高群福

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

當前測控和雷達系統(tǒng)越來越多地使用天線陣列，天線陣列在通信、信號情報、雷達和電子戰(zhàn)等方面的應用越來越廣泛。但是，天線陣列的推廣使用受系統(tǒng)開發(fā)時間過長、外場升級不便和成本過高等因素的制約。傳統(tǒng)相控陣系統(tǒng)采用分立元件設計，功能和性能與利用當前先進集成電路所開發(fā)的系統(tǒng)相差很大，必須打破過去導致陣列開發(fā)周期長、靜態(tài)壽命周期短和服務費用高昂的傳統(tǒng)壁壘[1-2]。

傳統(tǒng)的相控陣接收系統(tǒng)設計，采用接收信道下變頻與模擬移相器實現(xiàn)，設備體積龐大、功耗高、技術移植和系統(tǒng)調試復雜[3-4]。本文采用新的接收組件設計思路，定制化的芯片實現(xiàn)射頻信道部分[5]，數(shù)字波束形成體制降低了硬件設備的復雜度，旨在將射頻輸入信號轉換為數(shù)字信號，并提供足夠的處理能力以生成一個子陣間的便于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流[6-7]；通過更新接收組件的頻率、帶寬、掃描角度、波束特性和數(shù)據(jù)接口等可重構接口，實現(xiàn)在不同領域的不同應用需求。

1 總體設計

大規(guī)模相控陣系統(tǒng)，天線單元數(shù)量數(shù)以萬計，與之對應的接收組件數(shù)量也十分龐大。因此，對接收組件的成本、體積和功耗提出了要求[8-9]。

需要采用一種全新的設計方案，滿足上述需求。采用數(shù)字波束形成體制，以一片Cyclone IV系列FPGA作為數(shù)字處理核心，采用定制化、高度集成的射頻芯片完成射頻輸入到數(shù)字中頻的轉換，使用光纖將數(shù)據(jù)傳輸出去，滿足接口的通用性[10]。按照這種思路，將射頻信道、模數(shù)轉換、數(shù)字波束形成和光纖數(shù)據(jù)傳輸集成在一個較小的結構內，功耗低，方便集成和規(guī)模拓展[11]。接收組件原理框圖如圖1所示。

圖1 接收組件原理

從圖1可以看出，采用16個天線接收射頻信號后，經(jīng)過低噪放，送入接收組件，在接收組件內部，完成射頻增益控制、數(shù)字化、數(shù)字波束形成處理和光纖數(shù)據(jù)發(fā)送，最終將波束數(shù)據(jù)傳送到下一級進行處理[12]。

多個接收組件可以協(xié)同工作，組成更大規(guī)模的相控陣系統(tǒng)。監(jiān)控計算機通過通信接口下發(fā)波束參數(shù)，完成波束指向、掃描等控制。

2 接收組件設計實現(xiàn)

2.1 硬件一體化設計

接收組件集成了16個射頻輸入通道，具備數(shù)字波束形成能力，通過光纖將波束數(shù)據(jù)傳輸?shù)较乱患?。在硬件設計上，需要考慮射頻、數(shù)字混合高速設計，這里采用了“三明治”結構設計，如圖2所示。

圖2 接收組件一體化設計

將本振、射頻信道和基帶處理分開設計，這樣可以有效地抑制射頻、數(shù)字信號之間的串擾影響，提升射頻信道的性能。為了便于維修，將射頻信道處理板分為4個完全一樣的小板，每個小板對應4路射頻輸入，如果某個射頻通道損壞，只需更換對應小板。

2.2 射頻信道下變頻與模數(shù)變換

為了降低功耗、節(jié)省空間，射頻信道下變頻與模數(shù)轉換采用具有自主知識產權的定制化專用芯片實現(xiàn)，集成四通道處理，射頻輸入信號經(jīng)過增益調整、正交下變頻變換到中頻，模擬中頻通過模數(shù)轉換、并串轉換后，串行中頻數(shù)據(jù)送入基帶處理[13]。射頻信道下變頻與模數(shù)轉換如圖3所示。

圖3 射頻信道下變頻與模數(shù)轉換

4個相對獨立的接收通道共享一個本振輸入，共享一個ADC采樣時鐘輸入，保證了4個通道間的相位高度一致性；集成片內低通濾波器，大大提升了易用性，節(jié)省了印制板面積；基于電阻比的中頻放大器結構保證了各個通道之間的增益高度一致；4個通道各自獨立的增益調節(jié)，保證了極大的增益調節(jié)靈活性；可以通過配置串行配置接口選擇外部控制放大器增益、中頻帶寬等參數(shù)。

2.3 基帶處理設計

基帶處理采用FPGA實現(xiàn)，主要完成數(shù)字波束形成、與監(jiān)控計算機通信和高速數(shù)據(jù)光纖傳輸?shù)裙δ堋?/p>

2.3.1 數(shù)字波束形成

16通道數(shù)據(jù)數(shù)字化后進入FPGA，通過串并轉換、本地同步、幅度補償、相位補償與加權、下變頻、濾波和波束形成后[14]，送入高速收發(fā)器，將數(shù)據(jù)按照指定的幀格式通過光纖發(fā)送出去。數(shù)字波束形成如圖4所示。

圖4 數(shù)字波束形成

監(jiān)控計算機下發(fā)波束指向、掃描速度等信息，可以快速構建不同波束形成參數(shù)的數(shù)字波束處理系統(tǒng)，波束數(shù)據(jù)組幀發(fā)送具備通道速率、幀格式調整的能力。

2.3.2 數(shù)據(jù)同步

大規(guī)模相控陣系統(tǒng)中，天線數(shù)量數(shù)以萬計，這時需要數(shù)以千計的接收組件協(xié)同工作，保證所有天線通道數(shù)據(jù)的相位對齊[15-16]。

接收組件通過外部輸入的秒脈沖、參考時鐘等時間基準信號，完成天線數(shù)據(jù)接收、本地數(shù)據(jù)同步和光纖發(fā)送數(shù)據(jù)同步等操作。

接收組件數(shù)據(jù)同步原理如圖5所示，同源的采樣時鐘保證了天線數(shù)據(jù)采樣時刻點的同步；外部秒脈沖用于不同接收組件之間的數(shù)據(jù)同步，接收組件將天線數(shù)據(jù)同步到秒脈沖信號的上升沿。

圖5 數(shù)據(jù)同步

2.3.3 快速故障診斷

在超大規(guī)模的相控陣系統(tǒng)中，具備能夠快速定位故障天線通道的能力非常重要[17-19]。

接收組件具備快速故障診斷能力，能實時監(jiān)測自身的狀態(tài)信息：參考時鐘、秒脈沖、高速收發(fā)器和通道能量。接收組件能夠實時收集狀態(tài)信息，并上報到系統(tǒng)監(jiān)控，同時具備自動關閉故障通道功能。

在發(fā)生故障時，根據(jù)故障的級別，能夠自動關閉數(shù)據(jù)發(fā)送通道或停止自身的數(shù)據(jù)發(fā)送，這樣就不會影響其他正常接收組件的工作。快速故障診斷控制邏輯如圖6所示。

圖6 快速故障診斷

2.3.4 軟核控制技術

基帶處理部分僅用一個FPGA芯片實現(xiàn)，與監(jiān)控計算機通信、自身狀態(tài)信息監(jiān)控等操作需要復雜的邏輯控制，因此，采用32位高性能軟核處理器NiosII在FPGA內部實現(xiàn)[20-23]，作為接收組件的控制核心。

使用Qsys搭建NiosII CPU系統(tǒng)，外設包括SPI、UART、EPCS、RAM、GPIO、自定義標校與參數(shù)設置等，通過高速總線與CPU互聯(lián)，如圖7所示。使用NiosII SBT軟件開發(fā)環(huán)境，完成CPU軟件的編寫。

圖7 軟核控制系統(tǒng)

3 工程應用

3.1 波束形成測試

接收組件具有16個射頻輸入通道，可以同時在多個方向上進行數(shù)字波束形成。在微波暗室環(huán)境中，將接收組件接入16路相同的射頻輸入信號，模擬外接4×4天線陣元時射頻信號垂直入射的條件，接收組件通過光纖輸出在俯仰方向上掃描的數(shù)據(jù)，接收組件在俯仰方向上從0°掃描到180°，步進為1°，繪制出方向圖如圖8所示。

從測試結果可以看出，實際測試結果與理論仿真吻合。

圖8 數(shù)字波束合成測試

3.2 指標測試分析

對接收組件的各項指標進行測試，測試結果如表1所示。接收組件在很小的體積內和較小的功耗下，實現(xiàn)了16路射頻通道接收，具有很好的幅度相位一致性，通道隔離度和鏡像抑制水平滿足需求。

目前接收組件已在某大規(guī)模相控陣系統(tǒng)中得到應用，各項功能及技術指標均達到了設計要求。通過監(jiān)控指令可靈活控制信號頻段、波束掃描參數(shù)，滿足系統(tǒng)多種情況的測試要求。

實際應用中，接收組件的快速故障診斷功能非常實用，能夠有效地避免錯誤數(shù)據(jù)的傳輸。

表1 指標測試結果

測試項結果射頻輸入范圍/GHz0．5～2．5中頻帶寬/MHz4/10/20幅度一致性/dB3相位一致性/(°)10通道隔離度/dB≥30鏡像抑制/dB≥30功耗8V@1A結構尺寸/cm325×7×4

4 結束語

采用本振、射頻處理和基帶處理3部分分離設計，通過高速接插件連接，使得基帶數(shù)字部分對射頻信道、本振的干擾最小，同時也避免了本振、射頻信道之間的相互干擾，提升了整個射頻信道的性能指標。接收組件集成度高、成本低和功耗小，同時兼具通用性，可以在不改變硬件的基礎上，通過更新軟件配置，靈活地應對不同頻段、不同帶寬的需求。

[1] 邵余紅.相控陣雷達收發(fā)部件的新進展[J].中國電子科學研究院學報，2011，6(4)：363-365.

[2] 吳小強.美國海軍艦載相控陣技術發(fā)展綜述[J].雷達與對抗，2014，34(4)：1-4.

[3] 畢增軍，魯力，徐晨曦，等.相控陣雷達資源管理與應用研究[J].現(xiàn)代防御技術，2015，43(5)：116-118.

[4] 金林，劉小飛，李斌，等.微波新技術在現(xiàn)代相控陣雷達中的應用與發(fā)展[J].微波學報，2013，29(5)：8-15.

[5] 鄭清.相控陣雷達波控系統(tǒng)技術研究[J].現(xiàn)代雷達，2006，28(4)：53-55.

[6] 張宇馳.基于FPGA平臺的波控系統(tǒng)設計[D].南京：南京理工大學，2003：3-4.

[7] 高東博.一種新型相控陣體制的波控單元設計[J].無線電工程，2016，46(5)：49-52.

[8] 高玉良，萬建崗，張路.新一代S波段有源相控陣雷達T/R組件[J].現(xiàn)代雷達，2010，32(1)：81-83.

[9] 張維，張均華.毫米波T/R子陣研究與設計[J].電子與封裝，2016，16(9)28-30.

[10] 許大進，李琳，宣浩.一種機載相控陣雷達波控系統(tǒng)設計[J].雷達科學與技術，2015，13(6)：572-574.

[11] 馮莉.相控陣雷達的數(shù)字收發(fā)單元設計[D].南京：南京理工大學，2013：5-8.

[12] 牛戴楠，史俊宏，黃鏐，等.基于FPGA的多路光纖數(shù)據(jù)同步技術[J].雷達與對抗，2014，34(4)：39-41.

[13] 覃春淼，王鑫，陳業(yè)偉，等.高速多通道并行AD采集卡的設計[J].計算機測量與控制，2014，22(12)：4107-4109.

[14] 田之俊，吳海洲.一種實現(xiàn)“太空籬笆”系統(tǒng)接收波束形成方法[J].無線電通信技術，2016，42(2)：73-76.

[15] 翟江鵬，韓雙林，郝青茹.子陣協(xié)同作用的波束形成技術研究[J].無線電工程，2016，46(6)：48-51．

[16] 張延曹，王勇，陳燦，等.相控陣雷達波束控制器優(yōu)化設計[J].計算機仿真，2015，32(11)：51-53．

[17] 張振莊，任娟.船載天線傳動機構故障檢測與預警技術研究[J].無線電通信技術，2015，41(2)：41-44．

[18] 汪江秀，王友仁.相控陣天線故障診斷方法研究[J].電子測量技術，2016，39(8)：163-165．

[19] 許卓，楊杰，燕樂，等.微型振動式能量采集器研究進展[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015，34(2)：9-12.

[20] 竇建華，耿銳，竇新華，等.基于NiosII實現(xiàn)的船載雷達監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].合肥工業(yè)大學學報，2009，32(4)：474-476．

[21] 楊昉.數(shù)字陣列雷達T/R組件通道測試方法與實現(xiàn)研究[D].成都：電子科技大學，2016：33-40.

[22] 郁文賢，舒汀，唐斌，等.數(shù)字陣列雷達在空域抗干擾方面的優(yōu)勢和局限性分析[J].現(xiàn)代雷達，2016，38(12)：16-21.

[23] 張峰.雷達陣地雜波測量和動態(tài)STC建立方法[J].現(xiàn)代雷達，2014，36(4)：10-13.