一種彈載相控陣天線波束控制系統設計

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設計

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設計與實現技術，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，實現了波控碼并行計算與數據傳輸，仿真與測試結果表明，該系統能夠滿足彈載應用的實時性和穩定性。

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勢，越來越多地被用于戰術導彈系統，其中包括美國新一代空空導彈、先進反輻射導彈、“戰斧”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新一代雷達彈的發展方向。

波束控制系統是相控陣天線的重要組成部分，

是相控陣天線實現其功能的基礎，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差別在于前者的每個陣元或子陣都接有移相器。通過數字移相器，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實現的。

根據陣列天線理論，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和旋轉角φ方向上，設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組件內均有一個移相器和衰減器，這正是波束掃描的執行部件。

2 波束控制系統實現

波束控制系統的基本任務，就是在規定的時間內根據天線波束指向要求解算出波控碼，將波控碼發送到每個對應的T/R組件內，并在同步信號的控制下同步進行幅相配置。另外，在維護狀態下，波束控制系統需能夠對整個陣面每個T/R組件的狀態進行判故、檢測等。

根據波控碼在不同部分設備上的計算并結合其分布方式，波束控制系統一般有以下四種實現方式：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。根據天線應用背景和結構空間約束條件，文中波控系統采用主機集中運算方案。

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

2.1 外部控制設備

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

圖2 波控系統原理框圖

2.2 波控主機設備

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送波控碼到陣面波控設備。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據處理等工作。

2.2.1 波控系統方案

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

波控主機系統框圖如圖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FPGA配置芯片、一片FLASH芯片，以及多片電平轉換及驅動接口芯片。

圖3 波控主機系統框圖

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。高速串行信號經接口芯片轉換后，由FPGA完成對角度控制信息的解碼、波控數據計算以及驅動分發。為盡可能減少信號線數量，同時加快波控數據傳輸速度，波束控制系統使用多條高速串行總線，每條總線只負責傳輸一定數量天線單元(T/R組件)對應的波控數據，多條串行總線可以同時傳輸波控數據。

另外，作為一個實用的相控陣天線波束控制系統，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據生效的波控同步信號，還包括控制每個天線單元(T/R組件)接收與發射工作狀態的控制信號。外部同步信號經接口芯片轉換后進入波控FPGA，在FPGA內部可以分成多組，經驅動芯片分發到每個T/R組件。

波控FLASH芯片用于存儲兩個波段的校準數據、天線單元坐標數據等。由FPGA形成相關控制邏輯，可以實現把外部高速串行接口送入的數據存入FLASH芯片中。為實現波控數據高速解算，FLASH中存儲的天線校準數據、坐標數據可以在產品上電后自動加載到FPGA片內存儲區中，在工作中直接從FPGA片內存儲區中取數。

2.2.2 波控碼解算

波控數據解碼及發送均在FPGA芯片內實現，波控數據形成及發送框圖如圖4所示。由圖可見，在FPGA內部實現了波控數據解算及分發模塊。外部角度控制信息到達后，同時送入四個波控數據解算及分發模塊，四個模塊并行處理并進行數據分發。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，然后與通道校準數據合成，得到相位數據矩陣，接著與幅度加權數據合成，得到最終波束控制數據。這樣得到的波控數據再分成多個組，每個組的波控數據使用一條高速串行總線發送到受控的T/R組件。波控數據解碼中用到的天線單元坐標信息、通道校準數據以及幅度加權數據均存儲在片外FLASH芯片中，上電后把這些數據搬移到波控FPGA片內存儲器中。為滿足并行運算需求，這些數據按照波段轉存在片內不同存儲區域中。

圖4 波控數據形成及發送框圖

2.2.3 波控碼發送

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據，伴隨地址的切換。陣面波控設備對地址進行譯碼，每次選擇一個T/R組件接收對應的波控碼。當一條SPI總線完成波控碼發送后，其他總線也完成了波控碼發送，間隔一定時間，波控主機輸出READY信號，使前面發送的波控碼生效。

圖5 天線波控碼發送時序

2.3 陣面波控設備

陣面波控設備則由多個驅動分配器和T/R組件組成。

一方面，驅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，驅動分配器對通信信號、控制信號和地址譯碼信號進行驅動和分配，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掃描。

3 仿真與測試

3.1 仿真驗證

為驗證波束控制系統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，將仿真程序運算結果與波束控制系統輸出的數據進行比對，兩者采用同樣的設計輸入，包括天線單元坐標、校準數據以及掃描角度信息(本文中為θ=10，φ=20)。波束控制系統解算出的波控幅相碼數據獲取方法是使用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據，這樣得到的數據與MATLAB仿真程序計算結果對比如圖6所示。

圖6 波控系統相位解算與仿真結果對比

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

3.2 實驗室測試驗證

為驗證波束控制系統功能和性能，該波束控制系統裝配到相控陣天線，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，天線能夠根據波束控制系統改變波束指向，且在0°指向角度下方向圖副瓣約為-17 dB(相對峰值)，已接近理論仿真結果。

經仿真和波束控制系統相關信號測試以及天線測試，該波束控制系統波控響應時間約為80 μs，滿足天線系統波束控制的實時性要求。

4 結 論

設計的波束控制系統結合彈載應用條件，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據傳輸，從而壓縮了波控碼解算和波控碼數據傳輸時間，達到了彈載相控陣天線應用的實時性要求。系統采用串行通信結合地址總線方式實現波控碼傳輸，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量，便利了波控系統信號走線及結構設計，使得該波束控制系統能夠在彈載條件下順利安裝和可靠工作。該波束控制系統采用6位數字移相器，結合虛位技術的應用和合理的天線設計，使波束指向精度和方向圖均接近理想結果。

該彈載相控陣天線波束控制系統具有控制信號數量少、控制精度高、系統響應時間短等特點，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