一種機載雷達小型化波控設備設計

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)

一種機載雷達小型化波控設備設計

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備通過簡化設計及大規模集成電路應用，利用光纖收發模塊設計、數據緩存及編碼控制模塊設計、分發及并串控制模塊設計等措施，實現了256個天線單元的布相和時序控制任務，滿足了系統布相時間要求，該設計具有小型、高速、可靠性與靈活性高等特點，可廣泛應用于中小型地面、機載、星載相控陣雷達的波控設計。

小型化波控設備；機載雷達；光纖

0 引 言

雷達在軍事領域發揮著舉足輕重的作用，為適應人造地球衛星及機載預警等領域的探測要求，相控陣雷達技術獲得了飛速發展[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、易于形成多個發射接收波束、可在空間實現信號合成等特點，使其具備穩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,還要滿足波束轉換的速度要求, 做到迅速精確地布相，同時還要具有陣面監視與狀態控制能力,波控系統設計的好壞,對整個雷達系統能否實現其強大的功能至關重要[2-3]。

1 功能原理

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

圖1 波控原理框圖

系統上電后，任務管理模塊根據雷達工作模式，先完成陣面所有組件單元的移相碼運算，而后在波控統一時序控制下，通過波分復用模塊將大容量波控移相碼和光纖指令參數發送給陣面波控。波控接收到光纖指令和控制參數后，通過內部現場可編程門陣列(FPGA)功能電路，對大容量的串行數據進行緩存和解析，再根據系統時序要求，通過分發及并串控制模塊電路，并行完成對8路饋電網絡的串行移相碼及參數控制，產生延遲組件、矩陣開關以及陣面設備工作必須的移相控制時序、導前重復頻率和波位(BW)信號等。

波控還負責射頻光模塊、波分復用、延遲放大組件、矩陣開關、射頻單元以及陣面電源等的機內測試(BIT)，通過狀態編碼，將故障BIT的檢測結果輸出給雷達系統的監控顯示[5]。

2 工程設計

波控設備的工程設計包括光纖收發模塊設計、FPGA電路設計、電源電路設計和接口電路設計等，FPGA電路的設計主要包括數據緩存及編碼控制模塊設計和分發及并串控制模塊設計。另外，根據總體對安全性的設計要求，波控還要考慮對組件模塊的安全性和小型化設計等。

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來進行設計。該型FPGA擁有4路光纖接口、13 Mb內核隨機存儲器(RAM)、285個I/O以及豐富的邏輯單元等資源。

根據任務總體對陣面發射移相數據量的總要求，單個頻點單個指向的數據量為64×4×32=8 192 bit，遠小于FPGA的RAM容量指標。波控的指令參數和狀態回饋信號是通過1路雙向的光纖信號傳輸實現，數據率2.5 Gb，XC7A200T具有4路雙向光模塊處理能力，數據率為3.125 Gb，能滿足任務要求。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，總的信號數量約100路，小于FPGA的285個I/O管腳數量，使用XC7A200T型FPGA可以滿足系統的設計需要。

2.2 光發射/接收模塊設計

光模塊實現波控與任務管理模塊之間的數據傳輸。設計時使用國產模塊型號為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 電源電路設計

波控電路中使用了大規模集成芯片、光纖模塊驅動器、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。為了適應系統電源供給只有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和內核1.0 V的設計，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電源芯片產生。

2.4 數據緩存及編碼控制模塊設計

數據緩存及編碼控制模塊的主要任務是完成陣面波控數據的預存，并實現對陣面波控碼的調取和分配。為實現數據的有效控制，對串行移相數據、模式指令等進行了嚴格的控制。表1是自定義的光纖數據傳輸協議。

表1 自定義的光纖數據傳輸協議

2.5 分發及并串控制模塊設計

波控的分發及并串控制模塊，實現對數據緩存、編碼模塊的全陣面控制數據和參數重新組合及控制，并在自己產生的整機時序觸發控制下，將緩存RAM中的并行數據按照約定的協議分發給8個饋電網絡實時寄存器、2個延遲組件實時寄存器、1個矩陣開關實時寄存器。圖2是饋電網絡數據分發傳輸示意圖。

圖2 饋電網絡數據分發傳輸示意圖

2.6 組件安全性設計

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保護設計；其次，對功率開關輸出脈寬進行了限制，避免參數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計，利用對驅動芯片使能端的控制，確保上電期間電路中功率調制信號的輸出為低。

2.7 小型化設計

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

(1) 大規模集成電路應用

現場可編程邏輯器件FPGA的技術應用，使得波控設備體積大大縮小，并且可靠性和信號質量也大大改善。由前面的分析可知，實現波控大容量數據緩存的存儲器以及系統的邏輯控制都可以在FPGA內部實現，大大節省了使用器件數量。

(2) 簡化設計

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

(3) 整合信號類型

波控與綜合饋電網絡以及組件互聯的通道數量很多，信號類別也很多。設計這些信號時，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計，然后再通過驅動形成多路輸出。將信號類型整合，可以減小FPGA芯片的使用IO管腳數及外圍驅動器的數量。

(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 關鍵指標分析

波控的關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、任務管理模塊到波控的指令數據傳輸時間、波控到饋電網絡模塊的分發傳輸時間。

(1) 相位碼計算時間

相位碼的計算在任務管理模塊中實現，根據系統任務量要求，整個陣面布相數據的運算時間在40 μs以內。

(2) 指令數據傳輸時間

指令數據傳輸是通過光纖實現的，每個波位周期的指令數據不超過2 000字節，使用2.5 Gb的傳輸速率，總共時間不超過12 μs。

(3) 分發數據傳輸時間

T/R組件的每個通道數據為32 bit，每個四通道組件共128 bit，一個綜合饋電模塊內布相數據為1 024 bit，考慮到信號傳輸數據的穩定性，波控傳輸數據率為5 Mb/s，8個T/R組件的數據采用1路組合傳輸，則分發數據傳輸時間為249.6 μs。詳細的數據傳輸時間見表2。

表2 詳細的數據傳輸時間

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

4 結束語

本文設計的機載相控陣雷達波控設備，實現了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，可廣泛應用于中小型地面、機載、星載相控陣雷達的波控設計。

[1] 李濤，晏開華.一種T/R組件波控電路測試方案的設計與實現[J].微電子學,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,2016(6):61-63.

[3] 陳俊，馮武.現代相控陣雷達天線波控技術研究[J].數字技術與應用,2014(2):64-67.

[4] 鄭清.相控陣雷達波控系統技術研究[J].現代雷達,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設計[J].雷達科學與技術,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