CN105244623A - 基于星载平面反射阵天线的波束控制系统 - Google Patents

Abstract

一种基于星载平面反射阵天线的波束控制系统，波控机接收数管计算机发送的波束指向角度，计算得到N组波控码输出给N组驱动器组，每组驱动器组包含m个串联的驱动器，第一个驱动器接收波控码，第2个驱动器～第m-1个驱动器依次将波控码中的码信号延时输出给下一个驱动器，每一个驱动器都在收到锁存信号时将码信号锁存并转换成并行的电压信号并行输出给对应的移相器组，每组移相器组中的每一个移相器根据驱动器组输入的电压信号对电磁波信号进行相应角度的移相后，经天线辐射出去，最终使天线阵列形成所需指向的方向图。本发明对星载平面反射阵天线进行波束指向控制，可靠性高、系统复杂度低、软件实现简单。

Description

基于星载平面反射阵天线的波束控制系统

技术领域

本发明涉及一种基于星载平面反射阵天线的波束控制系统。

背景技术

平面反射阵天线由平面反射面和馈源喇叭组成，其每一个单元都具有相位调节功能，可以通过相位合成技术实现波束控制，且其重量及功耗方面与一般的星载相控阵天线相比有很大的优势，结构简单，成本相对较低，是近年来国内外星载天线的一个研究热点。对于天线波束控制系统，目前国内对有源相控阵天线的波束控制系统研究较多，但对于平面反射阵天线的波束控制系统鲜有研究。

文献《基于FPGA的波控系统设计与实现》（“应用科技”，Vol.35No.3，March.2008）中的波控系统由很多FPGA芯片构成的波控板和T/R组件构成，每个FPGA波控板控制一个天线子阵，这样就需要若干个FPGA波控板，系统实现复杂，重量大，而且在该系统中，采用了T/R组件，移相器为5位的数字式移相器，成本相对较高。工程硕士学位论文《基于FPGA平台的波控系统设计》中的波控系统由波控主机、阵面子阵运算处理模块和移相器组成，其中波控主机未采用主备份设计，移相器采用了铁氧体移相器，阵面子阵运算处理模块还包含接口电路、FPGA芯片、存储器EEPROM和驱动电路组成，该系统实现比较复杂，硬件成本较高。专利《一种星载大型相控阵天线波束控制装置》（专利申请号：CN201510073210，专利公开号：CN104617390）中的波控控制装置包括卫星平台数管计算机、波束控制计算机、多个波束控制单元、C波段T/R组件、C波段延时放大组件、L波段T/R组件和L波段延时放大组件，其构成方式比较复杂。

目前现有相控阵天线波束控制系统实现的复杂性太高，而缺乏对星载平面反射阵天线波束控制系统的研究。

发明内容

本发明提供一种基于星载平面反射阵天线的波束控制系统，对星载平面反射阵天线进行波束指向控制，可靠性高、系统复杂度低、软件实现简单。

为了达到上述目的，本发明提供一种基于星载平面反射阵天线的波束控制系统，对星载平面反射阵天线进行波束指向控制时，将天线阵列分成N个天线分区，每个天线分区中的天线单元数量为M，该波束控制系统包含：

波控机，其电性连接卫星平台上的数管计算机，该波控机接收数管计算机发送的波束指向角度，计算得到N组波控码输出给N组驱动器组，所述的波控码包含：时钟信号CLK、码信号DATA和锁存信号LE；

N组驱动器组，其电性连接波控机，每一组驱动器组对应一个天线分区，每组驱动器组包含m个串联的驱动器，每一个驱动器电性连接k个移相器，每组驱动器组对应接收一组波控码，其中，第一个驱动器接收波控码，第2个驱动器～第m-1个驱动器依次将波控码中的码信号延时输出给下一个驱动器，第m个驱动器将延时后的码信号作为波控码回读信号输出给波控机，每一个驱动器都在收到锁存信号时将码信号锁存并转换成并行的电压信号并行输出给对应的移相器组；

N组移相器组，每组移相器组对应一个天线分区和该天线分区中的驱动器组，每组移相器组包含的移相器的数量M与对应天线分区中的天线单元的数量相同，每一个移相器对应电性连接该天线分区中的一个天线单元，每一个移相器电性连接该天线分区中的驱动器组中的一个驱动器，每一个移相器根据驱动器组输入的电压信号对电磁波信号进行相应角度的移相后，经天线辐射出去，最终使天线阵列形成所需指向的方向图；

不同天线分区中的天线单元的数量M可以不同；

每个驱动器连接的移相器的数量k可以不同；

每组移相器组包含的移相器的数量M=k1+k2+……+km，其中，k1是第一个驱动器连接的移相器的数量，km是第m个驱动器连接的移相器的数量。

所述的波控机包含电性连接数管计算机的第一波控模块和第二波控模块，以及电性连接第一波控模块和第二波控模块的波控机电源模块，所述的第一波控模块和第二波控模块并联连接；

所述的第一波控模块和第二波控模块的电路和软件完全相同，且第一波控模块和第二波控模块设计在同一块电路板上，当第一波控模块工作时，第二波控模块冷备用，当第二波控模块工作时，第一波控模块冷备用。

所述的第一波控模块和第二波控模块都包含电性连接的控制器和电平转换模块，控制器根据数管计算机发送的波束指向角度计算出每个天线分区的波控码，电平转换模块驱动N组波控码发送给N组驱动器组，同时电平转换模块将N组驱动器组发送的波控码回读信号发送给控制器，控制器将接收到的波控码回读信号与发送的波控码进行一一比对，以判断波控码传送是否发生错误，电平转换模块单向导通且默认不使能，以实现第一波控模块和第二波控模块的隔离。

时钟信号CLK、码信号DATA和锁存信号LE之间的时序关系为：若波控机输出的码信号为n位，锁存信号LE在码信号发送期间一直为低电平，在n位码信号发送完成后的下一个时钟上升沿到达之前变为高电平，持续一个时钟周期，时钟信号CLK持续n+1个时钟周期，n个时钟周期用于发送码信号DATA，后1个周期用来发送锁存信号LE。

所述的每个天线分区中的驱动器组中的m个驱动器的串联方式为：第一个驱动器的三个串行控制线输入管脚连接波控机1的输出端，接收波控机输出的一组时钟信号CLK、码信号DATA和锁存信号LE，三个串行控制线输出管脚连接第二个驱动器的三个串行控制线输入管脚，将输出时钟信号CLKout、输出码信号So及输出锁存信号LEout作为输入信号输入第二个驱动器，第二个驱动器的三个串行控制线输出管脚连接第三个驱动器的三个串行控制线输入管脚，以此类推，第m个驱动器的三个串行控制线输入管脚连接第m-1个驱动器的三个串行控制线输出管脚，第m个驱动器中输出码信号So的串行控制线输出管脚连接波控机的输入端，将输出码信号So作为波控码回读信号返回给波控机。

时钟信号CLK和锁存信号LE进入驱动器后立即输出，码信号DATA延时24个时钟周期输出，每一个驱动器都将码信号DATA延时后输出到下一个驱动器，每一个驱动器在锁存信号LE的上升沿将串行的延时后的码信号DATA进行锁存，同时将锁存后的波控码转换为并行的24个-5V或0V输出电压信号并行输出至8个移相器。

所述的移相器组中的每个移相器包含三个电压输入控制端V1、V2、V3和一个射频信号输入输出端RF，电压输入控制端连接与移相器组3位于同一个天线分区中的驱动器组中的每一个驱动器的并行控制线输出管脚，驱动器为移相器提供电压值，电压值控制移相器内部移相开关的通断，进而控制移相器当前应移相的角度，电磁波信号由射频信号输入输出端RF输入移相器后经过相应角度的移相后输出，每个移相器通过射频通孔与天线相连，移相后的电磁波信号最终经天线辐射出去。

移相器共有四个移相状态：电压输入控制端V1、V2、V3均为-5V电压时，移相角度0度；V1电压为0V，V2、V3电压为-5V时，移相角度90度；V1、V2电压为0V，V3电压为-5V时，移相角度180度；V1、V2、V3电压为0V时，移相角度270度。

本发明对星载平面反射阵天线进行波束指向控制，可靠性高、系统复杂度低、软件实现简单。

附图说明

图1是本发明提供的基于星载平面反射阵天线的波束控制系统的电路框图。

图2是驱动器组中的驱动器的串联方式示意图。

图3是波控码的时序图。

图4是驱动器与移相器连接关系图。

图5是移相器结构图。

具体实施方式

以下根据图1～图5，具体说明本发明的较佳实施例。

如图1所示，本发明提供一种基于星载平面反射阵天线的波束控制系统，对星载平面反射阵天线进行波束指向控制时，将天线阵列4分成N个天线分区，每个天线分区中的天线单元数量为M（M为整数，不同天线分区中的天线单元的数量可以不同），该波束控制系统包含：

波控机1，其电性连接卫星平台上的数管计算机0，该波控机1接收数管计算机发送的波束指向角度，计算得到N组波控码输出给N组驱动器组2，所述的波控码包含：时钟信号CLK、码信号DATA和锁存信号LE；

N组驱动器组2，其电性连接波控机，每一组驱动器组2对应一个天线分区，每组驱动器组2包含m个（m的取值范围是8-32）串联的驱动器201，每一个驱动器201电性连接k（k为整数，每个驱动器201连接的移相器301的数量可以不同）个移相器301，每组驱动器组2对应接收一组波控码，其中，第一个驱动器接收波控码，第2个驱动器～第m-1个驱动器依次将波控码中的码信号延时输出给下一个驱动器，第m个驱动器将延时后的码信号作为波控码回读信号输出给波控机1，每一个驱动器都在收到锁存信号时将码信号锁存并转换成并行的电压信号并行输出给对应的移相器组3；

N组移相器组3，每组移相器组3对应一个天线分区和该天线分区中的驱动器组2，每组移相器组3包含M（M=k₁+k₂+……+k_m，其中，k₁是第一个驱动器连接的移相器的数量，k_m是第m个驱动器连接的移相器的数量）个移相器301，每一个移相器301对应电性连接该天线分区中的一个天线单元，每一个移相器301电性连接该天线分区中的驱动器组2中的一个驱动器201，每一个移相器301根据驱动器组2输入的电压信号对电磁波信号进行相应角度的移相后，经天线辐射出去，最终使天线阵列形成所需指向的方向图。

如图1所示，所述的波控机1包含电性连接数管计算机0的第一波控模块12和第二波控模块13，以及电性连接第一波控模块12和第二波控模块13的波控机电源模块11，所述的第一波控模块12和第二波控模块13并联连接。

所述的波控机1采用冷备设计，具有高可靠性，能够满足星载平台使用要求，第一波控模块12和第二波控模块13的电路和软件完全相同，且第一波控模块12和第二波控模块13设计在同一块电路板上，当第一波控模块12工作时，第二波控模块13冷备用，当第二波控模块13工作时，第一波控模块12冷备用，波控机电源模块11为第一波控模块12和第二波控模块13供电。

所述的第一波控模块12和第二波控模块13都包含电性连接的控制器101（本实施例中，采用FPGA芯片）和电平转换模块102（本实施例中，采用电平转换芯片164245），控制器101利用差分接收模块104通过RS422总线接收卫星平台数管计算机0发送的波束指向角度，控制器101采用控制算法计算出每个天线分区的波控码，将波控码按天线阵列上驱动器间的连接关系及驱动器与移相器的连接关系进行级联，产生N个码信号，联同N个时钟信号、N个锁存信号组成N组波控码，控制器101将N组波控码发送给电平转换模块102，N组波控码经过电平转换模块102驱动后通过SPI通信发送给N组驱动器组2，同时电平转换模块102将N组驱动器组2发送的波控码回读信号发送给控制器101，控制器101将接收到的波控码回读信号与发送的波控码进行一一比对，以判断波控码传送是否发生错误，将比对结果利用差分发送模块103通过RS422总线发送给数管计算机0，电平转换模块是单向导通的，且是默认不使能的，以实现第一波控模块和第二波控模块的隔离。

波控机1输出的一组波控码包含：时钟信号CLK、码信号DATA和锁存信号LE，若波控机输出的码信号为n位，则这三个信号之间的时序关系如图3所示，锁存信号LE在码信号发送期间一直为低电平，在n位码信号发送完成后的下一个时钟上升沿到达之前变为高电平，并对波控时钟满足数据建立保持时间要求，持续一个时钟周期，时钟信号CLK持续n+1个时钟周期，n个时钟周期用于发送码信号DATA，后1个周期用来发送锁存信号LE。

本实施例中，所述的驱动器201采用的芯片包含32个管脚：3个串行控制线输入管脚接收来源于波控机或上级驱动器的波控码，包含时钟信号CLK、码信号DATA和锁存信号LE；2个电源供电管脚；3个串行控制线输出管脚将信号输出至下级驱动器或波控机（输出到波控机的只有输出码信号So），包含输出时钟信号CLKout、输出码信号So及输出锁存信号LEout；24个并行控制线输出管脚将-5V或0V电压信号输出至移相器。

所述的每个天线分区中的驱动器组2中的m个驱动器的串联方式如图2所示，第一个驱动器201-1的三个串行控制线输入管脚连接波控机1的输出端，接收波控机1输出的一组时钟信号CLK、码信号DATA和锁存信号LE，三个串行控制线输出管脚连接第二个驱动器201-2的三个串行控制线输入管脚，将输出时钟信号CLKout、输出码信号So及输出锁存信号LEout作为输入信号输入第二个驱动器201-2，第二个驱动器201-2的三个串行控制线输出管脚连接第三个驱动器的三个串行控制线输入管脚，以此类推，第m个驱动器201-m的三个串行控制线输入管脚连接第m-1个驱动器的三个串行控制线输出管脚，第m个驱动器201-m中输出码信号So的串行控制线输出管脚连接波控机1的输入端，将输出码信号So作为波控码回读信号返回给波控机1。

每一个驱动器201中的电源供电管脚都电性连接波控机1中的电源模块11，由波控机提供电力。

如图4所示，本实施例中，每一个驱动器201中的并行控制线输出管脚连接对应的同一天线分区中的移相器组3中的移相器301的电压输入控制端，每一个驱动器201最多可以连接8个移相器301，如图3所示，时钟信号CLK和锁存信号LE进入驱动器201后立即输出，码信号DATA延时24个时钟周期输出，每一个驱动器201都将码信号DATA延时后输出到下一个驱动器201，每一个驱动器201在锁存信号LE的上升沿将串行的延时后的码信号DATA进行锁存，同时将锁存后的波控码转换为并行的24个-5V或0V输出电压信号并行输出至8个移相器301的电压输入控制端。

如图5所示，所述的移相器组3中的每个移相器301包含三个电压输入控制端（V1、V2、V3）和一个射频信号输入输出端RF，电压输入控制端连接与移相器组3位于同一个天线分区中的驱动器组2中的每一个驱动器201的并行控制线输出管脚，驱动器201为移相器301提供电压值，电压值控制移相器301内部移相开关的通断，进而控制移相器301当前应移相的角度，电磁波信号由射频信号输入输出端RF输入移相器301后经过相应角度的移相后输出，每个移相器301通过射频通孔与天线相连，移相后的电磁波信号最终经天线辐射出去。

本实施例中，移相器301采用2位数字式单端口反射式移相器芯片，三个电压输入控制端（V1、V2、V3）分别为90度加电端、180度加电端、270度加电端，移相器301共有四个移相状态：V1、V2、V3均为-5V电压时，移相角度0度；V1电压为0V，V2、V3电压为-5V时，移相角度90度；V1、V2电压为0V，V3电压为-5V时，移相角度180度；V1、V2、V3电压为0V时，移相角度270度。

本发明带来以下有益效果：

1、由波控机、多个驱动器和多个移相器组成的波束控制系统可以实现平面反射阵天线的波束指向控制，与相控阵天线波束控制系统相比可靠性高、系统复杂度低，软件实现简单；

2、波控机采用冷备设计，第一波控模块和第二波控模块并联输出波控码且通过电平转换模块实现第一波控模块和第二波控模块隔离，且将第一波控模块和第二波控模块设计在一块电路板上，体积小，结构简单，可靠性高；

3、驱动器的主要功能为接收串行控制码并转换为并行数据缓存，驱动移相器，功能简单，重量轻，成本低；

4、移相器为采用砷化镓材料制作的2位数字式单端口反射式移相器，每一移相器控制一个天线单元接收信号的移相，移相器共四个移相状态，分别为0°、90°、180°、270°，其控制方式简单，重量轻，功耗小。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种基于星载平面反射阵天线的波束控制系统，其特征在于，对星载平面反射阵天线进行波束指向控制时，将天线阵列分成N个天线分区，每个天线分区中的天线单元数量为M，该波束控制系统包含：

波控机，其电性连接卫星平台上的数管计算机，该波控机接收数管计算机发送的波束指向角度，计算得到N组波控码输出给N组驱动器组，所述的波控码包含：时钟信号CLK、码信号DATA和锁存信号LE；

N组驱动器组，其电性连接波控机，每一组驱动器组对应一个天线分区，每组驱动器组包含m个串联的驱动器，每一个驱动器电性连接k个移相器，每组驱动器组对应接收一组波控码，其中，第一个驱动器接收波控码，第2个驱动器～第m-1个驱动器依次将波控码中的码信号延时输出给下一个驱动器，第m个驱动器将延时后的码信号作为波控码回读信号输出给波控机，每一个驱动器都在收到锁存信号时将码信号锁存并转换成并行的电压信号并行输出给对应的移相器组；

N组移相器组，每组移相器组对应一个天线分区和该天线分区中的驱动器组，每组移相器组包含的移相器的数量M与对应天线分区中的天线单元的数量相同，每一个移相器对应电性连接该天线分区中的一个天线单元，每一个移相器电性连接该天线分区中的驱动器组中的一个驱动器，每一个移相器根据驱动器组输入的电压信号对电磁波信号进行相应角度的移相后，经天线辐射出去，最终使天线阵列形成所需指向的方向图；

不同天线分区中的天线单元的数量M可以不同；

每个驱动器连接的移相器的数量k可以不同；

每组移相器组包含的移相器的数量M=k₁+k₂+……+k_m，其中，k₁是第一个驱动器连接的移相器的数量，k_m是第m个驱动器连接的移相器的数量。

2.如权利要求1所述的基于星载平面反射阵天线的波束控制系统，其特征在于，所述的波控机包含电性连接数管计算机的第一波控模块和第二波控模块，以及电性连接第一波控模块和第二波控模块的波控机电源模块，所述的第一波控模块和第二波控模块并联连接；

所述的第一波控模块和第二波控模块的电路和软件完全相同，且第一波控模块和第二波控模块设计在同一块电路板上，当第一波控模块工作时，第二波控模块冷备用，当第二波控模块工作时，第一波控模块冷备用。

3.如权利要求2所述的基于星载平面反射阵天线的波束控制系统，其特征在于，所述的第一波控模块和第二波控模块都包含电性连接的控制器和电平转换模块，控制器根据数管计算机发送的波束指向角度计算出每个天线分区的波控码，电平转换模块驱动N组波控码发送给N组驱动器组，同时电平转换模块将N组驱动器组发送的波控码回读信号发送给控制器，控制器将接收到的波控码回读信号与发送的波控码进行一一比对，以判断波控码传送是否发生错误，电平转换模块单向导通且默认不使能，以实现第一波控模块和第二波控模块的隔离。

4.如权利要求1所述的基于星载平面反射阵天线的波束控制系统，其特征在于，时钟信号CLK、码信号DATA和锁存信号LE之间的时序关系为：若波控机输出的码信号为n位，锁存信号LE在码信号发送期间一直为低电平，在n位码信号发送完成后的下一个时钟上升沿到达之前变为高电平，持续一个时钟周期，时钟信号CLK持续n+1个时钟周期，n个时钟周期用于发送码信号DATA，后1个周期用来发送锁存信号LE。

5.如权利要求1所述的基于星载平面反射阵天线的波束控制系统，其特征在于，所述的每个天线分区中的驱动器组中的m个驱动器的串联方式为：第一个驱动器的三个串行控制线输入管脚连接波控机1的输出端，接收波控机输出的一组时钟信号CLK、码信号DATA和锁存信号LE，三个串行控制线输出管脚连接第二个驱动器的三个串行控制线输入管脚，将输出时钟信号CLKout、输出码信号So及输出锁存信号LEout作为输入信号输入第二个驱动器，第二个驱动器的三个串行控制线输出管脚连接第三个驱动器的三个串行控制线输入管脚，以此类推，第m个驱动器的三个串行控制线输入管脚连接第m-1个驱动器的三个串行控制线输出管脚，第m个驱动器中输出码信号So的串行控制线输出管脚连接波控机的输入端，将输出码信号So作为波控码回读信号返回给波控机。

6.如权利要求5所述的基于星载平面反射阵天线的波束控制系统，其特征在于，时钟信号CLK和锁存信号LE进入驱动器后立即输出，码信号DATA延时24个时钟周期输出，每一个驱动器都将码信号DATA延时后输出到下一个驱动器，每一个驱动器在锁存信号LE的上升沿将串行的延时后的码信号DATA进行锁存，同时将锁存后的波控码转换为并行的24个-5V或0V输出电压信号并行输出至8个移相器。

7.如权利要求6所述的基于星载平面反射阵天线的波束控制系统，其特征在于，所述的移相器组中的每个移相器包含三个电压输入控制端V1、V2、V3和一个射频信号输入输出端RF，电压输入控制端连接与移相器组3位于同一个天线分区中的驱动器组中的每一个驱动器的并行控制线输出管脚，驱动器为移相器提供电压值，电压值控制移相器内部移相开关的通断，进而控制移相器当前应移相的角度，电磁波信号由射频信号输入输出端RF输入移相器后经过相应角度的移相后输出，每个移相器通过射频通孔与天线相连，移相后的电磁波信号最终经天线辐射出去。

8.如权利要求7所述的基于星载平面反射阵天线的波束控制系统，其特征在于，移相器共有四个移相状态：电压输入控制端V1、V2、V3均为-5V电压时，移相角度0度；V1电压为0V，V2、V3电压为-5V时，移相角度90度；V1、V2电压为0V，V3电压为-5V时，移相角度180度；V1、V2、V3电压为0V时，移相角度270度。