某小型相控陣雷達波束控制系統設計

邢志強

摘 要：根據某小型相控陣雷達對波束控制系統的集成化要求，設計一種具有波束控制，定時控制和配電轉換功能的波控系統。重點介紹系統的組成原理，硬件平臺和軟件流程，以及配電方案的設計。該設計具有結構簡單緊湊、多功能一體化，靈活性與可靠性高等優點。

關鍵詞：相控陣雷達；波束控制；電源分配

中圖分類號： TN958.92 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）17-143-2

0 引言

某相控陣雷達天饋線結構緊湊，陣面由兩個一維正交線陣構成。波控系統通過控制兩個一維線陣陣面共96路T/R組件，實現在方位和俯仰方向上的波束掃描。同時結合天線的機械掃描，可實現雷達的全空域立體掃描，具有很高的靈活性。由于雷達天饋線陣面空間較小，波控系統在保證準確快速布相的同時，需要進行集成化輕小型設計，節省系統資源并提高穩定性[1]。

本文提出一種基于FPGA+DSP架構的集成式波控系統方案，在滿足相位控制、同步控制、數據傳輸和自檢信號處理等功能的基礎上，還將雷達工作必需的定時控制和電源轉換分配部分集成在一起，以實現結構緊湊，輕重量，高可靠性的一體化要求。

1 波控系統方案設計

從系統功能模塊劃分來看，主要由波控、定時控制和電源轉換分配三個模塊組成，如圖1所示。波控系統接收雷達微波源提供的時鐘基準信號，完成雷達整機定時控制；接收上位機的信息中心控制指令及數據，實現T/R組件波束布相控制，同時向上位機反饋T/R組件狀態及溫度數據和故障信息；DC-DC電源轉換分配，為雷達其他各分系統或模塊提供低壓DC電源。

由天線陣面結構可知，波控系統安裝在十字型天線體內，空間較為緊湊。綜合考慮系統的物理結構和布相時間，該系統設計為由波控1、波控2（對應方位線陣）、波控3和波控4（對應俯仰線陣）四部分電路共同完成系統功能。為降低電路成本和增加系統可靠性，該系統采用設備量少、維修方便、可靠性高的集中與分布式相結合運算、分布式驅動體系。其中波控1模塊基于DSP+FPGA方案設計，波控2～波控4電路由FPGA獨立控制。

在波控1的電路中，DSP根據方位波束指向角，俯仰波束指向角，工作頻率等信息，分別計算出線陣所有單元方位、俯仰方向的饋相梯度，公式如下：

式中θ、γ分別表示方位、俯仰線陣的波束指向角，dx、dy分別表示方位和俯仰線陣相鄰移相器之間的距離。

在波控1～波控4電路中的FPGA根據從DSP傳來的饋相梯度及事先存放在各自RAM中的對應單元的相位補償碼，依據各個單元的排列順序按照公式（3）、（4）計算出每個單元的布相碼，完成波束的控制。

式中m、n為陣面單元相對坐標原點的位置坐標，Δ?、Δ?為各種因素下引入的總相位誤差的相位補償碼[2]。

定時控制模塊接收上位機輸入的控制命令，采用頻率合成單元輸出的基準源時鐘信號作為基準，分別產生系統所需的方位觸發脈沖與俯仰觸發脈沖等定時信號。設計中，定時控制模塊與波控1模塊一起位于方位1波控分路電路板上，共享一片FPGA資源。

1.1 硬件設計

波控和配電系統的電路設計在4塊印制板上。波控1電路主要由FPGA控制模塊、DSP計算模塊、高速串口通信電路、時鐘管理模塊、電平轉換電路以及外圍驅動電路組成，波控2～波控4電路相同，與波控1電路區別在于沒有DSP模塊，波控原理框圖如圖2所示：

所有外部接口的輸入/輸出均通過FPGA進行通信。FPGA接收上位機送來的控制命令和方位波束指向角，俯仰波束指向角，工作頻率的數據信息，將其送至DSP，DSP通過32位數據總線和地址總線與FPGA相連，DSP根據方位波束指向角，俯仰波束指向角，工作頻率計算出饋相梯度，并將結果送回FPGA，FPGA接收DSP的饋相梯度數據，根據各移相單元在陣面中的坐標位置計算移相碼，最后與該狀態下的相位補償碼相加并將結果存入內部存儲器中，按照T/R組件的時序要求通過接口驅動電路送至各移相單元。

1.2 軟件設計

本波控系統采用集中-分布式計算的波束控制方法。在程序開始時，首先對波控系統端口進行自檢，根據自檢結果判斷系統是否能正常工作。如果檢測結果不正常，則在檢測命令收到后將檢測信息上報上位機，同時端口對組件的控制端口以保護組件。如果檢測結果一切正常，則將波控對組件端口配置為初態下，然后系統進入等待，等待雷達控制指令。

波控算法是本波控系統的一個重點控制過程。雷達系統的控制指令和數據傳遞通過高速串口完成。響應中斷后，接收來自雷達控制的全部波控指令，根據指令字中的模式判斷進入不同的工作狀態。

在波控運算模式下，首先從RAM中根據頻點讀取相應的移向補償，衰減補償，然后根據波控控算法計算相應組件的移向值、衰減值，最后將計算結果送組件根據定時進行控制。

波控置數模式是組件檢測的特殊方式，在這種模式下，首先從上位機命令字中直接獲得指定組件移向、衰減、開關狀態等數據送給組件進行控制，然后能夠將波控送出的數據讀回上位計算機。

在波控自檢模式下，首先將組件端口狀態讀回，端口狀態與波控內部設定的存儲器結果比較，判斷波控對組件的控制狀態，檢測完成將檢測結果上報給上位機。

2 配電系統設計

整個系統集成了雷達整機的電源分配系統。該配電系統采取兩級變換，中心分配設計理念。50Hz380V的工業級電源輸入，經過配電箱完成濾波、分路、DC-DC轉換，產生DC300V供給波控板上的電源轉換分配單元；電源轉換分配模塊部署于四塊分路板上，將DC300V電源轉換成多路低壓DC電源，送給雷達其他各用電單元。

DC300V輸入電源按9千瓦考慮，波控1板除了為T/R組件和自身供電外，還需對微波源、接收系統、上位機供電；波控2除了為T/R組件和自身供電外，還需為伺服、風機等系統供電；波控3與波控4則只需為T/R組件和自身供電。

3 結束語

本文結合相控陣雷達的特點及實際工程需求，給出了基于FPGA+DSP架構的某型雷達波控系統設計方案。本設計在滿足高速、實時性相位控制功能基礎上，將雷達工作必需的定時控制和電源轉換分配部分以電路形式集成在一起，具有結構簡單緊湊、多功能一體化，靈活性與可靠性高的特點，為雷達的高機動、小型化和通用化發展趨勢提供了技術保障。

參 考 文 獻

[1] 陳琛，張宇馳.基于FPGA的機載波控系統設計[J].現代雷達，2010（05）.

[2] 陳伯孝.現代雷達系統分析與設計[M].西安：西安電子科技大學出版社，2012.