CN109541993A - 相控阵天线波束控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种相控阵天线波束控制装置，旨在提供一种功耗低、体积小，可靠性高、可扩展，通用性强的波束控制装置，本发明通过下述技术方案予以实现：n个回形连接器通过子卡间互联，固联在适配底板上连接TR组件控制接口、电源接口和端机控制接口，1‑n个信号处理子板分别固定在1‑n个回形连接器的回形镂空区中，形成信号处理子板嵌入回形连接器；适配底板通过TR组件控制接口匹配不同平台相控阵天线，被选信号处理子板通过TR组件控制接口和状态监测接口接收来自波束控制系统端机的通信指令，解析通信指令并计算波位码，控制时序输出至回形连接器，回形连接器将信号处理子板控制信号管脚通过适配底板扇出给需要控制的TR组件。

Description

相控阵天线波束控制装置

技术领域

本发明涉及测控、通信等领域，特别涉及一种相控阵天线波束控制装置。

背景技术

目前广泛的应用于测控、通信等领域的相控阵雷达，采用由多个天线单元(辐射器)组成的阵列天线，每一个天线单元带有一个移相器。波束控制系统是相控阵雷达不可或缺的一部分。波控系统的主要功能是控制相控阵天线波束的指向变化。它的天线是按一定规则排列的，通过移相器等来控制天线完成定向扫描。对于相控阵天线系统每个单元除了移相器之外，还包括天线阵面、射频收发组件和波束控制系统三个部分。天线单元的数目为MN个，用一个T/R组件控制两个天线单元，然后用单片机控制每个T/R组件，用单片机完成波控码的运算和控制。波控系统主要是在电子计算机的控制下，产生需要的波束指向代码，并送至移相器，完成波束的定向控制，属于电扫描。其基本工作原理是波束控制系统接收端机波束指向控制指令并根据波束指向算法计算出各个天线单元的幅度加权值和相位加权值，然后通过控制管脚输出控制信号实现射频收发组件幅度和相位控制。由于对天线单元的相位补偿可以抵消同一信号到达各个不同阵元而的时间差,使天线阵合成后的输出信号相互叠加，加达到输出信噪比最优。如果信号方向发生变化,只需要调整不同阵元的相位控制量就可使相控阵天线波束的最大指向发生改变，从而实现踪目标方向实时跟踪。相控阵天线中，由于相邻天线单元或者子线阵接收信号之间的相位差即含有目标(或辐射源)的角位置信息，因此，提取出这一相位误差，即可实现目标的空间定向。与对时间序列信号进行频率滤波一样，对从相控阵天线中多个单元上接收到的空间信号序列，可以进行空域滤波。这使得相控阵可以同时进行空间和时间二维信号处理。空间功率合成能力。在每一个天线单元上设置一个功率放大器或者锁相振荡器，只要维持它们的输出信号的相位相关性及要求的幅度分布，就可在空间实现功率合成。这一特点使得相控阵雷达在单部发射机功率有限的情况下也能获得要求的特大功率。实际的相控阵天线中，导致天线波瓣的副瓣电平恶化，增益损失、波束指向精度下降等的原因很多，如波束扫描时数字移相器的量化误差、天线幅相误差等因素。误差的来源很多，每一个器件、每一次加工装配都可能引入误差，通常又可分为系统误差和随机误差。系统误差产生的原因有天线阵面的扭曲、馈线系统的耦合、风力变形、辐射单元的系统安装误差等，它们对天线系统性能的影响可以实现严格计算和测量出来，并加以控制。这类误差往往呈现～定的周期性，它将导致辐射功率在某些特定的方向上集中，且主要影响天线的近区副瓣性能或引起周期性误差波瓣；减少这类系统误差的方法就是打破其系统性。系统误差源有：辐射单元之间的互耦引起单元的阻抗变化及驻波变化、阵面扭曲、馈电网络的结构不对称、子阵结构的不同、交叉极化、辐射元馈电结构的散射、移相器的量化误差等。随机误差具有随机性，它不能预先计算和测量而难以预先进行补偿。一般会影响天线的远区副瓣性能，即影响天线平均副瓣电平，最终限制天线性能。这类误差很小且难以控制，只能用统计学的方法研究其对天线性能的影响。随机误差源主要有：辐射单元加工误差及安装误差、天线阵面的不平度(表面公差)、移相器插入相移、馈电网络的幅相差、辐射单元失配效应、发射机的幅相误差、接收机的幅相误差、移相器插入损耗等。相控阵天线有大量的辐射单元，每个辐射单元通过移相器与激励器相连接。可控数字移相器是相控阵天线优越性能实现的关键,但由此引入的相位量化误差,严重影响了相控阵天线的波束指向精度。为了实现高精度的扫描波束指向控制以及低的副瓣特性，需要多位的数字控制，而位数越多，数字移相器和数字衰减器也越复杂。波束形成只与相控阵各单元之间的相对幅度和相位值有关。为了验证相控阵天线波束指向的正确性，天线系统需要根据目标在天线坐标系中的方位角、俯仰角及阵元特性调整加权系数形成波束完成对目标的跟踪。相控阵天线波束指向方位角和俯仰角的计算对于载体移动通信天线，载体的姿态直接影响天线波束的指向。要使载体上天线波束始终指向通信卫星.就必须使天线波束指向不受载体姿态变化的影响.这就是所谓的天线波束跟踪。天线波束跟踪有各种体制，其中一种为开环控制.这种控制方式基于已知载体的姿态信息。

波束控制器是相控阵天线所特有部份，它取代了机械扫描天线中的伺服驱动系统。由于相控阵天线波束的扫描和跟踪是由波束控制器实现的.因此波束控制器很大程度上决定了相控阵天线的动中通性能。波束控制装置是相控阵天线系统的控制中枢，主要完成相控阵天线波束扫描控制、收发状态切换、频率切换及状态监控等任务。不同相控阵天线平台其工作频率、阵元规模、结构形式都不相同，传统波束控制装置都是针对不同平台的相控阵天线单独开发，存在开发周期长、成本高、电路可靠性不能得到长时间严重等诸多弊端。为了突破结构设计方案的局限，兼顾机载、舰载等平台的使用需求，使得相控阵天线能够在雷达、卫通、数据链等不同领域灵活广泛的应用，波控系统就必须通过提高集成度来降低体积功耗、通过兼容性设计打破多平台通用化的壁垒。

波控系统的基本功能是对天线波束的定位。就是根据波控主机提供的指向信息，由子阵模块将指向信息转化为移相器的控制信号，也就是波控码的计算过程。控制天线指向指定的方向是波控系统的最基本的功能。也就是将波控码转换为移相器的控制信号，最后完成对天线指向的控制。波束控制系统的组成并不是一成不变的，它是根据不同的因素来决定的，这些因素主要有天线单元数的多少、移相器负载的差异等。在对天线波束定位时，最重要的一点就是要保证天线的低副瓣性能，但是由于存在着不可避免的因素引起的误差，这些因素包括幅相误差以及馈线长度不一样造成的相位误差。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的问题，提供一种功耗低、体积小，可靠性高、可扩展，通用性强的相控阵天线波束控制装置，以克服传统相控阵天线波控装置设计周期长，不能复用，不可扩展，可靠性验证不充分等问题。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种相控阵天线波束控制装置，包括：信号处理子板、周向设有弹性连接器组件的回形连接器、带有TR组件控制接口、电源接口和端机控制接口的适配底板，其特征在于：n个回形连接器通过子卡间互联，固联在适配底板上连接所述TR组件控制接口、电源接口和端机控制接口，1-n个信号处理子板分别固定在1-n个回形连接器的回形镂空区中，形成信号处理子板嵌入回形连接器，层叠固联在适配底板上的三层结构体；信号处理子板通过电平转换芯片连接适配底板上的TR组件控制接口，适配底板通过TR组件控制接口匹配不同平台相控阵天线，连接不同相控阵天线平台上的波束控制系统通信接口和端机，根据天线单元的数量选择信号处理子板的个数，被选信号处理子板通过TR组件控制接口和状态监测接口接收来自波束控制系统端机的通信指令，解析通信指令并计算波位码，控制时序输出至回形连接器，回形连接器将信号处理子板控制信号管脚通过适配底板扇出给需要控制的TR组件。

本发明相比于现有技术的有益效果是：

功耗低、体积小。本发明采用n个回形连接器通过子卡间互联，1-n个信号处理子板分别固定在1-n回形连接器的回形镂空区中，形成信号处理子板嵌入回形连接器，层叠固联在适配底板上的三层结构体，不仅结构简单，体积小，而且功耗低。采用触碰式连接设计的回形连接器密度高、剖面低，可无损拆卸且连接可靠性高。采用小型化信号处理子板可在50mm×40mm尺寸内实现256个天线阵元相控阵天线波束控制，信号处理子板控制管脚分布于子板四周，与高密度回形连接器配合实现子板与底板互连，其管脚分布充分利用信号处理子板四周闲置面积，不占用信号处理子板内部空间。

可靠性高、可扩展。本发明信号处理子板通过电平转换芯片连接适配底板上的TR组件控制接口，适配底板通过TR组件控制接口匹配不同平台相控阵天线，连接不同相控阵天线平台上的波束控制系统通信接口和端机，具有状态监视与故障检测功能，满足对天线波束转换的速度要求，可做到迅速精确地进行波束控制。根据天线单元的数量选择信号处理子板的个数，可适配不同的相控阵天线平台。并且单个信号处理子板可独立完成数据收发、协议解析及幅度相位码计算，可支持256阵元相控阵天线波束控制。信号处理子板加底板的可扩展架构，采用该构架进行扩展后可支持任意阵元数大规模相控阵天线波束控制。

通用性强。本发明信号处理子板通过电平转换芯片连接适配底板上的TR组件控制接口，适配底板通过TR组件控制接口匹配不同平台相控阵天线，连接不同相控阵天线平台上的波束控制系统通信接口和端机，根据天线单元的数量选择信号处理子板的个数，被选信号处理子板通过TR组件控制接口和状态监测接口接收来自波束控制系统端机的通信指令，解析通信指令并计算波位码，控制时序输出至回形连接器，回形连接器将信号处理子板控制信号管脚通过适配底板扇出给需要控制的TR组件。具备了较强的通用性。

附图说明

下面结合附图和实施例对发明进一步说明。

图1是本发明相控阵天线波束控制装置的主视图。

图2是图1适配底板的俯视图。

图3是图1信号处理子板的电路原理示意图。

图4是图1回形连接器的俯视图。

图5是相控阵天线平台中的波束控制系统示意图。

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案。

具体实施方式

参阅图1-图2。在以下描述的实施例中，一种相控阵天线用波束控制装置，包括：信号处理子板、周向设有弹性连接器组件的回形连接器、带有TR组件控制接口、电源接口和端机控制接口的适配底板，其中，适配底板位于最底层，信号处理子板位于顶层，适配底板通过高密度回形连接器实现接触试互连信号处理子板，三者之间采用螺钉进行紧固。n个回形连接器通过子卡间互联，固联在适配底板上连接所述TR组件控制接口、电源接口和端机控制接口，1-n个信号处理子板分别固定在1-n回形连接器的回形镂空区中，形成信号处理子板嵌入回形连接器，层叠固联在适配底板上的三层结构体；信号处理子板通过电平转换芯片连接适配底板上的TR组件控制接口，适配底板通过TR组件控制接口匹配不同平台相控阵天线，连接不同相控阵天线平台上的波束控制系统通信接口和端机，根据天线单元的数量选择信号处理子板的个数，被选信号处理子板通过TR组件控制接口和状态监测接口接收来自波束控制系统端机的通信指令，解析通信指令并计算波位码，控制时序输出至回形连接器，回形连接器将信号处理子板控制信号管脚通过适配底板扇出给需要控制的TR组件。

参阅图3。信号处理子板包括设置在板体上的现场可编程门阵列FPGA芯片，连接FPGA芯片的即用存储芯片、温度传感器芯片和连接回形连接器的电源芯片，以及并联在FPGA芯片与回形连接器之间，RS485电平转换芯片、低功耗收发器、PECL电平转换芯片和逻辑-变换器，FPGA芯片将完成的通信指令解析、波位码计算、波控系统状态监测、控制时序通过TR组件控制接口、状态监控接口输出至回形连接器。其中，RS485电平转换芯片、PECL电平转换芯片、FPGA芯片、电源芯片、EEPROM存储芯片、温度传感器芯片集成在大小为50mm×40mm印制板上与高密度回形连接器相互匹配。MAX14783EATA芯片MAX1487是用于RS-485与RS-422通信的低功耗收发器，每个器件中都具有一个驱动器和一个接收器。EEPROM带电可擦可编程只读存储器-一种掉电后数据不丢失的在即插即用存储芯片。EEPROM存储芯片可以掉电存储128K字节信息和信号处理子板的软硬件版本信息，TR组件的固定修正参数以及波控系统的工作状态信息可永久存储在EEPROM存储芯片中，并可根据需求擦除更新。电源芯片实现信号处理子板所需多组电源供电，主要包括控制端口电压+5V、FPGA端口电压+3.3V、FPGA内核电压+1.2V、辅助电压+2.5V。温度传感器芯片完成信号处理子板核心区域温度监控，将实时温度值上报FPGA，根据系统设计完成相控阵天线工作模式控制及温度上报。FPGA芯片是信号处理子板的核心处理芯片。

即插即用存储芯片可以是一种掉电后数据不丢失的带电可擦可编程只读存储器EEPROM芯片，EEPROM存储芯片可以掉电存储128K字节信息和信号处理子板的软硬件版本信息；逻辑-变换器可以选用型号为MC100ELT23DTG的逻辑-变换器；低功耗收发器可以选用型号为MAX14783EATA的低功耗收发器，MAX14783EATA芯片MAX1487是用于RS-485与RS-422通信的低功耗收发器，每个器件中都具有一个驱动器和一个接收器。TR组件的固定修正参数以及波控系统的工作状态信息可永久存储在EEPROM存储芯片中，并可根据需求擦除更新。电源芯片实现信号处理子板所需多组电源供电，主要包括控制端口电压+5V、FPGA端口电压+3.3V、FPGA内核电压+1.2V、辅助电压+2.5V。温度传感器芯片完成信号处理子板核心区域温度监控，将实时温度值上报FPGA，根据系统设计完成相控阵天线工作模式控制及温度上报。FPGA芯片是信号处理子板的核心处理芯片。

参阅图4。回形连接器可以是大小为50mm×40mm，中间镂空区域与信号处理子板完全匹配的矩形环形结构框架，矩形环形结构框架四周围绕10个固定弹性连接器组件，每个弹性连接器组件集成了实现信号处理子板和适配底板的接触试互连的双排20个弹性接触点。中间镂空区域可以留给信号处理子板背面布局高度小于2.5mm器件。信号处理子板、高密度回形连接器和适配底板通过安装孔螺钉实现紧固，并通过适配底板供电。

适配底板主要完成信号处理子板供电、完成不同相控阵天线平台接口电平转换和结构适配。适配底板是波束控制系统对外连接的桥梁，它通过电源接口与相控阵天线电源模块连接，通过通信接口和端机连接，通过控制接口和TR组件连接。适配底板一方面需要匹配不同平台相控阵天线的结构和接口，另一方面它是信号处理子板的载体，可根据天线单元的数量选择信号处理子板的个数，可进行无限扩展。

参阅图5。相控阵天线中主要包括数目为N个阵元构成的天线阵面、与阵元1、阵元2…阵元N一一对应连接的射频收发组件，通过电源模块连接中频收发信道和波束控制器构成的和波束控制系统。其中，在射频收发组件中，每个阵元连接双工器，双工器输入端和输出分别连接功率放大器和低噪声滤波器，功率放大器和低噪声滤波器通过TR组件中的TR芯片连接功分/合成网络。中频收发信道相连接收机，波束控制器即本发明的波束控制装置通过通信接口与控制端机互连实现通信，响应控制端机的波束指向命令，实时监控相控阵天线各组件的工作状态，完成健康管理及状态上报；并通过与TR组件相连的控制接口实现TR组件相位控制，工作状态监测，通过电源接口与电源模块及TR组件互连，实现自身电源获取及TR组件电源分发。

以上所述仅是实现一种相控阵天线通用波束控制装置的优选实施方案，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其它组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种相控阵天线波束控制装置，包括：信号处理子板、周向设有弹性连接器组件的回形连接器、带有TR组件控制接口、电源接口和端机控制接口的适配底板，其特征在于：n个回形连接器通过子卡间互联，固联在适配底板上连接所述TR组件控制接口、电源接口和端机控制接口，1-n个信号处理子板分别固定在1-n个回形连接器的回形镂空区中，形成信号处理子板嵌入回形连接器，层叠固联在适配底板上的三层结构体；信号处理子板通过电平转换芯片连接适配底板上的TR组件控制接口，适配底板通过TR组件控制接口匹配不同平台相控阵天线，连接不同相控阵天线平台上的波束控制系统通信接口和端机，根据天线单元的数量选择信号处理子板的个数，被选信号处理子板通过TR组件控制接口和状态监测接口接收来自波束控制系统端机的通信指令，解析通信指令并计算波位码，控制时序输出至回形连接器，回形连接器将信号处理子板控制信号管脚通过适配底板扇出给需要控制的TR组件。

2.如权利要求1所述的相控阵天线波束控制装置，其特征在于：信号处理子板包括设置在板体上的现场可编程门阵列FPGA芯片，连接FPGA芯片的即用存储芯片、温度传感器芯片和连接回形连接器的电源芯片，以及并联在FPGA芯片与回形连接器之间，RS485电平转换芯片、低功耗收发器、PECL电平转换芯片和逻辑-变换器，FPGA芯片将完成的通信指令解析、波位码计算、波控系统状态监测、控制时序通过TR组件控制接口、状态监控接口输出至回形连接器。

3.如权利要求1所述的相控阵天线波束控制装置，其特征在于：RS485电平转换芯片、PECL电平转换芯片、FPGA芯片、电源芯片、EEPROM存储芯片和温度传感器芯片集成在大小为50mm×40mm印制板上与高密度回形连接器相互匹配。

4.如权利要求2所述的相控阵天线波束控制装置，其特征在于：即插即用存储芯片是一种掉电后数据不丢失的带电可擦可编程只读存储器EEPROM芯片，EEPROM存储芯片掉电存储128K字节信息和信号处理子板的软硬件版本信息。

5.如权利要求3所述的相控阵天线波束控制装置，其特征在于：温度传感器芯片完成信号处理子板核心区域温度监控，将实时温度值上报FPGA，根据系统设计完成相控阵天线工作模式控制及温度上报。

6.如权利要求1所述的相控阵天线波束控制装置，其特征在于：回形连接器为中间镂空区域与信号处理子板完全匹配的矩形环形结构框架，其四周对边对称分布的弹性针连接器组件组成高密度回形连接器。

7.如权利要求6所述的相控阵天线波束控制装置，其特征在于：矩形环形结构框架四周围绕10个固定弹性连接器组件，每个弹性连接器组件集成了实现信号处理子板和适配底板的接触试互连的双排20个弹性接触点。

8.如权利要求1所述的相控阵天线波束控制装置，其特征在于：信号处理子板、高密度回形连接器和适配底板通过安装孔螺钉实现紧固，并通过适配底板供电。

9.如权利要求1所述的相控阵天线波束控制装置，其特征在于：适配底板是波束控制系统对外连接的桥梁，它通过电源接口与相控阵天线电源模块连接，通过通信接口和端机连接，通过控制接口和TR组件连接，可根据天线单元的数量选择信号处理子板的个数进行无限扩展。

10.如权利要求1所述的相控阵天线波束控制装置，其特征在于：波束控制装置通过通信接口与控制端机互连实现通信，响应控制端机的波束指向命令，实时监控相控阵天线各组件的工作状态，完成健康管理及状态上报；并通过与TR组件相连的控制接口实现TR组件相位控制，工作状态监测，通过电源接口与电源模块及TR组件互连，实现自身电源获取及TR组件电源分发。