有源相控“智能蒙皮”波束控制系統的設計與實現

古 磊，竺小松

（國防科技大學電子對抗學院，合肥 230037）

0 引言

智能蒙皮技術是飛行結構設計與復合材料技術、信息融合技術、電磁兼容技術等高度契合的先進實現技術。智能蒙皮中的“蒙皮”從設備的角度突出系統共形形態的特殊承載方式；而“智能”則是從蒙皮的角度，體現出迥異于普通蒙皮的對外界電磁環境的感知能力和自主干預的能力［1-3］。新興的相控陣天線具有更大的多樣性和靈活性，且自適應能力更強，因此，采用兩大技術融合的智能蒙皮天饋系統，是解決傳統天饋系統在航空武器平臺上技術難題的一個十分有吸引力的技術思路。有源相控天線波束的快捷性與靈活性是通過波束控制系統來實現的。文獻［4］介紹了有源相控陣對波束控制系統的基本要求，可見波束控制系統的優良與否是衡量有源相控陣性能的重要標準之一。

本文首先闡述波束控制系統的工作原理以及波束控制數碼的實現方法，隨后重點介紹了在自主開發的4×4有源相控陣智能蒙皮試驗架構中的波束控制系統方案（該方案采用ARM+CPLD+自主開發數字移相功率發射模塊的系統構架），并通過相應專業設備的測試，驗證了方案的有效性和可行性。

1 相控陣波束控制工作原理

波束控制系統是相控陣雷達重要系統之一［5］，它的基本任務是在規定的時間內根據天線波束指向要求，解算出波控碼將其發送到對應的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，能夠對整個陣面的T/R組件狀態進行判故、檢測等［6］。波束控制系統的組成具有很大的變通性，一般地，波控系統包括波控主機、數據存儲器、信號傳輸分配線、波控碼寄存和驅動器、電源設備等［7］。波控系統的組成方框圖如圖1所示：

主機從上位機中接收指定的角度、頻率參數和工作方式命令字等數據，通過相應運算處理模塊先計算出所需的相位初始值，再解算出子陣面中各個陣元對應移相器所需的波控碼，把波控碼按照規定的方式傳送到陣面單元移相器進行移相操作，最終實現天線波束掃描［8-9］。波控系統的基本功能是對天線波束定位，即根據要求的天線波束指向計算并提供陣列中每個單元移相器所需的控制信號。為此，需獲得天線波束指向與波控數碼的關系。

假設平面相控陣天線陣元以等間距的矩形排列方式，分布如圖2所示，其中αz=θ。

共有M×N個天線陣元排列在zOy平面上，d1、d2分別為陣元沿y軸方向和z軸方向的間距，（cos αx，cosαy，cosαz）為目標的方位，故可求出沿y軸和z軸方向相鄰兩個陣元之間的空間相位差分別是

設（0，0）陣元為參考陣元，那么第（i，k）陣元與參考陣元之間的空間相位差為

天線的陣內相位差由與陣元連接的移相器提供，假設（θ0，φ0）為波束指向，那么相鄰陣元的陣內相位差分別

由式（6）可得，改變陣面上相鄰陣元通道間的陣內相位差，就能控制天線波束最大值指向預定的方向，便實現天線波束的電掃描［10］。

波控數碼計算的理論依據簡述為，當空間相位差等于陣內相位差時，方向圖函數取最大值。K位數字移相器提供的最小相移量為，波控數碼只能是數字移相器最小相移量的整數倍。圖2中，平面相控陣天線中第（i，k）個陣元（即陣面上第i行第k列的陣元）相較于第（0，0）個陣元，它的波控數碼可表示為 C（i，k），i=0，1，…，N-1，k=0，1，…，M-1。C（i，k）的表達式為

其中

根據天線的波束指向，由式（8）和式（9）可計算陣列中每個陣元的波控數碼，再按照特定時序發送給各陣元的移相器，就能讓天線的波束指向特定的角度［11］。

2 波束控制系統設計方案

根據相控陣陣面上陣元的數量及排列方式，波束控制數碼的實現方法主要有查表預處理法、分布式運算法、集中式運算法3種［12-13］。因天線陣元數目較少，故采用查表法。

2.1 主要技術指標要求及總體設計

系統擬實現的總體主要技術指標如下：

1） 天線陣列：4×4；

2） 頻率范圍：3.8 GHz～4.0 GHz；

3）天線陣增益：18 dB；

4）1 dB壓縮點輻射功率：500 W；

5）空間功率合成效率：≥70%；

6）相位控制精度：5°；

7）幅度控制精度：0.5 dB；

8）幅度動態范圍：20 dB；

9）相位噪聲優于：-87 dBc/Hz@10 k；

10）諧雜波抑制：-40 dB；

11）蒙皮面積：400 mm×300 mm；

12）蒙皮厚度：15 mm。

根據本系統指標要求，波控系統主要由數字幅相加權模塊（Cortex—M3為內核的MCU（STM32F10 7VCT6），兩片 CPLD（EPM7128AETC144-10）），16路數字移相功率發射器（包含數控移相PLL、功率推動放大器、數控衰減器、末級功率放大器），16路發射隔離器組，4×4微帶天線陣，同步參考時鐘樹以及上位機接口組成?？傮w架構方案如圖3所示：

該試驗系統有源相控陣設計的架構是S波段同步時鐘樹+數字移相發射功率模塊，工作頻率范圍3.0GHz～4.0GHz；由高穩定頻率源（10MHz）驅動同步參考時鐘樹模塊。該模塊扇出16路相位同步的參考時鐘，提供給16路可數字幅相加權的功率發射模塊。數字移相發射功率模塊與天線陣元配對貼近組裝，構成有源天線陣元。時鐘扇出的同步偏斜控制在100ps之內，為各路發射模塊提供穩定的同步參考。數字移相功率發射模塊具有對參考時鐘的數控相位偏移功能和幅度數控衰減功能。在上位機的控制下，通過數字幅相加權控制器給各個數控發射模塊置入幅相控制碼，最終在天線端口實現功率合成和波束掃描。

2.2 硬件方案設計

2.2.1 數字幅相加權模塊

該模塊由兩片 CPLD（EPM7128AETC144-10），和一片Cortex-M3為內核的MCU（STM32F107VCT6）組成，如圖4所示：

該模塊從PCB板物理形態上分為中央控制板和左右分控板。中央控制板主要由主控器ARM 32位的CortexTM-M3 CPU——STM32F107和1∶5時鐘驅動器74FCT38075S構成。新STM32的標準外設包括10個定時器、2個12位1-Msample/s AD（模數轉換器）（快速交替模式下2M sample/s）、2個12位DA（數模轉換器）、2個I2C接口、5個USART接口和3個SPI端口和高質量數字音頻接口IIS，另外，STM32F107擁有全速 USB（OTG）接口，兩路 CAN 2.0B接口，以及以太網10/100 MAC模塊。

左右分控制板主要由CPLD-EPM7128AETI144和1∶10時鐘驅動器74FCT3807S構成。EPM7128是可編程的大規模邏輯器件，為ALTERA公司的MAX7000系列產品，具有高阻抗、電可擦等特點，可用門單元為2 500個，管腳間最大延遲為5 ns，工作電壓為+5 V。在此使用的主要原因是給中央控制器做控制口線擴展。1∶10時鐘驅動器電路74FCT3807S，提供邊沿對齊的8路參考時鐘。

系統的總控由MCU完成，同時又是和上位機的接口，接口采用UART和USB兩種形式。由于每一個數字移相發射功率模塊需要有9根控制線，一共需要144根控制線，MCU口線顯然不夠，因此，采用CPLD做端口擴展。仍然如同步時鐘樹模塊一樣，將系統功能及物理結構一體化設計。由于物理結構上數字移相發射功率模塊分為兩組，因此，結構設計中亦采用總控板居中，分控板左右兩邊安裝的方式，安裝在下蒙皮結構上。因此，相應的電路設計采用兩片CPLD作為左右兩邊的分控模塊，中央MCU除提供左右各9根控制線外，還提供左右各3根片選線，經CPLD譯碼后，實現對不同發射功率模塊的控制。

2.2.2 數字移相功率發射模塊

此模塊是系統的核心模塊。為了能夠實現數控幅相加權，設計了4部分級聯電路，如圖5所示。分別是數控移相PLL、功率推動放大器、數控衰減器、末級功率放大器。其中：

數控移相PLL采用ADF4350，其具有以下4個技術特點：能夠產生137.5 MHz～4.4 GHz的寬帶RF信號，滿足系統信號產生的要求；在4 GHz相噪優于-87dBc/Hz@10k，諧雜波抑制≤-40dB；可用12bit按360°相位的4 096高精度細分進行相對參考時鐘的移相控制，結合參考時鐘的相位一致性指標并考慮饋線長度參差和接頭反射時延造成的誤差影響，亦可靈活調整相位，具有充分的相位加權能力；輸出具有 -4 dBm、-1 dBm、0 dBm、5 dBm 4檔功率控制，具有9 dB的增益粗調能力。

ADF4350中的小數插值器是一種三階∑-△調制器，其模數（MOD）可設置為從2～4 095的任何整數值。當MOD為小數模數時，小數N分頻PLL的輸出可以建立至相對于輸入參考的任何一個MOD相位偏移。寄存器1中的相位字控制RF輸出相位，寄存器1的配置意義如圖6所示。當此相位字從0掃至MOD時，RF輸出相位以360°/MOD的步進掃過360°范圍。

數控衰減器采用DAT-15R5-SP+，該器件頻率范圍DC～4 GHz，以0.5 dB步進，可提供15.5 dB的總衰減。結合數控移相PLL即ADF4350的9 dB輸出粗調，共可產生24.5 dB功率調節范圍。

末級功率放大器采用HMC327MS8G，其頻率范圍3 GHz～4 GHz，1 dB壓縮點輸出功率為P1 dB=27 dBm，飽和輸出功率Psat=30 dBm，增益21 dB。天線陣總輸入功率為16個數控發射模塊之和，即27+12=39 dBm，結合天線陣的增益18.5 dB，系統1 dB壓縮點合成輸出功率理論計算為57.5 dBm，合562 W，而飽和輸出功率可達千瓦之巨。

功率推動放大器采用PSA-5451+，其頻率范圍0.05 GHz～4 GHz，在此插入一級功率推動模塊的原因是為了對數控移相PLL模塊和末級功率放大器模塊進行功率匹配。末級功率放大器輸出功率為27 dBm ～30 dBm，增益 21 dB。

2.2.3 微帶天線陣方案

采用矩形微帶天線的陣元形式。通過HFSS優化設計和仿真，介質板選用介電常數為2.65的聚四氟乙烯，厚度取2 mm，微帶貼片陣元尺寸為32 mm×21.4 mm，饋電點偏離陣元中心4.6 mm時，單陣元增益可達8.5 dB。考慮天線貼片的柵瓣效應，取x方向相距20 mm，y方向相距10 mm進行4×4組陣，天線陣增益可達18.5 dB，滿足設計要求。天線陣列形態與實物如下頁圖7所示。

2.3 軟件方案設計

一般情況下，波束控制系統會根據所需要掃描的波束指向角和工作頻率，由上位機計算出波束控制碼，并將其中相應的控制模塊發送出對應的控制指令，例如相位發送模塊發送相位指向的指令。上位機再通過網口通信模塊，將指令傳輸至波控盒，使其完成信號的轉換。波控盒進而將數據傳輸給波束控制板。波控板接收到控制指令后，將指令分別轉發至相應的功能模塊，例如角度指向指令分別經過相位解算模塊、存儲器讀寫模塊、移相器驅動模塊，最終實現相位控制和波束掃描。圖8是上位機發送控制指令時系統程序流程圖，圖中上位機和波控板中的各項模塊協調一致，相互配合，保證了波控系統的正常工作。

軟件設計中，上位機選用C#語言編寫關于實現波束控制的控制軟件，軟件界面如圖9所示。上位機上電后，首先對波控端口進行自檢，根據自檢結果判斷系統能否正常工作。如檢測結果不正常，則將監測信息上報并啟動對端口的保護程序；如檢測一切正常后，則啟動與ARM的串口通信。接收到波束指向各參數信息后，計算出16路波束控制碼（包括相移和幅度衰減量），然后發起UART通信，對傳輸總線進行配置，通過總線進行數據傳輸?？偩€配置成功后，上位機向下位機ARM傳遞16路波控碼，并進行下一輪的輸入指令。

下位機啟動與上位機串口通信后，先對16路數字移相功率發射器中的ADF4350芯片初始化，將16路衰減到最大，再等待上位機的指令。由于本波控數碼采用查表法，波控碼和移相值是一一對應的，因此，在MCU中建立波控碼和移相值的數據查找表。即接到波控碼后，通過查找表獲得相應的移相值，再將其換算成寄存器控制參數值，控制對應的數字移相功率發射模塊，獲得該陣元的移相輸出。完畢后各路模塊逐步減少衰減穩定直至功率最大，等待下一輪上位機的指令。

3 系統仿真與測試

下頁圖10是對應的4組不同饋電相位情況下，波束的三維增益方向圖，可看出波瓣數量在增加，通過調整端口饋電相位，可以實現多波束掃描。由圖10可以看出，16陣元情況下，最多可以生成16個波束。

對基板尺寸為180 mm×200 mm的微帶天線陣進行S11仿真，對應的回波損耗如下頁圖11所示?？梢钥闯?6個端口均滿足-10 dB以下的要求。

系統的整體構架和測試結果分別如下頁圖12和圖13所示。

模塊調測包括RF頻率綜合源調測、RF功率推動放大器、數控衰減器和功率放大器。設計的數字移相功率發射模塊每級電路都可獨立調試，設置了多個中間測試射頻接頭。極大地提高了模塊的可調測性。信號功率測試和相噪測試如圖13所示。測試結果表明各個模塊工作正常，設計達到了預期指標。

4 結論

本文將智能蒙皮和有源相控陣兩大前沿技術高度融合，在自主開發的4×4有源相控陣智能蒙皮試驗架構中，設計了一個ARM+CPLD+自主開發數字移相功率發射模塊的S波段波束控制系統方案。該有源相控波束控制系統的仿真和試驗表明，對于陣列數目較小的有源相控陣，該波控系統能夠較好地滿足系統要求，各項技術指標亦基本達到了預期目標。因此，該S波段有源相控“智能蒙皮”波束控制系統的設計方案是合理可行的，為后續設計控制更多陣列單元的波控系統打下良好基礎，提供了有益參考。

參考文獻：

［1］何慶強，王秉中，何海丹.智能蒙皮天線的體系構架與關鍵技術［J］.電訊技術，2014，54（8）：1039-1045.

［2］何慶強，王秉中，何海丹.新興智能蒙皮天線技術［J］.微波學報，2014，35（6）：287-290.

［3］李海洋，周金柱，杜敬利，等.面向智能蒙皮天線電補償的位移場重構［J］.電子機械工程，2017，33（1）：19-24.

［4］張光義，趙玉潔.相控陣雷達技術［M］.北京：電子工業出版社，2007.

［5］張宇馳.基于FPGA平臺的波控系統設計［D］.南京：南京理工大學，2012.

［6］姚志文.一種彈載相控陣天線波束控制系統設計［J］.航空兵器，2016，12（6）：12-15.

［7］楊晉云.相控陣天線波束指向精度研究［D］.西安：西北工業大學，2004.

［8］張延曹，王勇，陳燦，等.相控陣雷達波束控制器優化設計［J］.計算機仿真，2015，32（11）：51-54.

［9］李祥榮.毫米波有源相控陣雷達波束控制系統的設計與應用［J］.電訊技術，2009，49（1）：77-80.

［10］ALBANI M，CADILI T，DI MAGGIO F，et al.A 2-D electronic beam steering phased array for point-multipoint communication applications［C］//Radar Conference，2007.Eu-RAD 2007.European.IEEE，2007：350-353.

［11］陳旭.有源相控陣雷達子陣波束控制系統研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2015.

［12］BILLAM E R.Design and performance considerations in modern phased array radar［C］//IEEE Radar Conference，1982：14-19.

［13］鄭清，張健.相控陣雷達分布式波控系統設計［J］.現代雷達，2001，23（6）：49-51.