一種車載相控陣天線波控系統設計

石彬 黎剛果

摘要：描述了波控系統的工作流程，從功能設計、軟件設計和控制算法等方面介紹了一種典型的車載相控陣天線波控系統設計方案。針對工程應用過程中出現的平臺運動對波束指向產生影響的問題，提出了波束電子穩定措施，確保了空間指向的準確性，解決了波束躍度等問題，給出了波束電子穩定和最小波束躍度的具體措施，同時對減小波束躍度的虛位技術進行了展望。

關鍵詞：相控陣；波控系統；移相器；波控碼

中圖分類號：TP361文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2022）03-62-4

0引言

相控陣天線通過控制陣列天線中輻射單元的饋電幅度及相位來改變方向圖形狀，它的饋電幅度相位一般通過電子計算機控制，具有波束指向、波束形狀變化快捷精確等優點[1]。系統工作時，通過波束控制系統控制天線各單元的相位，完成天線波束的電控掃描[2]。波控系統的主要功能是根據方位及俯仰角初始信息，應用布相算法來完成天線配相運算和實時輸出，通過改變陣列中各天線陣元的相位關系，實現改變陣列天線方向圖波束指向的目的[3]。因此，波控系統是相控陣天線的核心控制系統，在相控陣天線中起著至關重要的作用。

1波控系統工作流程

系統采用雙通道單脈沖自跟蹤體制。根據波控碼選擇工作的子陣、和差器形成整陣級和信號、方位差信號和俯仰差信號。角誤差信號經射頻耦合網絡和下變頻器送至基帶分系統，最后將解調出的方位角誤差電壓送到波控分系統。

波控系統接收并處理角誤差信號，根據波束控制策略控制天線指向。在自跟蹤狀態下，波控系統將根據設備的狀態，依據電壓-角度編碼規則將角誤差電壓轉換為角度信息。在程序及數字引導狀態下，波控系統需要對接收到的波束指向角信息進行坐標變換和姿態補償，使波束指向目標運動方向。波控系統根據計算得到的角度信息，由波束控制策略得到波束的工作子陣，送出相應的電平信號控制相控陣天線各接收組件的開關，并控制移相器的偏移相位，從而保證波束準確地指向多個預定目標[4]。同時，可以利用單刀雙擲開關選擇左、右旋信號。波控系統工作流程如圖1所示。

2波控系統設計方法

2.1功能設計

波控系統主要功能是與基帶分系統配合，實現波束切換和控制、陣面狀態監測及幅相一致性校準，統一管理陣面各子波控器，分配任務、協調整個系統工作。

2.1.1波束控制

相控陣天線裝備在車體頂部，與方艙進行拱形設計，受載車運動的影響，天線陣面的坐標系也隨之產生相對運動，天線陣面坐標系與大地坐標系不再一致。為了補償車體運動的影響，需要對波束指向進行動態修正。

在波束控制過程中，波控系統從基帶接收角誤差信息，從定位定向與測姿設備實時獲取車輛位置和姿態信息，依據電壓—角度編碼規則換算成二維的角度信息，并在運動中實時進行指向角修正，最后由波控策略得到子陣切換指令。指向角度及子陣切換指令發送給子波控器，由波控器控制天線陣元的工作。

2.1.2子波控器同步

波束控制中的另一個核心問題是各子波控器間的同步問題。各子波控器接收到波束指向角，波控碼計算完成后需要一個統一的同步信號來同時更新天線陣面上所有移相器的相移量。同步信號發送給各子波控器，保證了信號到達各子波控器的精度。

在這種工作模式下，波控分系統的工作過程是：基帶分系統由角誤差信號給出四路角誤差信號，波控系統根據搜索或跟蹤的要求，給出波束指向的俯仰角、方位角以及陣面切換指令，并廣播傳送給陣面上的各子波控器。各子波控器收到波束指向角信息后，數字信號處理器根據子波控器自身的位置信息進行坐標變換，并快速計算出子陣中每個天線陣元的移相值。計算完畢后，子波控器將波控數據發送給對應的天線陣元。各天線陣元收到相應的波控數據后暫時將各移相器的波控碼進行鎖存。當所有天線陣元的波控碼發送完畢后，子波控器將來自波控系統的同步信號發給各移相器，陣面各天線陣元統一進行移相，同時完成多個波束的形成[7]。

2.1.3陣面狀態監測及幅相一致性校準

相控陣天線陣面由于各種原因（如安裝誤差、元器件性能下降或損壞等）而使相控陣中各陣元的激勵電流存在隨機幅度和相位誤差，將嚴重影響天線波束指向及副瓣性能。因此必須要有相應手段對各天線陣元的幅度和相位進行監測和校準，以便準確判斷陣面的工作狀態，并及時進行數據校正或更換失效的部件[5]。

本系統中相控陣天線陣面監測采用內監測方法，利用校準網絡逐一選通各個收發通道，并注入相同的校準信號，由基帶設備獲得各通道的幅相誤差數據，實現天線的幅相一致性自校準。

2.2軟件設計

波控系統FPGA軟件主要包括波控指令接收模塊、波控計算模塊、天線組件控制模塊和波控指令反饋模塊。波控指令接收模塊用于接收波控系統發來的波控指令，波控指令主要包括各波束的角度信息和子陣切換方式；波控計算模塊由波控指令計算天線各陣元的波控碼和子陣切換信息，并由控制模塊的串行接口發至各陣元移相器的數據鎖存器中。發送完畢后，波控指令反饋模塊向波控系統反饋指令執行結果；波控系統判斷各子波控器的執行結果，并發出整陣同步信號，各鎖存器輸出波控碼使整陣移相器同步進行數據更新。波控器收到波控系統發來的角度信息后，先緩存在內部存儲器中，然后各子波控器再計算出陣列天線中每個陣元對應的移相器所需的相位值，求出陣列中各個移相器需要的波控碼，通過驅動器使移相器移相，從而使天線波束指向預定的搜索空域[9]。gzslib202204041731

2.3控制算法

2.3.1指向角計算

波控系統可以在各種工作模式下計算天線指向角，以自跟蹤工作方式為例，接收機送來的數字角誤差信息經過數字濾波處理得到天線相對目標指向角，自跟蹤模式指向角算法流程如圖2所示。

3波控系統設計

3.1波束電子穩定

為了補償平臺運動的影響，需要對波束指向進行動態修正。相控陣天線在波束控制上有先天的優勢，宜采用波束電子穩定的方法來補償平臺搖擺。波束電子穩定是根據大地坐標系與天線陣面坐標系之間的關系，波控分系統在計算移相器的移相值前，對天線陣面坐標系下的俯仰角、方位角進行坐標變換及動態補償，以保證空間指向角的準確性[8]。

3.1.1平臺運動信息

波束指向動態修正過程，首先需要測量平臺運動的信息，再將波控軟件中目標的波束指向轉換為相對于陣列天線中各個陣元的波束指向。在設計上，同一組件上不同陣元的陣元方向一致，僅坐標位置不同，目標的波束指向轉換為相對于組件的波束指向即可，簡化了坐標系轉換的運算量。承載相控陣天線平臺的運動由慣導器件測量計算，然后慣導器件輸出實時的位置和姿態變化信息，主要有GPS位置、航向角、俯仰角和橫滾角信息。

在波控軟件中，目標位置程序引導參數的波束指向計算需要得知2個關鍵信息：目標GPS位置與站址GPS，在車載平臺長距離運動過程中，為了保證波束指向的準確性，需要獲得平臺本身實時的GPS位置信息參與波束指向計算，修正是因為平臺位置改變引入指向誤差。

為了方便計算，在車載平臺坐標系中規定車頭方向為軸正方向，車頭向前車體左側為軸正方向，車頂方向為軸正方向。此時姿態信息中的航向角是車頭方向即軸繞軸沿逆時針偏離正北方向的角度；俯仰角為繞軸偏離原始位置的角度，大拇指沿軸，右手螺旋方向為正，反之為負；橫滾角是繞軸偏離原始位置的角度，大拇指沿軸，右手螺旋方向為正，反之為負。車體坐標系中的姿態信息如圖4所示。

3.1.2波束指向坐標系轉換

波控軟件通過計算跟蹤目標在大地坐標系下的方位、俯仰角度，然后根據承載平臺的實時姿態信息做第1次坐標轉換，將大地坐標系下的波束指向通過坐標系旋轉轉換為平臺坐標系下的方位角和俯仰角的波控碼。

陣列天線是共形排列，在曲面上不同位置的陣列組件與承載相控陣天線的平臺形成不同的角度，同一個波束指向與陣列中不同位置的組件形成的夾角角度不同。波控碼下發到各個陣列組件之后，組件內部根據各自相對于承載平臺中心位置的坐標信息做第2次坐標轉換，將波束指向通過坐標系旋轉轉換為對應于各個組件的波束指向。

3.1.3波束指向的同步下發

平臺上陣列天線的陣元數量較多時，波束指向的下發需要通過設計保證下發速率和同時性的要求，以滿足波束形成的指標。在實際使用中，波控計算機輸出的波控碼往往通過同步串口、異步串口、CAN總線等形式下發到各個陣元，但是直接在波控計算機進行分路會增加波控計算機的接口數量。為了在陣元數量較多時滿足同時性要求，可以通過分級的方式將波控計算機的波控碼通過同步分路器分成多路分別送往不同的子陣，如果子陣數量較多可以再次進行分路，將波控碼再次分路到不同的陣元。

通過同步分路器的方式將波控碼分級送到不同陣元，可以減少簡化波控計算機的接口數量，減少波控計算機設計難度，減少線纜總長度，便于后期靈活拓展與設備維護。同時，在同步分路器端進行同步分路輸出可以減少同一時刻輸出的波控碼到達不同陣元的時間差。但是通過同步分路器進行分路也有增加波控碼傳輸時延的缺點，同步分路器的時延主要受制于電纜線信號屏蔽性能、接口物理速度和分路器系統時鐘，使用串口、CAN等線路實際應用時更適合跟蹤角速度較低的目標。未來如果有更高的時延要求可以通過更換物理接口的方式改進，如將電纜傳輸改為光纖傳輸，可以增加傳輸帶寬，減少時延，提高波束指向下發速率，提高波束掃描速度。

3.2最小波束躍度

4結束語

本文設計的波控系統采用的是分布式控制方式。分布式控制是現代大型相控陣系統進行波束控制的有效方法，具有波控碼的運算速度快的特點，分布式波控系統中，每個子波控器控制陣面中的一部分陣元，子波控器分別接收波控系統送來的波束指向角信息，完成波控碼的計算，最后送往激勵器推動移相器工作，實現波束在空間的掃描。另外，為了提高相控陣天線的性能，需要減小波束躍度，傳統技術中，增加移相器可以減小波束躍度，但增加移相器不僅會帶來移相器損耗增加和波控設備增加，而且要使移相器保證較高的移相精度，不但成本高、實現難度也很大。采用虛位技術通過舍棄相位值部分位數，能夠實現節省移相器位數，減小波束躍度的目的，可以作為今后研究的方向。

參考文獻

[1]薛王偉，張劍云.相控陣天線關鍵技術發展趨勢[J].現代防御技術，2007（1）：96-100.

[2]曹德明.相控陣天線波束控制的基本原理及波控系統的任務[J].電子技術與軟件工程，2018（5）：91.

[3] MERRILL I S.雷達手冊[M].北京：電子工業出版社，2003.

[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]張中偉.相控陣天線關鍵技術的研究[D].杭州：杭州電子科技大學，2012.

[6]林昌祿.天線工程手冊[M].北京：電子工業出版社，2002.

[7]張明友.雷達系統[M].北京：電子工業出版社，2018.

[8]唐文杰.一種相控陣天線的研究與設計[D].西安：西安電子科技大學，2017.