相控陣天線波束控制的基本原理及波控系統的任務

曹德明

摘 要 隨著我國經濟的不斷發展，綜合國力的提升，科技水平也有了長足的進步，各種新技術如雨后春筍般冒了出來，相控陣天線陣面技術是近年來出現的新技術。這項技術對于天線波束有很好的控制作用，本文主要針對這項技術的基本原理進行分析，分析這項技術如何進行工作，為以后這項技術的應用提供有參考性的意見。

【關鍵詞】相控陣天線 波束控制系統 仿真

1 前言

相控陣天線陣面技術在很多方面有廣泛的應用，它本身具有靈活便捷的特點，受到廣大研究者的青睞，使得很多儀器的使用更加多樣和靈活。除此之外，與相控陣天線陣面技術有關的技術也有了很大的發展，此項技術越來越受到人們的重視。相控陣天線陣面技術包含很多部分，波束控制系統是其中非常重要的一部分，它能夠很好的控制各天線單元的移相方向和幅度，與其他技術相比，它能夠提升其精確程度，在最大程度上節約成本。

2 波束控制系統的基本原理

根據國防建設和國民經濟建設的需要，傳統的雷達系統已經不能滿足多目標搜索，多目標跟蹤和遠距離監視的要求。基于相控陣技術的相控陣雷達應運而生。相控陣雷達是由多個天線單元組成的陣列天線。每個天線單元都有一個移相器。天線波束的形狀可以通過控制每個移相器的相位分布來改變。相控陣雷達與機械掃描雷達的根本區別在于波束形成，掃描方式不同。

在相控陣雷達的過程中，波束掃描如下：根據搜索和軌跡空間位置指向計算機提供的天線波束，自動計算出相應的方位角和初始值的高程，然后計算相位值天線元件上的每個表面對應的波形通過一個移相器控制碼的相位，使得該方向的天線束的方向最終到達定向天線。

通常在平面陣列中使用行列分離計算和單位集中相位匹配。根據初始向量計算相應點的相位值，并通過相加值獲得所需格子的相位值。

有時相控陣雷達為了節省用虛擬數字計數的移相器的計算方式忽略了部件號，最小移相器通常是幾個，其負面影響是由于天線電平的增加而引起的，這在使用中隨機的相位饋送可以自動解決。

3 波束控制系統的設計方案

相控陣波束控制系統的主要任務是快速計算每個單元的相移值，并根據光束指向的要求進行計算，然后將其發送到相應的陣列單元。當所有相移值到位時，波束控制系統發出移相指令，并將移相器控制在指定的相位值，從而完成波束的變化。

該波束控制系統接受雷達主控計算機的工作模式和頻率碼信息，根據信息搜索波束指向，制作移相階段表，得到波束寬度值內的所有重復周期，根據一定序列（通常以序列為基礎）將被發送到移相器的相移值。同時，通過軟件和硬件的交互，計算出主控機的校正值。再次計算每個方向的移相量，根據不同模式和參數的修改和調整得到新的移相表。當然，由于其特殊的模式和頻率，不能以連續的方式排列。它還計算天線陣列中每個移相器所需的波形碼，使得波束具有所需的方向性。

BITE技術是相控陣雷達常用的動態監測方法，具有自動修復功能，波控系統必須具備BITE功能，能自動監測正常運行和插入式接口是否工作，自動排除故障的準確定位并能實現雷達波形控制系統。

4 波束控制系統的特性

波束控制系統由兩個主要部分組成：控制主機和單元控制電路。控制主機的作用是接受雷達主控系統的指令。根據波束指向的要求，可以快速計算每個天線單元的相移值，并將相移質量傳輸給每個單元的每個移相器。單元控制電路的主要任務是在雷達主控系統的相位同步脈沖觸發后，使移相器根據控制主機發出的移相指令進行波束調整。

根據波束控制任務的實時計算，高速數字信號處理器以高性能取代傳統的計算機，計算機軟件可以折衷時間純硬件特點復雜的設備，靈活性低，使波束控制系統硬件簡單，功能靈活通用，便于連接天線單元。

以上原理設計的波束控制系統具有以下特點：

4.1 數值精度高

采用Ka波段的陣列，誤差值在10-4左右計算，使用移相器后可精確到10-6能滿足控制需求，精確計算所需各個陣元的相位將最終點調整到給定的區域。

4.2 沒有目標損失

由于相控陣雷達廣泛應用于空中目標的精確定位，因此在定位和搜索目標的過程中，束指向不穩定和偏離目標的現象很容易發生。顯示的數組沒有參考值。用電子地圖精確定位目標位置參數，將矩陣計算集成到現有坐標系中，方法可用于高性能DSP實時計算波形控制代碼，實現波形控制，將計算結果發送回FPGA DPRAM ，實現對梁的穩定控制，不失目標。

4.3 靈活性和可擴展性

采用FPGA和DSP實現最大程度的計算方法，以滿足系統的實時性要求，并實現自適應零點校準，發揮波控系統的靈活性，同時該模型能夠實現穩定可靠的搭配在一些有源相控陣雷達系統的實驗中，只有增加硬件才能實現其他功能。

4.4 快速檢測

以前的檢測手段波形控制系統往往用于移相器的檢測方式，這就要求移相器的設計和波形控制碼全部轉換為1和0，波控系統的設計原理可以采用結構導向的分析方法，從上到下的結構檢測，大大節省了檢測時間。

相控陣天線的性能決定了相控陣雷達的整體性能指標。因此，波束控制技術的研究具有重要的現實意義。本文首先分析了波束控制系統的原理，然后介紹了系統的硬件結構和波束控制，在DSP，單片機，CPLD軟件無線電技術的設計中使用，經過測試，波束控制系統實時性好，精度高和快速的反應。當然，這個制度還有的很多方面還不完善，今后的工作還會進一步完善和完善。

5 結束語

對相控陣雷達波束控制系統的設計原理和實際應用進行了充分驗證，表明對于某些頻率相控陣雷達，波束控制系統能很好地滿足系統的要求。雖然它只適用于小型化雷達陣列控制技術，但其科學合理性為后續的大型相控陣天線和二維技術提供了可靠的數據支持。隨著科學技術的飛速發展，可增加硬件和完善系統集成等手段實現陣列單元由數十個簡單開發，數萬個短陣相控陣雷達天線波束控制系統的開發，生產，經營和使用全過程的重要工具。

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作者單位

陜西黃河集團有限公司設計研究所 陜西省西安市 710043