朱文松 吉宗海

【關(guān)鍵詞】雷達 頻率源 RF功率測量 監(jiān)控

相控陣?yán)走_由大量可以獨立控制的收發(fā)單元組成，通過控制每個收發(fā)單元的發(fā)射波的相位不同，可以在空間合成不同指向的波束，具有敏捷的波束掃描和捷變能力，可以實現(xiàn)多目標(biāo)的截獲、跟蹤、自適應(yīng)等優(yōu)點，同時由于基于電子掃描方式而非傳統(tǒng)的機械轉(zhuǎn)動天線的方式控制波束，相較于傳統(tǒng)雷達，其波束調(diào)度速度、多目標(biāo)跟蹤能力、目標(biāo)更新速率、分辨率、多功能、電子對抗能力具有巨大的優(yōu)勢?，F(xiàn)在先進的相控陣?yán)走_多采用有源全數(shù)字體制，可以充分發(fā)揮相控陣?yán)走_體制的優(yōu)勢，整體性能更強。

1 頻率源及分配網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)代雷達頻率源分機的時鐘和本振信號一般不能直接送給雷達陣面每個收發(fā)單元使用，一般需要經(jīng)過分配網(wǎng)絡(luò)，在分配網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點進行精確放大、功分和濾波后，送給每個收發(fā)單元使用。由于分配網(wǎng)絡(luò)分布在雷達的整個陣面，節(jié)點數(shù)多，任何一個節(jié)點出現(xiàn)問題都會導(dǎo)致與該節(jié)點相關(guān)的雷達陣面無法正常工作，因此需要按照規(guī)劃對節(jié)點進行監(jiān)控，主要監(jiān)控時鐘和本振信號功率的大小。本文主要介紹該監(jiān)控模塊的設(shè)計和實現(xiàn)。

2 射頻功率監(jiān)控模塊設(shè)計

2.1 模塊整體框圖

模塊框圖包括六路RF信號輸入、一路系統(tǒng)時鐘、以FPGA作為主控制器、模塊配置了大容量的FLASH和SRAM、數(shù)十路 TTL IO控制口、溫度傳感器、光纖鏈路口、網(wǎng)口和RS422通信接口等。根據(jù)雷達總體對射頻功率監(jiān)控模塊要求，射頻功率監(jiān)控模塊主要功能：在雷達同步觸發(fā)時序下，對各個節(jié)點的時鐘和本振信號的功率進行量化，并分別通過光纖、網(wǎng)口、RS422送給后端信號處理分機。同時解析光纖發(fā)過來的協(xié)議，根據(jù)時序送出TTL控制信號給節(jié)點其他模塊。

2.2 LTC5587

LTC5587是一款低功耗的射頻功率測量芯片，集成了高精度RMS探測器和ADC為一體，具有體積小、低功耗和高性能的特性。可以測量10MHZ～6GHZ范圍內(nèi)的RF信號功率，該芯片具有大的動態(tài)范圍特性，對于2.14GHZ的RF信號，可以測量-34dBm～6dBm的信號。RMS探測器將輸入RF信號轉(zhuǎn)換為脈沖直流信號，經(jīng)過濾波處理后送給片內(nèi)ADC（最高速度500kHz）量化，量化值與RF功率成線性關(guān)系（功率以dbm為單位）。

2.3 主控制器

模塊使用FPGA作為主控制器，選用Altera 公司推出的stratix IV系列FPGA，型號為EP4SGX180。該器材已在多個項目和課題中選用，成熟可靠，有效降低開發(fā)時間和設(shè)計風(fēng)險。Stratix IV FPGA基于臺積電 （TSMC）40-nm工藝技術(shù)研制的高端FPGA，同時具備了邏輯密度高、高速收發(fā)器數(shù)量多以及功耗低的特點。

2.4 通信接口

模塊設(shè)計了三種通訊接口，分別為基于GXB高速光通信鏈路口、基于W5100的網(wǎng)口和基于MAX491EESD的RS422串口，這三個通訊口實際工作時分別與雷達其他分系統(tǒng)連接。

2.4.1 光通信口

FPGA的高速GXB與光模塊構(gòu)成了光通信口，模塊選用的光模塊最高可以支持10G Gbps的速率，具備體積小、單電源供電、工作溫范圍寬、穩(wěn)定可靠等特點。實際使用中，因為FPGA需要解析光通信口的協(xié)議，并根據(jù)協(xié)議嚴(yán)格按照時序發(fā)出控制信號給外部其他受控模塊，經(jīng)過計算和實驗，目前光通信口工作在6Gbps的速率下，為了達到一定的容物糾錯能力，模塊設(shè)計了兩路光通信口，正常使用一路，如果其中一路出現(xiàn)誤碼或其他錯誤，會自動啟動備份的另外一個光通信口。

2.4.2 網(wǎng)口

模塊的網(wǎng)口是基于W5100開發(fā)的。W5100 是一款廉價成熟的網(wǎng)絡(luò)接口芯片，目前應(yīng)用較廣泛。在沒有操作系統(tǒng)的應(yīng)用中，利用W5100也可以完成網(wǎng)絡(luò)的連接。

2.4.3 RS422串口

模塊選用MAX491EESD作為串口收發(fā)芯片，使用異步通訊方式，RS422傳輸距離較遠。RS422的工作時鐘基于模塊自身配置的晶振而不是外送的系統(tǒng)同步時鐘，當(dāng)外送系統(tǒng)時鐘失效時，依然可以通過RS422往雷達的監(jiān)控分系統(tǒng)報告模塊監(jiān)控到的雷達狀態(tài)。

3 FPGA設(shè)計

FPGA程序主要完成幾個功能：完成對LTC5587的配置和數(shù)據(jù)讀取、完成溫度傳感器的配置和讀取、完成對光通信口、網(wǎng)口、RS422串口三個接口協(xié)議的解析、根據(jù)解析得到的參數(shù)和時序完成對TTL和差分控制信號的控制。另外還要實現(xiàn)光通訊口的容錯糾錯功能。因為有三個通信接口，F(xiàn)PGA邏輯工作在多個時鐘域，邏輯涉及多個跨時鐘域的處理。

4 結(jié)果與分析

射頻功率監(jiān)控模塊，實際的調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)表明該模塊設(shè)計達到任務(wù)要求，經(jīng)過溫沖、振動、濕度等實驗后，該模塊對RF功率的測量準(zhǔn)確可靠，各通訊口與雷達其他分系統(tǒng)通訊穩(wěn)定，整體設(shè)計滿足整機需求。

5 結(jié)束語

本文闡述了某相控陣?yán)走_射頻功率監(jiān)控模塊設(shè)計，由于該模塊采用了集成的RF功率測量芯片，而不是傳統(tǒng)的分離器件搭建的測量系統(tǒng)，因為體積小，成本低、結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠，模塊配置多種通訊接口，使得雷達整機不同的分系統(tǒng)都可以直接與該模塊通信，實時監(jiān)測整機運行情況。實際的運行結(jié)果表明該設(shè)計方案可行、可靠。對類似的項目具有一定的借鑒意義。

參考文獻

[1]高見芳，高金定，張建軍.基于對數(shù)檢測法的射頻功率測量電路設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（19）：130-132.

[2]LT.datasheet of LTC5587.http：//www.linear.com.cn/product/ltc5587.