許大進，李 琳

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

一種機載雷達小型化波控設(shè)備設(shè)計

許大進，李 琳

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

機載相控陣雷達波控設(shè)備通過簡化設(shè)計及大規(guī)模集成電路應(yīng)用，利用光纖收發(fā)模塊設(shè)計、數(shù)據(jù)緩存及編碼控制模塊設(shè)計、分發(fā)及并串控制模塊設(shè)計等措施，實現(xiàn)了256個天線單元的布相和時序控制任務(wù)，滿足了系統(tǒng)布相時間要求，該設(shè)計具有小型、高速、可靠性與靈活性高等特點，可廣泛應(yīng)用于中小型地面、機載、星載相控陣雷達的波控設(shè)計。

小型化波控設(shè)備；機載雷達；光纖

0 引 言

雷達在軍事領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用，為適應(yīng)人造地球衛(wèi)星及機載預(yù)警等領(lǐng)域的探測要求，相控陣雷達技術(shù)獲得了飛速發(fā)展[1]。相控陣雷達具有快速改變天線波束指向和波束形狀能力、易于形成多個發(fā)射接收波束、可在空間實現(xiàn)信號合成等特點，使其具備穩(wěn)定跟蹤多批高速運動目標的能力，能獲得較大的輻射功率，加大雷達作用距離，提高雷達測量精度和有效對抗各種雜波。波控設(shè)備是相控陣天線的重要部件，不僅要為天線掃描提供正確的相位碼,還要滿足波束轉(zhuǎn)換的速度要求, 做到迅速精確地布相，同時還要具有陣面監(jiān)視與狀態(tài)控制能力,波控系統(tǒng)設(shè)計的好壞,對整個雷達系統(tǒng)能否實現(xiàn)其強大的功能至關(guān)重要[2-3]。

1 功能原理

根據(jù)雷達的任務(wù)要求，波控完成的主要功能是移相碼運算、陣面布相、時序控制及陣面監(jiān)控，其控制對象是天線模塊、延遲放大組件、矩陣開關(guān)、射頻單元等[4]。為了減小設(shè)備量，系統(tǒng)將移相碼的運算功能放在任務(wù)管理模塊中進行。波控設(shè)計的原理如圖1所示。

圖1 波控原理框圖

系統(tǒng)上電后，任務(wù)管理模塊根據(jù)雷達工作模式，先完成陣面所有組件單元的移相碼運算，而后在波控統(tǒng)一時序控制下，通過波分復(fù)用模塊將大容量波控移相碼和光纖指令參數(shù)發(fā)送給陣面波控。波控接收到光纖指令和控制參數(shù)后，通過內(nèi)部現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)功能電路，對大容量的串行數(shù)據(jù)進行緩存和解析，再根據(jù)系統(tǒng)時序要求，通過分發(fā)及并串控制模塊電路，并行完成對8路饋電網(wǎng)絡(luò)的串行移相碼及參數(shù)控制，產(chǎn)生延遲組件、矩陣開關(guān)以及陣面設(shè)備工作必須的移相控制時序、導(dǎo)前重復(fù)頻率和波位(BW)信號等。

波控還負責(zé)射頻光模塊、波分復(fù)用、延遲放大組件、矩陣開關(guān)、射頻單元以及陣面電源等的機內(nèi)測試(BIT)，通過狀態(tài)編碼，將故障BIT的檢測結(jié)果輸出給雷達系統(tǒng)的監(jiān)控顯示[5]。

2 工程設(shè)計

波控設(shè)備的工程設(shè)計包括光纖收發(fā)模塊設(shè)計、FPGA電路設(shè)計、電源電路設(shè)計和接口電路設(shè)計等，F(xiàn)PGA電路的設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)緩存及編碼控制模塊設(shè)計和分發(fā)及并串控制模塊設(shè)計。另外，根據(jù)總體對安全性的設(shè)計要求，波控還要考慮對組件模塊的安全性和小型化設(shè)計等。

2.1 主控FPGA模塊選型

通過對資源及功能等因素的考慮，波控使用的主控制芯片，選用Xilinx公司的XC7A200T型FPGA來進行設(shè)計。該型FPGA擁有4路光纖接口、13 Mb內(nèi)核隨機存儲器(RAM)、285個I/O以及豐富的邏輯單元等資源。

根據(jù)任務(wù)總體對陣面發(fā)射移相數(shù)據(jù)量的總要求，單個頻點單個指向的數(shù)據(jù)量為64×4×32=8 192 bit，遠小于FPGA的RAM容量指標。波控的指令參數(shù)和狀態(tài)回饋信號是通過1路雙向的光纖信號傳輸實現(xiàn)，數(shù)據(jù)率2.5 Gb，XC7A200T具有4路雙向光模塊處理能力，數(shù)據(jù)率為3.125 Gb，能滿足任務(wù)要求。另外，波控控制信號輸出主要有8路DATA信號及其它控制幾十路信號，總的信號數(shù)量約100路，小于FPGA的285個I/O管腳數(shù)量，使用XC7A200T型FPGA可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計需要。

2.2 光發(fā)射/接收模塊設(shè)計

光模塊實現(xiàn)波控與任務(wù)管理模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)計時使用國產(chǎn)模塊型號為BW-SOM22T11M，中心波長為850 nm，通道可提供2.5 Gbps典型傳輸速率，使用3.3 V電源供電。

2.3 電源電路設(shè)計

波控電路中使用了大規(guī)模集成芯片、光纖模塊驅(qū)動器、多型接口芯片等器件，這些器件的工作電壓包括5 V、3.3 V、1.8 V、1.2 V、1.0 V等。為了適應(yīng)系統(tǒng)電源供給只有5 V，且能滿足不同芯片的電壓和電流的要求，電源電路使用凌特公司LTM4616電源芯片完成主控電源3.3 V和內(nèi)核1.0 V的設(shè)計，配置電路需要的1.8 V電源和光模塊電路需要的1.2 V電源由LT3209電源芯片產(chǎn)生。

2.4 數(shù)據(jù)緩存及編碼控制模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)緩存及編碼控制模塊的主要任務(wù)是完成陣面波控數(shù)據(jù)的預(yù)存，并實現(xiàn)對陣面波控碼的調(diào)取和分配。為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效控制，對串行移相數(shù)據(jù)、模式指令等進行了嚴格的控制。表1是自定義的光纖數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

表1 自定義的光纖數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

2.5 分發(fā)及并串控制模塊設(shè)計

波控的分發(fā)及并串控制模塊，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)緩存、編碼模塊的全陣面控制數(shù)據(jù)和參數(shù)重新組合及控制，并在自己產(chǎn)生的整機時序觸發(fā)控制下，將緩存RAM中的并行數(shù)據(jù)按照約定的協(xié)議分發(fā)給8個饋電網(wǎng)絡(luò)實時寄存器、2個延遲組件實時寄存器、1個矩陣開關(guān)實時寄存器。圖2是饋電網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分發(fā)傳輸示意圖。

圖2 饋電網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分發(fā)傳輸示意圖

2.6 組件安全性設(shè)計

波控對組件的安全保護主要通過3個方面：首先，進行了硬件時序參數(shù)保護設(shè)計；其次，對功率開關(guān)輸出脈寬進行了限制，避免參數(shù)異常時控制脈沖過寬而損壞器件；另外，波控對芯片上電配置期間的接口信號進行了保護設(shè)計，利用對驅(qū)動芯片使能端的控制，確保上電期間電路中功率調(diào)制信號的輸出為低。

2.7 小型化設(shè)計

由于機載平臺對雷達的重量限制，天線陣面對波控設(shè)備的小型化設(shè)計提出了很高的要求。波控的小型化設(shè)計通過以下幾個方面實現(xiàn)：

(1) 大規(guī)模集成電路應(yīng)用

現(xiàn)場可編程邏輯器件FPGA的技術(shù)應(yīng)用，使得波控設(shè)備體積大大縮小，并且可靠性和信號質(zhì)量也大大改善。由前面的分析可知，實現(xiàn)波控大容量數(shù)據(jù)緩存的存儲器以及系統(tǒng)的邏輯控制都可以在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)，大大節(jié)省了使用器件數(shù)量。

(2) 簡化設(shè)計

波控設(shè)計時，考慮到其計算任務(wù)量不是很大，可由雷達綜合信息處理單元中的時序監(jiān)控模塊完成波控碼的計算，省去了計算模塊的設(shè)備量，簡化了設(shè)計。

(3) 整合信號類型

波控與綜合饋電網(wǎng)絡(luò)以及組件互聯(lián)的通道數(shù)量很多，信號類別也很多。設(shè)計這些信號時，除了對每路串行信號(SD)進行單獨控制外，其余信號可以進行同源設(shè)計，然后再通過驅(qū)動形成多路輸出。將信號類型整合，可以減小FPGA芯片的使用IO管腳數(shù)及外圍驅(qū)動器的數(shù)量。

(4) 合理布局印制板電路

波控的功能電路主要包括FPGA電路及其配置電路、電源電路、接口電路、電源電路等。設(shè)計時，合理布局功能電路及印制板上器件的擺放位置，使得電路性能更加穩(wěn)定可靠。最終形成的布局如圖3所示。

圖3 印制板布局示意圖

3 關(guān)鍵指標分析

波控的關(guān)鍵指標就是布相時間。布相時間主要包括相位碼的計算時間、任務(wù)管理模塊到波控的指令數(shù)據(jù)傳輸時間、波控到饋電網(wǎng)絡(luò)模塊的分發(fā)傳輸時間。

(1) 相位碼計算時間

相位碼的計算在任務(wù)管理模塊中實現(xiàn)，根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)量要求，整個陣面布相數(shù)據(jù)的運算時間在40 μs以內(nèi)。

(2) 指令數(shù)據(jù)傳輸時間

指令數(shù)據(jù)傳輸是通過光纖實現(xiàn)的，每個波位周期的指令數(shù)據(jù)不超過2 000字節(jié)，使用2.5 Gb的傳輸速率，總共時間不超過12 μs。

(3) 分發(fā)數(shù)據(jù)傳輸時間

T/R組件的每個通道數(shù)據(jù)為32 bit，每個四通道組件共128 bit，一個綜合饋電模塊內(nèi)布相數(shù)據(jù)為1 024 bit，考慮到信號傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，波控傳輸數(shù)據(jù)率為5 Mb/s，8個T/R組件的數(shù)據(jù)采用1路組合傳輸，則分發(fā)數(shù)據(jù)傳輸時間為249.6 μs。詳細的數(shù)據(jù)傳輸時間見表2。

表2 詳細的數(shù)據(jù)傳輸時間

總布相時間小于40+12+249.6=301.6 μs，滿足系統(tǒng)波控碼更新時間小于400 μs的指標要求。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的機載相控陣雷達波控設(shè)備，實現(xiàn)了256個天線單元的布相和時序控制要求，具有小型、高速、可靠性高與靈活性高等特點，可廣泛應(yīng)用于中小型地面、機載、星載相控陣雷達的波控設(shè)計。

[1] 李濤，晏開華.一種T/R組件波控電路測試方案的設(shè)計與實現(xiàn)[J].微電子學(xué),2014(4):273-276.

[2] 段曉超，段玲琳，黃翌.T/R組件的安全控制策略研究[J].火控雷達技術(shù),2016(6):61-63.

[3] 陳俊，馮武.現(xiàn)代相控陣雷達天線波控技術(shù)研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2014(2):64-67.

[4] 鄭清.相控陣雷達波控系統(tǒng)技術(shù)研究[J].現(xiàn)代雷達,2006(4):53-55.

[5] 許大進，李琳，宣浩.一種機載相控陣雷達波控系統(tǒng)設(shè)計[J].雷達科學(xué)與技術(shù),2015(6):572-576.

DesignofAMiniatureBeamControlEquipmentforAirborneRadar

XU Da-jin,LI Lin

(No.38 Research Institute of CETC，Hefei 230088，China)

By simplifying the design of airborne phased array radar beam control equipment and applying large scale integrated circuit,this paper uses the designs such as optical fiber transceiver module,data buffer memory and coding control module,distribution and parallel-serial control module,etc.to realize the phase distribution and sequence control tasks of 256 antenna units,which satisfies the time requirement of system phase distribution.The design has the characteristics of miniaturization,high-speed,high reliability and flexibility,etc.,can be widely used for beam control equipments of small-sized,medium-sized,ground,airborne,satellite-borne phased array radar.

miniature beam control equipment;airborne radar;fiber-optical

TN957

B

CN32-1413(2017)05-0102-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.05.023

2017-05-12