姚志文

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009)

一種彈載相控陣天線波束控制系統(tǒng)設(shè)計

姚志文

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009)

介紹了一種彈載相控陣天線波束控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù)，采用主機集中運算方案，利用合理的總線分配和FPGA并行處理能力，實現(xiàn)了波控碼并行計算與數(shù)據(jù)傳輸，仿真與測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠滿足彈載應用的實時性和穩(wěn)定性。

相控陣天線； T/R組件； 波束控制； FPGA

0 引 言

相控陣雷達導引頭具有功率密度大、電掃描快速跟蹤、多目標信息提取、空時自適應信號處理(STAP)、自適應抗干擾、體積小和可靠性高等多種優(yōu)勢，越來越多地被用于戰(zhàn)術(shù)導彈系統(tǒng)，其中包括美國新一代空空導彈、先進反輻射導彈、“戰(zhàn)斧”反艦巡航導彈、巡航導彈攔截彈、歐洲近距防空導彈等，裝配相控陣天線的相控陣導引部件正在引領(lǐng)新一代雷達彈的發(fā)展方向。

波束控制系統(tǒng)是相控陣天線的重要組成部分，

是相控陣天線實現(xiàn)其功能的基礎(chǔ)，相控陣天線加電與斷電、校準及波束掃描，均由波束控制系統(tǒng)進行控制。

1 波束控制原理

相控陣天線與普通陣列天線的本質(zhì)差別在于前者的每個陣元或子陣都接有移相器。通過數(shù)字移相器，改變陣元或子陣的饋電電流相位，使陣列孔徑形成新的等相位面，改變波束的指向，而天線本身不做機械運動。相控陣天線波束電掃的這一功能是通過波束控制系統(tǒng)實現(xiàn)的。

根據(jù)陣列天線理論，相鄰兩個單元之間接收的信號存在由于路程差引起的相位差：

φ=2πDsinθ/λ

(1)

式中：D為兩個天線單元之間的距離；λ為信號的波長;θ為波束方向與兩個天線單元垂直平面之間的夾角。

反言之，控制相鄰單元之間的饋電相位差，就可控制天線波束最大點方向，也就可以實現(xiàn)波束掃描。

平面陣示意圖如圖1所示。平面陣位于YOZ平面上，在給定的離軸角θ和旋轉(zhuǎn)角φ方向上，設(shè)某天線陣元的坐標為(dy，dz)，雷達輻射波長為λ，則該陣元相對坐標原點的物理空間相位差為

ψ(dy,dz)=k(dysinθcosφ+dzsinθsinφ)

(2)

其中,k=2π/λ。

圖1 天線陣面位于YOZ面

相控陣天線最核心的組成部分是一個個T/R組件，一般來說，每個T/R組件內(nèi)均有一個移相器和衰減器，這正是波束掃描的執(zhí)行部件。

2 波束控制系統(tǒng)實現(xiàn)

波束控制系統(tǒng)的基本任務(wù)，就是在規(guī)定的時間內(nèi)根據(jù)天線波束指向要求解算出波控碼，將波控碼發(fā)送到每個對應的T/R組件內(nèi)，并在同步信號的控制下同步進行幅相配置。另外，在維護狀態(tài)下，波束控制系統(tǒng)需能夠?qū)φ麄€陣面每個T/R組件的狀態(tài)進行判故、檢測等。

根據(jù)波控碼在不同部分設(shè)備上的計算并結(jié)合其分布方式，波束控制系統(tǒng)一般有以下四種實現(xiàn)方式：直接查表法、子陣并行運算法、主機集中運算法和多級混合運算法。根據(jù)天線應用背景和結(jié)構(gòu)空間約束條件，文中波控系統(tǒng)采用主機集中運算方案。

波控系統(tǒng)原理框圖如圖2所示，主要由外部控制設(shè)備、波控主機及陣面波控設(shè)備組成。

2.1 外部控制設(shè)備

在該系統(tǒng)中，外部控制設(shè)備為控制計算機，通過SPI接口發(fā)送角度掃描信息給波控主機，同時，控制計算機還傳送相關(guān)控制信號和同步信號，以控制相控陣天線工作狀態(tài)。

圖2 波控系統(tǒng)原理框圖

2.2 波控主機設(shè)備

波控主機完成角度掃描信息接收及波控碼解算，并通過多條串行總線發(fā)送波控碼到陣面波控設(shè)備。另外，波控主機還需要完成同步信號處理、天線校準控制及校準數(shù)據(jù)處理等工作。

2.2.1 波控系統(tǒng)方案

由于相控陣天線T/R組件數(shù)量多，決定了波束控制系統(tǒng)具有運算量大、實時性強、接口信號數(shù)量多等主要特點。傳統(tǒng)DSP芯片受制于串行執(zhí)行架構(gòu)，很難滿足系統(tǒng)實時性要求，而現(xiàn)場可編程門陣列FPGA恰好具有速度快、接口豐富、可并行計算等獨特優(yōu)勢，同時其所有功能都可通過硬件編程語言HDL實現(xiàn)，重構(gòu)性好，技術(shù)風險遠比ASIC小，因此利用FPGA芯片作為波束控制系統(tǒng)的處理核心是最為合適的選擇。

波控主機系統(tǒng)框圖如圖3所示。波控主機以一片高性能FPGA作為核心處理芯片，外圍器件包括一片F(xiàn)PGA配置芯片、一片F(xiàn)LASH芯片，以及多片電平轉(zhuǎn)換及驅(qū)動接口芯片。

圖3 波控主機系統(tǒng)框圖

波控主機通過高速串行通信接口接收來自控制計算機的角度控制信息，兩個波段角度控制信息可以完全不同，包含在同一個信息幀中。高速串行信號經(jīng)接口芯片轉(zhuǎn)換后，由FPGA完成對角度控制信息的解碼、波控數(shù)據(jù)計算以及驅(qū)動分發(fā)。為盡可能減少信號線數(shù)量，同時加快波控數(shù)據(jù)傳輸速度，波束控制系統(tǒng)使用多條高速串行總線，每條總線只負責傳輸一定數(shù)量天線單元(T/R組件)對應的波控數(shù)據(jù)，多條串行總線可以同時傳輸波控數(shù)據(jù)。

另外，作為一個實用的相控陣天線波束控制系統(tǒng)，同步信號的處理也是必不可少的。同步信號不但包含用于使波控數(shù)據(jù)生效的波控同步信號，還包括控制每個天線單元(T/R組件)接收與發(fā)射工作狀態(tài)的控制信號。外部同步信號經(jīng)接口芯片轉(zhuǎn)換后進入波控FPGA，在FPGA內(nèi)部可以分成多組，經(jīng)驅(qū)動芯片分發(fā)到每個T/R組件。

波控FLASH芯片用于存儲兩個波段的校準數(shù)據(jù)、天線單元坐標數(shù)據(jù)等。由FPGA形成相關(guān)控制邏輯，可以實現(xiàn)把外部高速串行接口送入的數(shù)據(jù)存入FLASH芯片中。為實現(xiàn)波控數(shù)據(jù)高速解算，F(xiàn)LASH中存儲的天線校準數(shù)據(jù)、坐標數(shù)據(jù)可以在產(chǎn)品上電后自動加載到FPGA片內(nèi)存儲區(qū)中，在工作中直接從FPGA片內(nèi)存儲區(qū)中取數(shù)。

2.2.2 波控碼解算

波控數(shù)據(jù)解碼及發(fā)送均在FPGA芯片內(nèi)實現(xiàn)，波控數(shù)據(jù)形成及發(fā)送框圖如圖4所示。由圖可見，在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)了波控數(shù)據(jù)解算及分發(fā)模塊。外部角度控制信息到達后，同時送入四個波控數(shù)據(jù)解算及分發(fā)模塊，四個模塊并行處理并進行數(shù)據(jù)分發(fā)。對于每個外部角度控制信息，首先利用天線單元坐標信息計算得到空間相位差矩陣，然后與通道校準數(shù)據(jù)合成，得到相位數(shù)據(jù)矩陣，接著與幅度加權(quán)數(shù)據(jù)合成，得到最終波束控制數(shù)據(jù)。這樣得到的波控數(shù)據(jù)再分成多個組，每個組的波控數(shù)據(jù)使用一條高速串行總線發(fā)送到受控的T/R組件。波控數(shù)據(jù)解碼中用到的天線單元坐標信息、通道校準數(shù)據(jù)以及幅度加權(quán)數(shù)據(jù)均存儲在片外FLASH芯片中，上電后把這些數(shù)據(jù)搬移到波控FPGA片內(nèi)存儲器中。為滿足并行運算需求，這些數(shù)據(jù)按照波段轉(zhuǎn)存在片內(nèi)不同存儲區(qū)域中。

圖4 波控數(shù)據(jù)形成及發(fā)送框圖

2.2.3 波控碼發(fā)送

波控碼傳輸時間是波控響應時間的重要影響因素，為縮短波控碼傳輸時間，波控系統(tǒng)采用多條高速串行總線，各總線并行傳輸波控碼，從而降低了波控碼傳輸時間。

一條SPI總線波控碼發(fā)送時序圖如圖5所示。多個T/R組件連接在一條SPI總線上，總線先后輸出多組數(shù)據(jù)，伴隨地址的切換。陣面波控設(shè)備對地址進行譯碼，每次選擇一個T/R組件接收對應的波控碼。當一條SPI總線完成波控碼發(fā)送后，其他總線也完成了波控碼發(fā)送，間隔一定時間，波控主機輸出READY信號，使前面發(fā)送的波控碼生效。

圖5 天線波控碼發(fā)送時序

2.3 陣面波控設(shè)備

陣面波控設(shè)備則由多個驅(qū)動分配器和T/R組件組成。

一方面，驅(qū)動分配器對地址進行譯碼，每次選擇一個T/R組件接收對應的波控碼； 另一方面，驅(qū)動分配器對通信信號、控制信號和地址譯碼信號進行驅(qū)動和分配，把這些信號連接到一個個T/R組件上。

在天線實現(xiàn)中，多個T/R組件組成一個子陣，每個子陣的T/R組件連接到同一條SPI總線上。各個T/R組件接收各自對應的波控碼，在同步信號到達時使波控碼生效，從而完成相控陣天線的波數(shù)掃描。

3 仿真與測試

3.1 仿真驗證

為驗證波束控制系統(tǒng)解算出的波控幅相碼是否正確，采用以下仿真驗證方案：編寫同樣算法的MATLAB仿真程序，將仿真程序運算結(jié)果與波束控制系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)進行比對，兩者采用同樣的設(shè)計輸入，包括天線單元坐標、校準數(shù)據(jù)以及掃描角度信息(本文中為θ=10，φ=20)。波束控制系統(tǒng)解算出的波控幅相碼數(shù)據(jù)獲取方法是使用FPGA在線仿真工具Chipscope，采集FPGA解算后得到的所有陣元的幅相碼數(shù)據(jù)，這樣得到的數(shù)據(jù)與MATLAB仿真程序計算結(jié)果對比如圖6所示。

圖6 波控系統(tǒng)相位解算與仿真結(jié)果對比

圖6給出了部分通道的相位碼數(shù)據(jù)，由圖可以看出波束控制系統(tǒng)解算結(jié)果的正確性，個別通道相位計算結(jié)果與仿真結(jié)果不一致主要由波束控制系統(tǒng)解算舍入誤差帶來。

3.2 實驗室測試驗證

為驗證波束控制系統(tǒng)功能和性能，該波束控制系統(tǒng)裝配到相控陣天線，在暗室測得的方向圖如圖7所示。

圖7 天線方向圖測試結(jié)果

圖中給出了0°，±30°和±60°下的方向圖，可以看出，天線能夠根據(jù)波束控制系統(tǒng)改變波束指向，且在0°指向角度下方向圖副瓣約為-17 dB(相對峰值)，已接近理論仿真結(jié)果。

經(jīng)仿真和波束控制系統(tǒng)相關(guān)信號測試以及天線測試，該波束控制系統(tǒng)波控響應時間約為80 μs，滿足天線系統(tǒng)波束控制的實時性要求。

4 結(jié) 論

設(shè)計的波束控制系統(tǒng)結(jié)合彈載應用條件，采用主機集中運算方案，充分利用FPGA的并行處理特點，進行并行運算和并行數(shù)據(jù)傳輸，從而壓縮了波控碼解算和波控碼數(shù)據(jù)傳輸時間，達到了彈載相控陣天線應用的實時性要求。系統(tǒng)采用串行通信結(jié)合地址總線方式實現(xiàn)波控碼傳輸，一套地址總線連接到多個子陣，從而減少了需要的控制信號數(shù)量，便利了波控系統(tǒng)信號走線及結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得該波束控制系統(tǒng)能夠在彈載條件下順利安裝和可靠工作。該波束控制系統(tǒng)采用6位數(shù)字移相器，結(jié)合虛位技術(shù)的應用和合理的天線設(shè)計，使波束指向精度和方向圖均接近理想結(jié)果。

該彈載相控陣天線波束控制系統(tǒng)具有控制信號數(shù)量少、控制精度高、系統(tǒng)響應時間短等特點，能夠滿足彈載相控陣天線的應用要求。

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Design on Beam Steering System of Phased Array Antenna Used on Missile

Yao Zhiwen

(China Airborne Missile Academy，Luoyang 471009，China)

This article describes the design and realizing technology of a phased-array antenna beam steering system used on missile.By adopting the centralized computing scheme, the system realizes parallel computing and data transmition via reasonable bus allocation and the parallel processing ability of FPGA.The simulation and experiment results show that the system used on missile is real-time and stable which can meet the demand of controlling phased-array antenna.

phased array antenna； T/R module； beam steering control； field programmable logic gate array

10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.06.003

2016-09-14

姚志文(1973-)，男，河南南陽人，碩士，高級工程師，研究方向為雷達信號處理。

TH133; TP183

A

1673-5048(2016)06-0012-04