，由于被测对象无法转动，而且存在地面反射杂波所造成的多径效应，加之受制于设备、场地和时间的制约，很难甚至不可能在外场利用转台进行天线性能的远场测试，测试精度难以保证。低副瓣相控阵天线在现有远场测试距离不足，导致了邻近主瓣的副瓣区测量误差较大的实际问题。传统远场测量法由于测量时间长又无检测功能而无法满足要求。近场测量法对相控阵天线的和测试起了积极的作用，但测试效率仍然较低，这是因为对天线的每一组配相都要重新进行一次扫描测量。另外该方法需要造价昂贵的大型扫描架且对环境的要求较高，而且难于实现对相相控阵天线快速测量和故障诊断的现场检测。在近远场条件下大型相控阵天线方向图难以测试，中场测试技术也很难单独确定辐射单元幅/相特性以及定位TR组件。每当确定一组配相形成对应的波束时，在近场区域内，探头都要完成一次扫描测量工作。因此，需要在相控阵天线所有可能的配相状态下，对扫描范围内所有可能出现的波束进行测量。对动辄辐射单元数量达到上万个之多的现代有源相控阵，完成一次测试通常需要若干个月，需要处理大量的测试数据，这将导致测试效率低下。且这种技术通常需要在微波暗室内将天线停机分块进行检修，无法满足现场检测的需要。有源相控阵天线故障诊断系统，需要利用阵面性能测试来获取数据、实现故障单元的定位与类型判别两大功能。其中发射阵面性能参数的测试需要实现天线方向图、增益、波束宽度、发射频率稳定性与频谱特性（谐波、杂散）等指标的测试，接收端测试是指探头接收信号的幅度和相位信息。而阵面判故则要求系统具备对故障单元进行定位以及类型识别的能力。由于现代相控阵天线阵面通常由大量的天线单元构成，直接对每个阵元进行单独测试需要耗费大量的测试时间，将导致测试效率低下。在测试进行过程中，需要测试场周围环境造成的反射干扰尽可能小，因为源天线照射待测天线时，除直射波以外，还有来自地面、周围物体等的反射波，反射干扰由于其相位、频率、方向的无规律性，将干扰正常的测量参数，从而使待测天线口面产生相位差，造成增益下降、副瓣电平抬高等现象，引起较大的测量误差。特别是多径效应的存在，影响到所有的外场测试过程，会大大降低测试结果的准确性。一般来说，外场测试环境无法消除多径效应的存在。