汪永軍，張宏財(cái)，宣 浩

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230031)

一種便攜式相控陣?yán)走_(dá)波控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪永軍，張宏財(cái)，宣 浩

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230031)

便攜式相控陣?yán)走_(dá)波控系統(tǒng)要求低功耗、輕重量、高度集成設(shè)計(jì)。雷達(dá)上電工作時(shí)，信號(hào)處理單元數(shù)字信號(hào)處理(DSP)模塊完成波控碼的計(jì)算，得到的波控碼保存在波控單元現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)內(nèi)部隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)。需要改變波束指向時(shí)，波控單元根據(jù)波束控制命令得到頻點(diǎn)和波位號(hào)，計(jì)算RAM的起始地址，基于RAM查找表的方式獲得相應(yīng)的波控碼，達(dá)到快速布相要求。該設(shè)計(jì)方法在試驗(yàn)中得到驗(yàn)證。

便攜式相控陣?yán)走_(dá)；波控系統(tǒng)；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列；查表法

0 引 言

相控陣?yán)走_(dá)是一種采用相控陣天線實(shí)現(xiàn)電子掃描的雷達(dá)，具有掃描靈活、快捷的特點(diǎn)，而天線波束的指向和控制是通過(guò)波束控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。波束控制系統(tǒng)不僅要快速精確地計(jì)算出各個(gè)陣面單元移相器的波束控制數(shù)碼，對(duì)天線單元之間的幅度和相位誤差進(jìn)行修正補(bǔ)償，使天線快速準(zhǔn)確地指向預(yù)定的空間方向，且需要對(duì)移相器的工作狀態(tài)、故障等信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，在工程實(shí)踐中還要滿足在天線測(cè)試狀態(tài)下能夠靈活單獨(dú)地控制每一個(gè)移相器的波束控制數(shù)碼和工作狀態(tài)，完成天線的測(cè)試[1]。

相控陣?yán)走_(dá)搜索時(shí)，波控系統(tǒng)根據(jù)天線波束指向的空間位置，計(jì)算出相應(yīng)的方位或仰角初始相位值，然后再計(jì)算出陣列線中每個(gè)單元移相器所需的相位值，求出陣列中各個(gè)移相器需要的波束控制碼，并打入相應(yīng)的寄存器使移相器移相，從而使天線波束指向預(yù)定的搜索空域。在天線的掃描過(guò)程中，整個(gè)天線系統(tǒng)保持相對(duì)固定，即天線本身不做任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)，而是由波控系統(tǒng)通過(guò)控制陣列天線中各個(gè)單元中移相器的幅度和相位，得到所需要的波束指向，實(shí)現(xiàn)控制電磁波束的掃描。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)描述

便攜式相控陣?yán)走_(dá)一般在野外戰(zhàn)地使用，由充電蓄電池供電，要求低功耗、輕重量，便于攜帶，是單兵偵察的主要裝備之一。該雷達(dá)系統(tǒng)采用一維相控陣體制，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，波束控制系統(tǒng)需要完成對(duì)6個(gè)四通道發(fā)射/接收(T/R)組件的相位控制，控制的T/R組件數(shù)量較少。波控系統(tǒng)完整的鏈路如圖1所示，波控碼的計(jì)算功能不需要單獨(dú)的CPU或數(shù)字信號(hào)處理(DSP)承擔(dān)，將此功能放置在信號(hào)處理單元中實(shí)現(xiàn)，利用信號(hào)處理單元中的DSP資源完成波控碼運(yùn)算，然后通過(guò)串行方式將所有T/R組件波控碼數(shù)據(jù)發(fā)送給波控單元，波控單元再將數(shù)據(jù)分解成6組，并行對(duì)6個(gè)T/R組件進(jìn)行布相。因此，波控單元的功能得到簡(jiǎn)化，可以實(shí)現(xiàn)小尺寸、低功耗設(shè)計(jì)。整個(gè)波控鏈路也做到高度集成，降低了整個(gè)雷達(dá)數(shù)字處理系統(tǒng)的功耗。

1.2 系統(tǒng)工作流程

波控系統(tǒng)布相通常有4種方法：(1)基于端口控制的布相法；(2)基于存儲(chǔ)器查表的硬件布相法；(3)基于內(nèi)存映射的布相法；(4)基于坐標(biāo)分離的布相法。各種算法有各自的特點(diǎn)，適應(yīng)的對(duì)象也不一樣。

便攜式相控陣?yán)走_(dá)T/R組件數(shù)量少，所有頻點(diǎn)下所有波位的波控?cái)?shù)據(jù)總量只有135 kbit，可以在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)內(nèi)部寄存，無(wú)需外加存儲(chǔ)器。因此，適合采用基于存儲(chǔ)器查表的硬件布相法。為了達(dá)到雷達(dá)的快速布相時(shí)間要求，在每次上電開機(jī)時(shí)，信號(hào)處理單元中的DSP完成所有波控碼的計(jì)算，包括5個(gè)工作頻率點(diǎn)、35個(gè)波位、24個(gè)T/R組件通道的移相碼和衰減碼。然后串行發(fā)送至波控單元，波控單元利用FPGA內(nèi)部存取存儲(chǔ)器(RAM)資源，建立2個(gè)128 k的雙口隨機(jī)RAM，位寬16 bit，分別保存發(fā)射移相衰減碼和接收移相衰減碼。

當(dāng)波束指向需改變時(shí)，只需要信號(hào)處理單元通過(guò)波束控制命令將工作頻點(diǎn)、波位號(hào)串行發(fā)送給波控單元，波控單元即可從FPGA的RAM中快速提取數(shù)據(jù)，按照T/R組件的數(shù)據(jù)格式打入，避免了DSP實(shí)時(shí)計(jì)算和向波控單元傳輸大量波控碼的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速布相。

2 功能模塊實(shí)現(xiàn)

2.1 波控碼計(jì)算

根據(jù)天線陣波束掃描原理，陣中相鄰饋電相位按一定規(guī)律變化可使天線陣輻射波束按相應(yīng)規(guī)律掃描，波束掃描角度與相鄰單元之間相位差的關(guān)系為：

Δφ=2πdsinθ/λ

(1)

如圖2所示，相鄰陣元之間的間距為d，可見掃描角度越大，需要的Δφ越大，第n陣元的移相量為：

P(n)=(n-1)·2πdsinθ/λ

(2)

將λ=c/f代入上式，得到：

P(n)=(n-1)·(2πdsinθ·f/c)+Δp

(3)

式中：c為光速；f為收發(fā)信號(hào)的頻率；Δp為天線陣面上相對(duì)參考點(diǎn)單元在工作波長(zhǎng)為λ的相移修正量(包括初相補(bǔ)償、頻率補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償和隨機(jī)碼補(bǔ)償)[2]。

本系統(tǒng)采用6位數(shù)字式移相器，移相器所能達(dá)到的最小移相量為Δφ=2π/26，第n個(gè)陣元的移相碼為：

C(n)=[((n-1)·(2πdsinθ·f/c)+Δp)·26/2π]

(4)

信號(hào)處理模塊中的DSP根據(jù)公式(4)計(jì)算出所有頻點(diǎn)、所有波位下的波控碼，然后按照自定義協(xié)議串行發(fā)送給波控單元。

2.2 波控單元FPGA模塊

波控單元主要由FPGA+接口驅(qū)動(dòng)電路組成，所有功能都在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA內(nèi)部的數(shù)據(jù)流框圖如圖3所示，主要由接收模塊、2個(gè)雙口RAM模塊、命令解析/數(shù)據(jù)編碼模塊、串行數(shù)據(jù)發(fā)送模塊組成。

(1) 接收模塊

接收模塊串行接收信號(hào)處理單元發(fā)送的發(fā)射移相衰減碼、接收移相衰減碼和波束控制命令。3種數(shù)據(jù)類型通過(guò)不同的字頭區(qū)分，發(fā)射移相衰減碼采用“FFFF+AA55+數(shù)據(jù)”的傳輸格式；接收移相衰減碼采用“FFFF+55AA+數(shù)據(jù)”傳輸格式；數(shù)據(jù)按照頻點(diǎn)、波位號(hào)、T/R通道號(hào)順序編排，每次完成16 bit的數(shù)據(jù)接收后，產(chǎn)生RAM的寫地址和寫時(shí)序，將數(shù)據(jù)打入RAM保存。

波束控制命令采用“FFFF+0000+數(shù)據(jù)”，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度共16 bit，包含工作模式、頻率點(diǎn)、脈寬、波位等信息，然后將波束控制命令數(shù)據(jù)發(fā)送給命令解析模塊處理。完整的命令格式為：FFFF+0000+work_mode[2..0]+FM_mode[2..0]+pulse_width[2..0]+beam_num[5..0]+‘1’。

(2) 命令解析/數(shù)據(jù)編碼模塊

命令解析和數(shù)據(jù)編碼模塊首先解析波束控制命令，根據(jù)頻率點(diǎn)、波位號(hào)產(chǎn)生RAM讀地址和讀時(shí)序，讀地址公式為：Addr=(FM_mode·35+ beam_num)·24。

從2個(gè)RAM模塊中分別讀取每個(gè)T/R通道的發(fā)射移相衰減、接收移相衰減數(shù)據(jù)，按照T/R組件的數(shù)據(jù)格式要求，組合成32 bit的數(shù)據(jù)，因?yàn)門/R組件為四通道，再按照四通道組件數(shù)據(jù)格式要求編碼成128 bit的數(shù)據(jù)。每次接收到波束控制命令都從RAM中讀取24個(gè)T/R通道的數(shù)據(jù)，組合成6組，每組128 bit，分別對(duì)應(yīng)6個(gè)T/R組件。

根據(jù)命令解析模塊得到work_mode參數(shù)，可以產(chǎn)生正常模式、增程模式、發(fā)射校正模式和接收校正模式等工作時(shí)序，根據(jù)解析得到pulse_width的參數(shù)，可以調(diào)整發(fā)射脈沖寬度。

(3) 串行碼發(fā)送模塊

串行碼發(fā)送模塊將并行的128 bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，同時(shí)匹配128個(gè)時(shí)鐘，頻率2.5 MHz，將波控碼發(fā)送給T/R組件。打碼結(jié)束后，發(fā)送打碼結(jié)束標(biāo)志脈沖，最后發(fā)送刷新波束指向脈沖。

3 試驗(yàn)結(jié)果

便攜式相控陣?yán)走_(dá)波控系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)后，通過(guò)DSP模塊發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)波控單元FPGA功能模塊進(jìn)行驗(yàn)證。接收模塊時(shí)序驗(yàn)證如圖4所示，每次完成16 bit的數(shù)據(jù)接收后，產(chǎn)生RAM的寫地址和寫時(shí)序，將數(shù)據(jù)打入RAM保存。

串行碼發(fā)送模塊時(shí)序驗(yàn)證如圖5所示，將128 bit數(shù)據(jù)輸出至T/R組件后，輸出結(jié)束和波位刷新脈沖，完成波束指向的改變。

[1] 弓曉顏.小陣面相控陣?yán)走_(dá)波束控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].電子科技,2015,28(6):155-157.

[2] 廖昌明.基于查找表法的波控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子工程師,2008,34(4):7-9.

ADesignofBeamControlSystemforPortablePhasedArrayRadar

WANG Yong-jun,ZHANG Hong-cai,XUAN Hao

(China Electronics Technology Group Corporation 38th Research Institute,Hefei 230031,China)

The beam control system for portable phased array radar requires the design of low power consumption,low weight and high integration.When radar begins to work,the digital signal processing (DSP) module computes all beam control code,and the beam control code from DSP is stored in the random access memory (RAM) of beam control unit field programmable gate array (FPGA).When the beam direction should be changed,the beam control unit gets the frequency point and beam number according to the beam control command，and then calculates the origin address of RAM,and the corresponding beam control code is got through the method of RAM lookup table,thereby the goal changing beam direction rapidly is achieved.The design method is validated in the test.

portable phased array radar;beam control system;field programmable gate array;method of lookup table;

TN958.92

：A

：CN32-1413(2017)04-0016-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.04.005

2017-04-17