小型機載高集成波控系統設計

趙 婧

(中國電子科技團公司第三十八研究所，合肥 230088)

【光學工程與電子技術】

小型機載高集成波控系統設計

趙 婧

(中國電子科技團公司第三十八研究所，合肥 230088)

針對小型機載相控陣雷達波束控制系統重量輕、體積小、波束控制高實時性的特點，提出了在復雜電磁環境下設計高集成波控系統的技術難點，通過對T/R組件的布相實時性、抗輻照設計、防電磁干擾、熱設計等關鍵技術的分析，給出了具體解決方法，獲得了滿意的實驗效果。

波控數據；小型化機載；高集成；復雜電磁環境

相控陣雷達是通過對數字式移相器的控制實現對天線波束的定向掃描，控制移相器的相位改變可在瞬間完成(微秒級)，天線波束在空間的掃描幾乎是無慣性的，具有很大的靈活性。充分利用天線波束掃描的靈活性和快速性，使相控陣雷達具有邊掃描邊跟蹤等許多新功能。采用吊艙式相控陣天線的小型機載雷達，結構緊湊，陣面空間較小。整個陣面由超過100個T/R組件構成。這就要求在保證高可靠性的同時嚴格控制波控系統的設備量，完成快速布相的功能。從波束控制系統的基本原理、影響波控系統設計的關鍵因素出發，為改善系統的運算速度、信號傳輸、小型化等性能,提出了解決波控設計關鍵技術的方法并驗證適用效果。

1 工作原理

根據天線波束所應指向的空間位置，波控計算機計算出相應的方位及仰角初始相位值，然后再計算出陣列線中每個單元移相器所需的相位值，求出陣列中各個移相器需要的波束控制碼，打入相應的寄存器使移相器移相，從而使天線波束指向預定的搜索空域。波控系統的功能就是按照雷達系統送來的方位及仰角初始布相量，應用某種布相算法來完成天線配相運算和實時輸出。平面相控陣天線單元如圖1所示。

圖1 平面相控陣天線示意圖

為了在(θ，φ)方向上獲得波束能量最大值，應有：

φ

(1)

(2)

其中，λ為雷達射頻信號的波長；dx、dy為陣列天線方位向和距離向的單元間距；θ、φ為天線波束指向角度。對于第(i,k)個陣元相對于第(0,0)個天線陣元的陣內相位差為

Δφ=iβ+kα

(3)

C(i，k)=iβ+kα

(4)

由式(4)計算出平面相控陣天線中每個陣元的波控數碼，將波控數碼按照特定時序發送給每個陣元的移相器，就能夠讓天線的波束指向特定的角度。

2 系統實現

根據波束控制系統中要實現的功能，常規相控陣雷達的波控系統包括：計算系統(計算各單元的相移)、存儲系統、單元相位控制系統和自檢系統。一個基本的相位控制系統框圖如圖2所示。由于要滿足機載雷達高空高速、小型化要求，所以該波控系統是將波控接口單元和波控計算機單元通過可編程邏輯器件FPGA， 達到在一塊印制板上實現系統所要求的全部功能。進行系統設計時，在滿足電性能的前提下要重點解決系統可靠性問題，以滿足高可靠、長壽命、低功耗和輕重量的要求；充分考慮電磁兼容性設計，以適應工作時苛刻的電磁環境；硬件結構加固處理，以滿足高空高速機載平臺的裝載要求和飛行時殘酷的力學環境。在設計時應解決幾個關鍵技術；波控數據的產生方式；高速和實時布相；波控數碼的傳輸方式；抗輻照和防電磁兼容設計；熱設計。

圖2 波控系統構成

2.1 波控數據的產生方式

從提高波控系統的布相速度出發，可以采用軟件查表法減輕波控計算機的運算量，提高波控計算機的布相速度，將一些較復雜的、運算量較大的計算放在波控計算機外處理，把移相碼和衰減碼的實時計算變為查表獲取，按照已獲得的波控代碼或按照一定的波控代碼算法將相掃范圍內全部校正后的波束控制代碼形成陣列表，存在計算機存儲器之中，整機通過網絡通信將頻率點和波控指令送給波束控制系統。波控計算機收到指令后，計算第一個移相器的起始地址，然后通過地址遞增順序讀出所對應的各移相器的相位代碼，完成一個波束駐留過程。雷達將依據實際環境特點，在方位(0～360°)上劃分若干個扇區，根據每個扇區的目標特性定義相對應的一種工作模式，然后由波控計算機產生所有扇區與工作模式相對應的波束駐留時間表，根據時間表自動調度雷達波束掃描。

為了增加雷達系統的抗干擾能力，雷達系統通常有多個跳頻點，而每個頻率點又有多種波束指向工作方式，每種工作方式下要控制多個移相器的移相碼。為了查表方便，在存儲器中數據的排序遵循如下規則：頻率點從小到大、工作波束按即定順序(如工作模式、波束位置等)、移相器編號從小到大。將所獲得的波控代碼有序地送至各個移相器，控制天線波束掃描。

為了實現波束控制系統高速度、高可靠性和高靈活性的要求，本系統軟件開發平臺選用了嵌入式VxWorks 操作系統，具有高實時性、多任務管理、內核小、能夠進行遠程調試等優點。

2.2 高速和實時布相

目前，在波束控制系統設計中普遍采用二級緩存同步布相，即提前將下一波束的布相數據計算好并依次鎖存在一級緩存中，當波束進行切換時由波位切換信號將一級緩存中的布相數據同步打入到二級緩存中，二級緩存中的數據將直接控制T/R組件。二級緩存工作示意圖如圖3。為了達到高速和實時布相，在硬件上采取基于Xilinx嵌入式FPGA設計，在FPGA內使用嵌入式PowerPC440 CPU核作為處理器，配合CPU主頻可達800 MHz的控制計算機，在FPGA內進行高速布相和并串轉換設計，通過設置串口控制和FLASH接口進行串口通信控制，實現FLASH控制器功能。可以最少占用邏輯資源、減少延遲、優化性能。

2.3 波控數碼的傳輸方式

波控系統控制T/R組件的主要信號有6位接收移相碼、6位發射移相碼、6位數控衰減碼、6位開關控制信號、收發選擇信號等，同時還有T/R組件回送給波控系統的故障回饋信息等。光是此處的電纜就是一個不小的數量。波控數據的傳輸目前有并行和串行，并行傳輸速度快，但是線纜數量多，串行傳輸最大的優勢就是線纜數量少。在滿足實時性要求的前提下采用了“內并行外串行”的方法大大地減少設備的重量。當通過查表法得到波控數據后，計算機將并行波控數據發送給FPGA，通過FPGA轉換成串行數據后送往T/R組件，如圖4所示。

圖3 二級緩存工作示意圖

圖4 多點傳輸串行法示意圖

2.4 抗輻照和防電磁兼容設計

輻射環境是制約微電子和光電器在航天工程中應用的重要因素。由于工作環境惡劣、電磁環境復雜，在強輻射條件下電路會發生鎖定效應、信號傳輸會有很多毛刺，所以必須采取有效的防護措施。主要有以下幾個方面：

1) 元器件的選擇和物理防護。盡量選擇具有RHA等級的抗輻射元器件。在核心器件以及抗輻射要求高的器件上涂防護漆、防護膜等物理措施。

2) 電子線路級要采取加固措施。 首先，將電路輸入端和輸出端設置嵌位電路和限流措施，確保輸入電壓和輸出電壓的穩定性；其次要在集成電路電源輸入端加去耦電路，防止集成電路電源端產生瞬態高壓，防止損壞器件。

3) 隔離的電源、地。供給T/R組件與波控單元的電源、地是相互隔離的，波控單元控制T/R組件的信號都經過接口芯片或隔離電路，最后整機電源共地。

4) 多層電路板電磁兼容。多層電路板布線直接影響系統運行的穩定性，布板時應首先考慮電磁兼容，比如電源平面應靠近地平面，對輻射電流起到屏蔽作用；把數字電路和模擬電路分開，時鐘電路和高頻電路一定要單獨安排，遠離敏感電路；電路板的最外兩層設計為大面積屏蔽層，有效保護內部電路免受干擾。

2.5 熱設計

由于雷達腔體小，為有效地控制外熱阻和熱環境，降低集成電路失效率，應進行可靠性熱設計。大功率集成電路應安裝具有多個間距足夠大肋片并且導熱系數高的散熱器，散熱器進行外表面處理(比如黑色)，增強輻射散熱。

在系統工作時，元器件所發出的熱量傳導的正確途徑為：元器件→電路板→支架→機殼→熱管(或散熱片)。

3 小結

在復雜電磁環境下采用滿足實時布相、小型化、高集成的波控系統設計方法，已成功應用于某小型SAR雷達的設計中，獲得良好的驗證效果。本文的設計方法和設計原則可推廣應用于其他小型機載相控陣雷達。

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(責任編輯楊繼森)

Beem-Controller System Design of Small Airborne High Integration

ZHAO Jing

(No.38 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Hefei 230088, China)

According to the characteristics of small airborne phased array radar beam-controller system for light weight and small volume and instantaneity of beam control, we put forward technical difficulties of high integrated beam-controller system design in the complex electromagnetic environment, and through analyzing of the T/R components of the phase distribution of real-time, anti-radiation, anti-electromagnetic interference design, thermal design and other key technologies, we gave the specific method, and obtained a satisfactory experimental results.

beam-controller data; mini airborne radar; high integration; complex electromagnetic environment

2016-08-21；

2016-09-12

趙婧(1971—)，女，高級工程師，主要從事雷達終端、監控系統研究。

10.11809/scbgxb2017.01.027

趙婧.小型機載高集成波控系統設計[J].兵器裝備工程學報，2017(1):116-118.

format:ZHAO Jing.Beem-Controller System Design of Small Airborne High Integration [J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(1):116-118.

TN958

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