CN101834348A - 一种相控阵天线中的波束控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相控阵天线中的波束控制器，通过提供运行于PC上的PC用户控制模块，用户可以在用户界面指定各通道所需的相位以产生控制信号，控制信号控制电源管理模块的各端口输出对应的控制电压以作用于压控移相器模块中的各个压控移相器，从而各个压控移相器对待控模拟信号进行移相以达到所需的相位，进行实现理想的相控阵天线的波束指向控制，具有智能化、操作方便、控制精度高、响应速度快等优点。

Description

一种相控阵天线中的波束控制器

技术领域

本发明涉及电子通信技术领域，特别涉及一种相控阵天线中的波束控制器。

背景技术

相控阵天线技术具有损耗低、可大角度动态扫描的优势。而且，相控阵天线技术利用阵列天线的空间分集效果实现多波束覆盖，结合波束间频率复用和码分复用等手段，可极大提高通信系统的用户容量。因此，当今的新型通信系统均采用了相控阵天线技术，以智能天线为代表的相控阵天线更是成为第三代移动通信标准如我国自行研制的TD-SCDMA标准的核心技术。在军事侦查和卫星通信等多个领域中，相控阵天线更是发挥着极大的作用，它可作为空军预警机的核心部件，自动跟踪敌方多个目标(诸如军舰、飞机、导弹等)的动向，为国防安全之利器。

相控阵天线由多阵元的阵列天线和波束控制器组成。其中，阵列天线只是一个无源的能量转换装置，将电能及时以电磁波形式在空间发射传播。波束控制器为相控阵天线的核心部件，通过控制发往阵列天线各个阵元的信号的相位或幅度，即可实现特定目标方向的天线波束方向图。因此，波束控制器的相位控制准确度决定了整个相控阵天线的波束指向效果，或者说波束控制器的相控精度成为整个相控阵天线系统指标提高的关键因素。

发明内容

本发明的目的在于提供一种相控阵天线中的波束控制器，使得待控模拟信号达到用户自定义的相位，从而实现理想的相控阵天线的波束指向控制。

本发明提供一种相控阵天线中的波束控制器，其包括PC用户控制模块、串口协议接口模块、微处理器模块、电源管理模块、移相器模块、模拟信号输入接口模块以及模拟信号输出接口模块，其中，

所述PC用户控制模块用于通过PC预设所需的多个相位，将所需的多个相位转换成对应的电压控制字并按照串口协议发送控制信号；所述串口协议接口模块从所述PC用户控制模块接收所述控制信号，其包括串口电缆、串口接插件以及串口物理层处理单元，所述串口物理层处理单元用于对所述控制信号进行对应的物理层处理；所述微处理器模块连接所述串口协议接口模块，用于对所述控制信号进行对应的网络层处理；所述电源管理模块连接所述微处理器模块，其具有多个端口，根据所述控制信号实现每一端口输出对应的控制电压；所述模拟信号输入接口模块用于为多路待控模拟信号提供通道；所述压控移相器模块连接所述电源管理模块和所述模拟信号输入接口模块，其具有多个压控移相器，每一所述压控移相器根据对应的控制电压对一路待控模拟信号进行移相以达到该待控模拟信号所需的相位；所述模拟信号输出接口模块连接所述压控移相器模块，用于为所述压控移相器模块的输出信号提供通道。

在上述相控阵天线中的波束控制器中，还包括电源输入模块，其连接串口协议接口模块、微处理器模块、电源管理模块以及压控移相器模块，用于实现电力的输入和供给。

在上述相控阵天线中的波束控制器中，所述电源输入模块包括交流适配器、电源接插件以及开关。

与现有技术相比，本发明提供的一种相控阵天线中的波束控制器，通过提供运行于PC上的PC用户控制模块，用户可以在用户界面指定各通道所需的相位以产生控制信号，控制信号控制电源管理模块的各端口输出对应的控制电压以作用于压控移相器模块中的各个压控移相器，从而各个压控移相器对待控模拟信号进行移相以达到所需的相位，进行实现理想的相控阵天线的波束指向控制，具有智能化、操作方便、控制精度高、响应速度快等优点。

附图说明

图1为本发明的相控阵天线中的波束控制器的结构示意图；

图2为本发明的相控阵天线中的波束控制器的工作步骤流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

请参阅图1，图1显示了本发明的相控阵天线中的波束控制器的结构示意图。图1中，该波束控制器包括PC用户控制模块1、串口协议接口模块2、微处理器模块3、电源管理模块4、压控移相器模块5、模拟信号输入接口模块7以及模拟信号输出接口模块8。下面结合图1描述各个模块的功能和结构。

PC(personal computer)用户控制模块1用于通过PC预设所需的多个相位，将所需的多个相位转换成对应的电压控制字并按照串口协议发送控制信号。具体地，PC用户控制模块1提供用户界面以及运行于界面后台的算法计算引擎和接口引擎。通过用户界面，用户可以输入所需的多个相位(本实施例中，指定8个通道所需的8个相位)，未输入的当成默认处理(即对该通道不进行相位调整)。用户输入的为所需的相位，以度为单位，但后续的压控移相器模块5中的压控移相器进行相位控制时所需的为对应的控制电压，而该控制电压是由电源管理模块4根据对应的电压控制字输出的，因此实际直接所需的为与压控移相器的控制电压所对应的电压控制字。因此在界面后台运行计算引擎，首先按照压控移相器的相位偏移与控制电压间关系(相位-电压曲线)得到对应的控制电压，然后再按照电源管理模块4的输出电压与电压控制字之间的算法，计算得到所需的电压控制字。在PC计算控制字而不选择在微处理器模块3实现，可以带来以下两点好处：一是减轻微处理器模块3的计算量，用PC的强大运算力减少响应时间损耗；二是因为计算量降低，微处理器模块3的性能要求下降，可以选用一个成本较低的单片机实现控制，进而降低成本。

获得与各个通道所需的相位对应的电压控制字后，按照定义的协议标准进行信号组帧，帧信息包括各个通道的通道号及其对应的电压控制字。因为发送的物理接口遵循串口RS232总线标准，其物理层参数设定为：串口的通信速度为57.6kbps，8位数据通信位，1位奇偶校正位。具体以如下的标准设计帧结构(以某通道控制信号的帧结构为例)：先发送命令字FE(十六进制)，高位在前，提示后续的8bit信号为通道号，通道号01(十六进制)即为第一通道，通道号02(十六进制)即为第二通道，以此类推通道号08(十六进制)即为第八通道，01-08以外十六进制数为无效通道指定；发送完通道号后，然后发送命令字0F(十六进制)，高位在前，提示后续的8bit信号为所需的电压控制字，然后发送8bit的电压控制字信息。其它通道的组帧形式与此相同，当然这里只是本发明自定义协议的一种形式，具体定义形式与控制命令以产品说明为准。

最后调用接口引擎，该接口引擎基于微软公司window操作系统的网络编程中串口编程控件和套接字，最后依托PC中串口物理层硬件，按照串口RS232总线标准发送所有数据帧(即控制信号)。

串口协议接口模块2从PC用户控制模块1接收控制信号。具体地，串口协议接口模块2实现PC和微处理器模块3之间接口的连接，其包括串口电缆21、串口接插件22以及串口物理层处理单元23。串口电缆21为常用的计算机9针串口电缆，串口接插件22为DB9串口母头，上述两者将PC发送的串口数据传往串口物理层处理单元23。串口物理层处理单元23用于对控制信号进行对应的物理层处理，将输入的RS232总线接口电平转换至微处理器模块3接受的电平(例如TTL电平或CMOS电平)，然后通过RS232总线C送往微处理器模块3。

微处理器模块3连接串口协议接口模块2，用于对控制信号进行对应的网络层处理。微处理器模块3为本发明的逻辑控制单元，其核心为一微处理器，该微处理器外围还具有电阻、电容等电子器件。微处理内部集成片上程序存储器和数据存储器，这样外围可不用添加flash闪存和SRAM，从而为本发明小型化创造条件。上电后，微处理器从片上程序存储器读取已经固化后的程序，完成配置。这里，微处理器模块3通过串口协议接口模块2接收PC发出的用户控制命令，并按照定义的协议格式解析用户命令，分解得到各个通道号及其对应的电压控制字。但是，由于电源管理模块4的控制总线标准可以有多种类型(本实施例中为I2C总线标准)，因此微处理器必须按照电源管理模块4的控制总线标准进行重新组帧以发送控制信号。本实施例中，通过I2C总线Z发送对应的控制信号。微处理器模块3的串口数据接收、重新组帧以及I2C总线控制等功能都是由固化在片上存储器中程序指定的，上电即能实现。

电源管理模块4连接微处理器模块3，其具有多个端口，根据控制信号实现每一端口输出对应的控制电压。电源管理模块4为实现电压调整及相位控制的核心设备。电源管理模块4包括核心的电源管理芯片以及该电源管理芯片外围的电阻、电容、电感。这些电阻、电容、电感以特定电路形式互联，实现电源去耦、DC/DC电路电压控制。电源管理芯片内部集成了4路降压型DC/DC输出、4路线性稳压器以及电压管理电路等，以实现电压调整管理功能及其步进调整精度。本实施例中，各路输出电压步进调整精度和输出误差均为0.05V，具有精度高的优势。电源管理芯片输出的控制电压小于10V，因此所需的步进控制电压的控制字可以用8bit来表示。由此，在微处理器模块3的控制信号的直接作用下，电源管理模块4实现各端口输出各通道所需的控制电压。最后，通过电源滤波整流电路传给后续的压控移相器模块5。

模拟信号输入接口模块7用于为多路待控模拟信号提供通道。在本实施例中，为实现8路待控模拟信号的接入，该模拟信号输入接口模块7包括8个同轴电缆输入接插件71～78。同轴电缆输入接插件71～78可以为SMA同轴电缆接插件，通过pcb走线分别与后续压控移相器模块5中的8个压控移相器的输入端相连。

压控移相器模块5连接电源管理模块4和模拟信号输入接口模块7，其具有多个压控移相器，每一压控移相器根据对应的控制电压对一路待控模拟信号进行移相以达到该待控模拟信号所需的相位。在本实施例中，压控移相器模块5具有8个压控移相器51～58。压控移相器51～58具体工作在L波段，可进行180度相位连续调相，最大控制电压小于10V，而且最大插入损耗小于2dB，驻波性能小于1.5∶1。压控移相器51～58的频域响应范围可以达到200MHz以上，这可以充分满足宽带信号输入时的信号完整性。各通道本身的最大相位误差为2度(用户指定的相位与实际输出之间)，该误差主要是由两方面因素造成的：一是电源管理模块4的输出电压采用步进阶梯模式；二是压控移相器51～58本身控制电压和输出相位之间的误差。各通道本身的相位误差控制在小于2度，这还是大大优于目前很多同内产品的。压控移相器51～58在控制电压的作用下对待控模拟信号的移相功能是其微电子级电路设计实现的。

模拟信号输出接口模块8连接压控移相器模块5，用于为压控移相器模块5的输出信号提供通道。在本实施例中，模拟信号输出接口模块8包括8个同轴电缆输入接插件81～88，同轴电缆输入接插件81～88可以为SMA同轴电缆接插件，通过pcb走线分别与8个压控移相器51～58的输出端相连，最后可以通过馈线输出给相控阵天线的无源阵列天线阵元。

此外，本波束控制器还包括电源输入模块6，其连接串口协议接口模块2、微处理器模块3、电源管理模块4以及压控移相器模块5，用于实现电力的输入和供给。电源输入模块6包括交流适配器61、电源接插件62和开关63。在本实施例中，交流适配器61常规输出10V至12V，不能选用输出电压高于12V的类型，这是由于电源管理模块4能承受的最大输入电压上限为12V。电源接插件62和开关63为电力接入提供通路。

需要特别注意，本发明中的8个同轴电缆输入接插件71～78与后续8个压控移相器51～58的输入端相连的PCB走线在长度设计上都是相同的，而8个压控移相器51～58的输出端与8个同轴电缆输入接插件81～88之间的PCB走线在长度设计上也都是相同的。但是由于加工精度误差，实际各通道之间走线长度误差控制在1mil以内。走线长度误差会导致输入信号相位群时延误差，结合8个压控移相器51～58内部本身之间芯片与芯片间的偏斜，8通道之间固定相位偏移误差最大为4度，这是在统一输入待控模拟信号时在8个通道对应的输入和输出接插件之间测得的。再结合上述的各通道本身的最大相位控制偏差2度，本波束控制器的通道之间累计的最大相位偏移误差为6度，这完全可以适应相控阵天线等的各通道相位的一致性要求。当前相控阵天线中的波束控制网络常规的相位偏差为9度左右，可以说，本波束控制器在性能上有较大优势。此外，本波束控制器从用户在用户界面指定各通道的相位到真实相移输出，响应时间小于100ms，具有响应速度快的优点。

接下来结合图2，具体描述本发明的相控阵天线中的波束控制器的工作步骤流程。

步骤S1，串口协议接口模块2、模拟信号输入接口模块7以及模拟信号输出接口模块8均接入对应的接插件；将电源输入模块6中的交流适配器61接入交流电，通过后续的电源接插件62和开关63实现电力输入，本发明开始工作；微处理器模块3从片上存储器读取固化程序，完成配置，等待数据接收。

步骤S2，运行PC上的PC用户控制模块1，用户输入各通道所需的相位。PC用户控制模块1进行后台计算，得到实际电源管理模块4所需的电压控制字，并按照定义的协议格式组帧，最后以RS232总线标准发送用户控制命令(即控制信号)。

步骤S3，通过串口协议接口模块，微处理器模块3接收PC发出的用户控制命令，并按照定义的协议格式解析用户控制命令，得到各个通道的电压控制字，最后按照电源管理模块4的控制总线I2C标准发送控制命令。

步骤S4，电源管理模块4在微处理模块3的直接控制下，接收从I2C总线发送的控制命令，并实现各端口输出各通道所需的控制电压。

步骤S5，压控移相器模块5中的8个压控移相器51～58在对应的控制电压的作用下实现对待控模拟信号的移相功能，并将移相结果输出给模拟信号输出接口模块8中的对应接插件。

由此，本发明提供的一种相控阵天线中的波束控制器，通过提供运行于PC上的PC用户控制模块，用户可以在用户界面指定各通道所需的相位以产生控制信号，控制信号控制电源管理模块的各端口输出对应的控制电压以作用于压控移相器模块中的各个压控移相器，从而各个压控移相器对待控模拟信号进行移相以达到所需的相位，进行实现理想的相控阵天线的波束指向控制，具有智能化、操作方便、控制精度高、响应速度快等优点，可广泛应用于智能天线、调零天线、卫星凝视波束天线以及其它相控阵天线等应用场景。

此外，除了用户在PC界面指定各通道的相位外，本波束控制器还可以通过串口接插件22接入用户上游设备(例如，相控阵天线的波束扫描设备)，这样可以让本波束控制器与相控阵天线的其它部件组合，实现完整的相控阵天线波束扫描功能。也就是说，本发明提供了两种应用模式：一是用户界面直接输入；二是用户自定义编程开发。后者与前者的区别在于，用户上游设备取代了PC，但是用户上游设备和微处理器模块3之间必须服从定义的串口通信协议帧标准，该标准在上述PC用户控制模块1中已经描述。由此，本波束控制器提供了良好的开发接口，方便接入阵列天线以及其他波束扫描系统，用户可根据自己需要进行灵活开发和升级，为构建一个完整而性能优异的相控阵天线系统奠定了基础。

在用户自定义编程开发模式下，除了上述步骤S2以外，其它均与用户界面直接输入模式相同。在用户自定义编程开发模式下，用户上游设备取代PC，发送对应的控制命令，但用户上游设备在这里需严格按照本发明定义的串口协议帧格式和串口物理层参数标准(速度、有效字节长、奇偶校验位等)发送对应的串口控制命令。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种相控阵天线中的波束控制器，其特征在于，包括PC用户控制模块、串口协议接口模块、微处理器模块、电源管理模块、移相器模块、模拟信号输入接口模块以及模拟信号输出接口模块，其中，

所述PC用户控制模块用于通过PC预设所需的多个相位，将所需的多个相位转换成对应的电压控制字并按照串口协议发送控制信号；

所述串口协议接口模块从所述PC用户控制模块接收所述控制信号，其包括串口电缆、串口接插件以及串口物理层处理单元，所述串口物理层处理单元用于对所述控制信号进行对应的物理层处理；

所述微处理器模块连接所述串口协议接口模块，用于对所述控制信号进行对应的网络层处理；

所述电源管理模块连接所述微处理器模块，其具有多个端口，根据所述控制信号实现每一端口输出对应的控制电压；

所述模拟信号输入接口模块用于为多路待控模拟信号提供通道；

所述压控移相器模块连接所述电源管理模块和所述模拟信号输入接口模块，其具有多个压控移相器，每一所述压控移相器根据对应的控制电压对一路待控模拟信号进行移相以达到该待控模拟信号所需的相位；

所述模拟信号输出接口模块连接所述压控移相器模块，用于为所述压控移相器模块的输出信号提供通道。

2.如权利要求1所述的相控阵天线中的波束控制器，其特征在于，还包括电源输入模块，其连接串口协议接口模块、微处理器模块、电源管理模块以及压控移相器模块，用于实现电力的输入和供给。

3.如权利要求2所述的相控阵天线中的波束控制器，其特征在于，所述电源输入模块包括交流适配器、电源接插件以及开关。

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