一種相控陣雷達數字TR組件幅相校正裝置設計

王新紅，陳婷，楊柳

（航天南湖電子信息技術股份有限公司，湖北荊州，434000）

0 引言

數字T/R組件是相控陣雷達的關鍵部件之一。常規數字相控陣雷達的幅相校正需要使用專用儀表和設備，人工連接校正線路并手動設置儀表參數，由于校正設備硬件通道的差異，每次幅相校正完畢后還需人工測量誤差并對校正結果進行補償，不僅校正效率低，耗費時間長，且在長時間的校正過程中無法保證工作溫度始終一致，無法消除電子器件溫度漂移帶來的誤差，極大影響雷達陣面幅相的一致性，嚴重降低數字T/R組件工作性能。本文設計一種自動化幅相校正裝置實現數字T/R組件幅相校正。

1 設備組成及工作原理

相控陣雷達數字TR組件幅相校正裝置由監控計算機、資源管理計算機、數字波束合成DBF分機、頻率源、陣面監測網絡、數字TR組件組成。數字T/R組件通過陣面監測網絡接收頻率源輸出的同步信號、同步時鐘、變本振和測試信號；頻率源通過陣面監測網絡接收數字T/R組件輸出的發射激勵耦合信號；監控計算機通過資源管理計算機和陣面監測網絡向頻率源、數字T/R組件發送幅相校正指令，頻率源和數字波束合成DBF分機接收校正數據，并將頻率源的發射校正數據、數字波束合成DBF分機的接收校正數據回傳監控計算機進行處理顯示。相控陣雷達數字TR組件幅相校正裝置工作原理框圖如圖1所示。

圖1 工作原理框圖

監控計算機為CPCI計算機，包含計算機硬件平臺、顯示器、鍵盤、鼠標和人機交互界面軟件，人機交互界面軟件包括：顯示控制軟件模塊、命令解析軟件模塊、校正處理軟件模塊、數據傳輸軟件模塊；監控計算機通過計算機硬件平臺的網絡接口與資源管理計算機通訊，通過鍵盤鼠標完成與操縱員的人機交互；監控計算機接收操縱員通過鍵盤鼠標的操作錄入，根據操縱員人工選擇的手動/自動校正選項，使用顯示控制軟件模塊完成識別，生成操作選擇結果，使用命令解析軟件模塊完成選擇結果的解析，結合校正值生成校正指令，使用數據傳輸軟件模塊打包成網絡協議報文通過網絡接口輸出；數據傳輸軟件模塊通過網絡接口獲取幅相數據報文，得到校正結果。

資源管理計算機為CPCI計算機，包含計算機硬件平臺、PCIE接口卡和資源管理軟件，資源管理軟件包括：參數分解軟件模塊、資源調度軟件模塊、指令下發軟件模塊、幅相數據處理軟件模塊；資源管理計算機可根據監控計算機的指令分解參數和任務，分別生成頻率源、數字T/R組件、數字波束合成DBF分機的控制指令并下發，獲取頻率源的發射幅相校正數據和數字波束合成DBF分機的接收幅相校正數據編碼回傳監控計算機。

頻率源為嵌入式板卡，硬件包含現場可編程門陣列FPGA、直接數字式頻率合成器DDS、模數轉換器AD、串行存儲器EPCS、LC濾波器、放大器、開關濾波器組、晶振、倍頻器、混頻器、光收發模塊，軟件包含頻率源嵌入式軟件，頻率源嵌入式軟件包括：通訊處理軟件模塊、DDS指令生成軟件模塊、AD采樣軟件模塊、時序生成軟件模塊。頻率源通過光收發模塊接收資源管理計算機的頻率源的控制參數報文，經通訊處理軟件模塊解析后，生成DDS控制信號、采樣控制信號、時序控制信號。時序產生軟件模塊接收晶振產生的全機時鐘，根據時序控制信號產生同步信號和時序；DDS指令生成軟件模塊接收DDS控制信號和時序，生成DDS指令信號；DDS接收DDS指令信號、基準時鐘，產生三路中頻信號，晶振輸出的基準時鐘經倍頻器倍頻、LC濾波器濾波后輸出固定本振信號，DDS產生的三路中頻信號分別與固定本振信號混頻、放大，并經過開關濾波器濾波后，生成一路基準信號、一路測試信號、一路變本振。晶振產生的基準時鐘經放大器、LC濾波器后產生同步時鐘輸出。兩路模數轉換器AD同時接收一路發射激勵耦合信號、一路基準信號并采樣，AD采樣軟件模塊根據時序信號對采樣結果進行處理，輸出幅相數據；通訊處理軟件模塊對幅相數據進行編碼打包后通過光收發模塊輸出，回傳資源管理計算機。

陣面監測網絡為信號分發器，硬件包含同步信號一分十功分器、同步時鐘一分十功分器、變本振一分十功分器、測試信號一分十功分器、光功分器及若干連接頻率源與數字T/R組件的射頻電纜。陣面監測網絡通過射頻電纜與頻率源連接，接收頻率源的同步時鐘、同步信號、變本振、測試信號，分別通過一分十功分器完成無源功分，輸出十組同步時鐘、同步信號、變本振、測試信號到十個數字T/R組件；陣面監測網絡通過光纖接收數字T/R組件控制參數光信號，通過光功分器完成無源光功分，輸出十個數字T/R組件的控制參數光信號到十個數字T/R組件；十個數字T/R組件根據控制切換開關，通過測試信號通道回傳發射激勵耦合信號，陣面監測網絡接收發射激勵耦合信號，經一分十功分器回傳頻率源。

數字T/R組件為基于直接數字式頻率合成器DDS的數字T/R組件，硬件包含帶通濾波器、限幅器、電子開關、發射模塊、接收模塊、數字模塊；其中發射模塊包括：前級功放、末級功放、耦合器、環行器；接收模塊包括：選頻濾波、放大，數控衰減控制；數字模塊的硬件包括：現場可編程門陣列FPGA、直接數字式頻率合成器DDS、模數轉換器AD、時鐘驅動芯片、串行存儲器EPCS、光收發模塊，數字模塊的軟件包含數字T/R組件嵌入式軟件，數字T/R組件嵌入式軟件包括：通訊控制軟件模塊、DDS控制軟件模塊、AD控制軟件模塊、導前解碼軟件模塊、時序產生軟件模塊；數字T/R組件接收控制指令，控制DDS產生發射激勵耦合信號，對回波端口輸入的信號進行AD采樣，依次經過濾波、插值、抽取后得到接收幅相數據并打包回傳至數字波束合成DBF分機；數字T/R組件測試信號與發射激勵耦合信號回傳共用一個通道和線路，通過電子開關切換。

數字T/R組件為基于直接數字式頻率合成器DDS的數字T/R組件，硬件包含帶通濾波器、限幅器、電子開關、發射模塊、接收模塊、數字模塊。其中發射模塊包括：前級功放、末級功放、耦合器、環行器；接收模塊包括：選頻濾波、放大，數控衰減控制；數字模塊的硬件包括：現場可編程門陣列FPGA、直接數字式頻率合成器DDS、模數轉換器AD、時鐘驅動芯片、串行存儲器EPCS、光收發模塊，數字模塊的軟件包含數字T/R組件嵌入式軟件模塊，數字T/R組件嵌入式軟件模塊包括：通訊控制軟件模塊、DDS控制軟件模塊、AD控制軟件模塊、導前解碼軟件模塊、時序產生軟件模塊。數字T/R組件通過數字模塊的光收發模塊接收陣面監測網絡分發的數字T/R組件的控制參數光信號，完成光電轉換后輸出到現場可編程門陣列FPGA的通訊控制軟件模塊，通訊控制軟件模塊完成對數字T/R組件的控制參數的分解，輸出采樣控制信號、時序控制信號、DDS控制信號。數字模塊的時鐘驅動芯片接收陣面監測網絡分發的同步時鐘信號，完成信號的有源功分，為模數轉換器AD、時序產生軟件模塊、導前解碼軟件模塊提供同步時鐘；導前解碼軟件模塊接收同步時鐘、同步信號，解碼輸出導前；時序產生軟件模塊接收導前、時序控制信號，產生各模塊所需時序信號；DDS控制軟件模塊接收時序、DDS控制信號，產生DDS指令，DDS根據DDS指令產生中頻信號，與變本振在混頻器中完成混頻，依次經過放大器放大、開關濾波器組濾波，進入前級功放進行第一次信號放大，將其中一路耦合信號輸出到電子開關，按照時序控制的切換通過電子開關輸出，將另一路信號送末級功放，進行第二次放大，再經過耦合器、環形器后輸出發射信號，經帶通濾波器濾波后輸出。帶通濾波器接收回波信號，依次經限幅器輸出到電子開關。電子開關接收時序控制、測試信號、回波信號，按照時序控制切換開關，在不同時刻將測試信號或回波信號輸出到選頻濾波，再依次經過放大、數控數衰減控制輸出到AD進行采樣，采樣結果經AD控制軟件模塊處理后輸出幅相數據到通訊控制軟件模塊，通訊處理軟件模塊對幅相數據進行打包編碼，經光收發模塊完成電光轉換后輸出。

數字波束合成DBF分機包括底板、光纖數傳插件、處理插件、電源插件；其中，光纖數傳插件的硬件包括：現場可編程門陣列FPGA、串行存儲器EPCS、光收發模塊、晶振，光纖數傳插件的軟件包括：數據接收軟件模塊、數據對齊軟件模塊、數據打包軟件模塊；處理插件的硬件包括：現場可編程門陣列FPGA、串行存儲器EPCS、光收發模塊、晶振，處理插件的軟件包括：數據合成軟件模塊、數據發送軟件模塊；數字波束合成DBF分機負責接收經數字T/R組件處理后的幅相數據，并將幅相數據提取并打包回傳至資源管理計算機。

2 幅相校正方法

2.1 發射幅相校正

發射幅相校正流程圖如圖2所示。

圖2 發射幅相校正流程圖

監控計算機根據人機界面人工/自動選項的選擇結果，轉換為以字節為單位的控制指令，通過網絡傳輸給資源管理計算機；資源管理計算機接收監控計算機的控制指令，完成控制指令分解后，分別發送針對頻率源、數字T/R組件的控制指令；頻率源接收資源管理計算機的控制指令，產生同步信號、同步時鐘、變本振和基準信號；陣面監測網絡接收資源管理計算機的控制指令、頻率源的同步信號、同步時鐘、變本振信號，完成信號的功分與轉發；數字T/R組件接收控制指令、同步信號、同步時鐘、變本振信號，數字T/R組件被測試通道根據指令要求產生發射激勵耦合信號；陣面監測網絡將被測試數字T/R組件的發射激勵耦合信號通過測試信號通道回傳至頻率源；頻率源接收發射激勵耦合信號，通過頻率源內置模數轉換器AD對自身基準信號與發射激勵耦合信號同時進行采樣，依次經過濾波、插值、抽取后得到幅相數據并打包回傳至資源管理計算機；資源管理計算機接收幅相數據，并回傳給監控計算機，監控計算機接收被測試通道和基準信號的幅相數據，將被測試通道幅相與基準幅相做比值計算得到誤差值，判斷被測試發射通道幅相與基準通道幅相誤差是否超出門限范圍，并根據判別情況更新發射幅相誤差數據表，在后續周期向數字T/R組件發送新的發射通道相位補償值；監控計算機依次切換被測試通道，通過巡檢的方式完成所有通道所有頻點的發射幅相校正，人機交互界面負責對監測結果進行綜合處理后顯示。

2.2 接收幅相校正

接收幅相校正流程圖如圖3所示。

圖3 接收幅相校正流程圖

監控計算機根據人機界面人工/自動選項的選擇結果，轉換為以字節為單位的控制指令，通過網絡傳輸給資源管理計算機；資源管理計算機接收監控計算機控制指令，完成分解，分別發送針對頻率源、數字T/R組件、數字波束合成DBF分機的控制指令；頻率源接收資源管理計算機的控制指令，產生模擬同步信號、同步時鐘、變本振和測試信號；陣面監測網絡接收資源管理計算機的控制指令、頻率源的同步信號、同步時鐘、變本振和測試信號，完成信號的功分與轉發。

數字T/R組件接收控制指令、同步信號、同步時鐘、變本振和測試信號，被測試數字T/R組件根據指令要求切換開關，使測試信號經過接收通道，并使用數字T/R組件的內置模數轉換器AD對接收區信號進行采樣，依次經過濾波、插值、抽取后得到幅相數據并打包回傳；數字波束合成DBF分機接收當前頻點參數下所有數字T/R組件的幅相數據，提取數據，根據控制指令處理并打包回傳；資源管理計算機接收數字波束合成DBF分機回傳的幅相數據，轉發給監控計算機，監控計算機設定校正的幅度、相位基準值，將通道幅相數據做比值運算得到幅相校正比值，并將幅相校正比值和校正參數生成控制指令，依次通過資源管理計算機、陣面監測網絡發送給數字T/R組件，數字T/R組件根據控制指令完成接收幅相數據的校正； 監控計算機依次切換測試頻點參數，通過巡檢的方式完成所有頻點的發送接收幅相校正，人機交互界面負責對監測結果進行綜合處理后顯示。

3 結論

該相控陣雷達數字T/R組件幅相校正裝置，通過監控計算機人機交互界面自動發送校正指令，完成頻點和通道的切換；幅相校正使用的陣面監測網絡與正常工作所需的網絡為合二為一，正常工作所需的控制指令、同步信號、同步時鐘、變本振和測試信號，與幅相校正所需的控制指令、同步信號、同步時鐘、變本振、測試信號、發射激勵耦合信號使用的是同一套網絡，減少校正誤差環節，從而極大減小幅相校正誤差；資源管理計算機獲取校正數據后，通過監控計算機自動計算補償值并生成校正指令，使得完成幅相校正總耗時控制在秒級，徹底避免長時間校正所產生溫度漂移帶來的不良影響。幅相校正一致性好，極大提高校正效率，切實保證數字T/R組件高效運行。解決了現有幅相校正必須配置專用儀表和設備，因設備硬件通道差異，每次校正完畢還需人工測量誤差并對校正結果進行補償，不僅校正效率低，耗費時間長，且無法校正因長時間校正溫度變化引起的差異，極大影響幅相校正的一致性，嚴重降低數字T/R組件工作性能的問題。