CN109600175B - 有源相控阵天线自诊断修复装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源相控阵天线自诊断修复装置，利用本发明可以实现有源相控阵天线电性能的自诊断和修复，显著提高监测效率。本发明通过下述方案予以实现：在发射状态，射频信号进入硅芯片组件，低频信号进入控制修复模块，将计算出来的幅/相码发送给硅芯片组件完成射频信号的空间功率合成；在接收状态，控制修复模块将计算出来的幅/相码发送给硅芯片组件，射频信号经放大、移相后进入功率分配合成网络模块实现接收；在收/发状态中，控制修复模块采用模数AD芯片进行数字采样，通过FPGA芯片进行工作状态故障诊断，并在有源相控阵天线停止工作情况下，启用刷新控制电路将有源相控阵天线自启动，并进行有源相控阵天线工作状态的刷新和自修复。

Description

有源相控阵天线自诊断修复装置

技术领域

本发明涉及电子技术领域中一种有源相控阵天线自诊断修复装置。

背景技术

随着雷达工作电磁环境的日益恶化、辐射单元数量的与日俱增，作为无线通信系统的核心收发器件，相控阵天线在日常工作过程中不可避免地会产生TR组件、波控机、或者辐射单元失效的现象。如何通过测量相控阵天线的辐射特性，利用一定的故障诊断方法，定位故障单元的具体位置并判断故障类型，进而为后续的决策维修提供有效的指导，对相控阵天线的测试与诊断技术提出了迫切的需求，目前仍然是一项较为复杂的技术难题。通常情况下，现代大型有源相控阵天线的组件数量一般都很大，成千上万个发射源合成的总功率可以高达数十兆瓦，并且现代有源相控阵天线TR组件测试通路多、测试数据处理量大、测试效率低，要在短时间内完成每个组件的输出功率、频谱、脉冲检波包络、幅频特性、相频特性的检测和幅度相位的一致性分析，对天线测试的手段提出了很高的要求。相控阵天线通常要求具备高可靠性和高稳定性，能够长时间无故障工作。然而，一方面在设计和制造过程中受到加工工艺水平的制约，另一方面在实际环境中受到恶劣自然环境因素的影响，两种因素的合力加速了TR组件的元器件异常或波控机不工作，进而引起天线单元失效，从而导致天线探测能力下降。当失效辐射单元的数量达到一定程度后，将会严重影响到相控阵天线性能的充分发挥。当相控阵天线发生故障后，在无需雷达完全停止工作的前提下，如何通过监测其状态，获取关键性能参数，及时对出现故障的天线单元进行快速定位并排除故障，迅速恢复相控阵天线的技术指标，目前仍然是一项十分复杂的技术难题。由于大量的有源设备的引入，有源相控阵天线系统的多样性、复杂性决定了系统设备较难实现较高的稳定性。过去手动的测试是人工依次将各通道打开与关闭，测量每个通道的幅相特性并记录数据，对于规模小的相控阵天线可行，但对于通道数量多的相控阵天线而言这种方法既浪费人力又耗费时间，尤其是占用微波暗室的时间长，使得本来就显得不足的有限资源更加紧张。由于有源相控阵天线的有源组件直接与阵列单元相连，TR组件位置前置，降低了系统损耗，多个独立的TR组件和阵列单元形成独立的系统，只有当20%以上的TR组件失效/损毁后才会严重影响雷达的性能。有两种方法可以使有源相控阵天线性能稳定：一种是阵列采用高精密或经过补偿的元件，这些元器件的参数随时间或环境变化小，同时采用小型的监控设备进行在线健康监测；另一种是采用公差要求不太严格的元器件，并提供整套开环或闭环校正系统，对有源相控阵天线的射频通道进行幅相校准。但对于含有上万个辐射单元的大型有源相控阵天线，一方面采用将被测对象置于转台进行常规远场测量几乎不可能实现，而且受到多径效应的影响，测试精度也很难保证；另一方面近场测量需要采用大型扫描架探头抽测相控阵天线每一组配相状态下的幅/相信息，导致测试效率难以忍受，此外近场测量通常需要在微波暗室进行，难以实现现场实时检测。这两方面的因素使得相控阵天线的故障诊断与维修工作比其他类型的天线要复杂得多。相控阵天线故障诊断方法的实施依赖于参数测量获取的数据，即首先通过对相控阵天线性能进行测试，获取诸如天线增益、波束宽度、波束指向、波束零点、副瓣电平、副瓣位置、系统G/T值、极化方式、跟踪范围等基本故障特征参数，通过性能监测系统发现天线异常后，利用所获取的故障信息，通过调用相应的故障诊断策略定位具体故障辐射单元的位置，实现相控阵天线的故障诊断。最后采取包括直接更换异常单元或者利用各种补偿算法的故障维修策略进行维修，以使相控阵天线尽快恢复良好的工作状态。其中作为表征天线辐射能量随着距离变化在空间分布的几何图形，在远场范围内对天线方向图的测试仍然是一项工作量十分庞大的任务。对于含有上万个辐射单元的现代大型有源相控阵天线，由于被测对象无法转动，而且存在地面反射杂波所造成的多径效应，加之受制于设备、场地和时间的制约，很难甚至不可能在外场利用转台进行天线性能的远场测试，测试精度难以保证。低副瓣相控阵天线在现有远场测试距离不足，导致了邻近主瓣的副瓣区测量误差较大的实际问题。传统远场测量法由于测量时间长又无检测功能而无法满足要求。近场测量法对相控阵天线的和测试起了积极的作用，但测试效率仍然较低，这是因为对天线的每一组配相都要重新进行一次扫描测量。另外该方法需要造价昂贵的大型扫描架且对环境的要求较高，而且难于实现对相相控阵天线快速测量和故障诊断的现场检测。在近远场条件下大型相控阵天线方向图难以测试，中场测试技术也很难单独确定辐射单元幅/相特性以及定位TR组件。每当确定一组配相形成对应的波束时，在近场区域内，探头都要完成一次扫描测量工作。因此，需要在相控阵天线所有可能的配相状态下，对扫描范围内所有可能出现的波束进行测量。对动辄辐射单元数量达到上万个之多的现代有源相控阵，完成一次测试通常需要若干个月，需要处理大量的测试数据，这将导致测试效率低下。且这种技术通常需要在微波暗室内将天线停机分块进行检修，无法满足现场检测的需要。有源相控阵天线故障诊断系统，需要利用阵面性能测试来获取数据、实现故障单元的定位与类型判别两大功能。其中发射阵面性能参数的测试需要实现天线方向图、增益、波束宽度、发射频率稳定性与频谱特性（谐波、杂散）等指标的测试，接收端测试是指探头接收信号的幅度和相位信息。而阵面判故则要求系统具备对故障单元进行定位以及类型识别的能力。由于现代相控阵天线阵面通常由大量的天线单元构成，直接对每个阵元进行单独测试需要耗费大量的测试时间，将导致测试效率低下。在测试进行过程中，需要测试场周围环境造成的反射干扰尽可能小，因为源天线照射待测天线时，除直射波以外，还有来自地面、周围物体等的反射波，反射干扰由于其相位、频率、方向的无规律性，将干扰正常的测量参数，从而使待测天线口面产生相位差，造成增益下降、副瓣电平抬高等现象，引起较大的测量误差。特别是多径效应的存在，影响到所有的外场测试过程，会大大降低测试结果的准确性。一般来说，外场测试环境无法消除多径效应的存在。

相控阵天线阵面故障诊断是20世纪60年代末发展起来的一门新学科，它通过监测系统工作时的状态参数，提取关键信息，当发现设备出现异常情况后，通过与正常状态信息进行比对，能够定位故障发生的位置，找出故障出现的类型，确定故障发展的程度。从本质上讲，故障诊断方法属于模式分类与识别所研究的范畴，利用某种算法判别样本信号究竟属于正常还是异常状态。对于一个电子系统而言，广义上其运行状态可以分为正常状态以及故障状态两类，狭义上还可将故障状态细分为异常状态和故障状态两类。其中异常状态是指缺陷继续发展，导致系统性能降低、状态变差，但是还没有威胁到系统的正常工作，电路系统中的“软故障”即是此种情况的代表。故障状态则类似于电路系统中的“硬故障”，表示为缺陷进一步发展，致使系统至少有一个特性或者参数偏离正常范围，系统已经丧失完成设定功能的能力。在相控阵天线中，馈电网络、单元取向、移相器机械位置公差等会引起天线性能的降低，这些变化可以定义为相控阵天线发生了异常状态。而相控阵天线的故障状态定义为阵列单元失效、TR组件失效、波控机无法正常工作等。根据文献调研结果，当前多采用基于信号处理以及基于知识的故障诊断方法。这两种方法的突出优点是避免了直接测量各个通道的幅/相，保证了测量的稳定性。然而，限制该方法实用化的最大挑战在于探头接收信号组成的高阶线性方程组求解困难，而且系数矩阵存在广义逆矩阵，解存在不唯一性，需要寻找合适的补充方程确定与真实激励误差最小的解。通过查证大量国内外文献，可以发现，早期人们通过微波探头来测试相控阵天线射频通道的幅/相误差，校准有源相控阵天线的性能，最近典型的代表作有：《IEEE Transactions on Antennas andPropagation》，2001年，Y.Yang等人发表的“Design of self-healing arrays usingvector-space projections”的文献报道了一种空间矢量投影法，用于阵列天线辐射方向图的重构，通过该方法可以将失效约30%的辐射单元的阵列辐射方向图进行修复。

中国专利ZL201310492003.7公开了一种“嵌入式智能蒙皮天线”，该蒙皮天线采用光纤传感网络、可重构天线、以及可重构馈电网络来实现蒙皮天线的工作状态自诊断、天线辐射性能可重构，确保了嵌入式智能蒙皮天线的辐射电性能。

《微波学报》，2014年，何庆强等人发表的“新兴智能蒙皮天线技术”的文献研究了智能蒙皮天线的体系构架，通过层埋的光纤传感器和可重构天线阵列来实现智能蒙皮天线的自诊断、自修复、自适应。

《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》，2016年，T.Kanar等人发表的“A 2–15-GHz accurate built-in-self-test system for wideband phasedarrays using self-correcting eight-state I/Q mixers”的文献研究了有源相控阵天线的幅/相自校准技术，采用8状态自修正I/Q混频器实现了宽带相控阵内建自测试系统的设计，通过采用多相位校准算法实现了2-15GHz宽带相控阵天线的幅/相校准。

中国专利2016（申请号201610010749.3）公开了一种“一种用于雷达设备的幅相一致性补偿系统”，该系统用以对雷达系统中的雷达三路通道的幅度和相位保持一致性。雷达设备通过相控阵天线接收空口雷达回波后，交给数字接收机接收处理，然后经过雷达自身的幅相一致性修正器修正后，再经过幅相修正服务器再次修正，然后把经过幅相修正服务器修正的数据叠加到自身修正的数据上，最终交给雷达信号处理器进行分析处理。经过两次修正的信号，可以更加精确的显示目标物体的状态信息。

《电子机械工程》，2017年，李海洋等人发表的“面向智能蒙皮天线电补偿的位移场重构”的文献研究了一种嵌入光纤光栅的智能蒙皮天线结构，并利用模态分析和状态空间理论，从少量光纤光栅测量的应变实时重构天线结构的变形位移场，该位移场重构方法为智能蒙皮天线电补偿系统的研制奠定了基础。

中国专利2017年（申请号201710108994.2）公开了一种“一种超声相控阵探头阵列的修复校正方法”，该方法利用声场叠加原理计算在正常激励情况下，标准阵列在空间多个点的声压分布，作为校正基准，利用基于自适应算法的校正程序，从非标准阵列的第一个阵元开始分别计算各个阵元的校正系数，利用循环改变被较正阵元校正系数，调整其激励参数，循环完成所有阵元的校正，以得校正参数作为各阵元激励参数初始值，重复第一次校正循环，得到更准确的校正系数，将计算得到的各个阵元的校正系数，作为对应阵元的激励参数，对非标准阵列的辐射声场进行校正，实现对阵列阵元的快速校正，校正效率高，降低超声相控阵修复、校正成本。

《IEEE International Solid-State Circuits Conference》，2018年，S.Shahramian等人发表的“A fully integrated scalable W-band phased-array modulewith integrated antennas, self-alignment and self-test”的文献报道了一种W波段带自校准和自测试的有源相控阵天线，该相控阵天线自校准和自测试系统包括内嵌的耦合环、放大器、以及可变增益放大器链路，通过信号监测、偏置点设置、温度监测、以及功率探测来实现相控阵天线的在线测试、故障诊断、自动校准。

总的说来，目前国内外文献报道的相控阵天线自修复设计技术，主要分为两个层面；第一是相控阵天线射频通道或子阵部分损毁时，通过采用优化算法或者可重构技术来补偿电性能；第二是相控阵天线射频通道或子阵受外界环境影响，通道幅/相性能不一致时，通过相控阵天线校准系统设计来实现相控阵天线的幅/相校准，确保性能。其缺点是一旦有源相控阵天线停止工作时，上述文献提及的技术/方法均失效，不能使有源相控阵天线工作恢复正常。因此，对于有源相控阵天线而言，如何能够在相控阵天线受损或外界环境影响导致停止工作时，使有源相控阵天线无需人工启动就能迅速恢复电性能，目前还没有确定的技术方案。

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种能够根据有源相控阵天线的工作电流状态进行自诊断，并在有源相控阵天线发生异常或停止工作时，实时刷新或自启动有源相控阵天线，实现有源相控阵天线电性能的自诊断和修复。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到。一种有源相控阵天线自诊断修复装置，包括：天线单元1，通过多层PCB基板5和多层金属地板6进行上下层层堆叠一体化集成封装在各自腔体中的硅芯片组件2、功率分配合成网络模块3和相连的控制修复模块4，其特征在于：有源相控阵天线工作在发射状态时，射频信号从位于堆叠体底部的射频输入/输出线12馈入功率分配合成网络模块3进入硅芯片组件2，同时低频信号从堆叠体底部的控制信号线11进入控制修复模块4，控制修复模块4将计算出来的幅/相码发送给硅芯片组件2，把射频信号移相、放大后发送给天线单元1，由天线单元1组成的阵列将射频信号在指定方向上完成空间功率合成；有源相控阵天线工作在接收状态时，射频信号从天线单元1进入硅芯片组件2实现射频信号放大，同时低频信号从控制信号线11进入控制修复模块4，控制修复模块4将计算出来的幅/相码发送给硅芯片组件2实现射频信号移相，再经功率分配合成网络模块3传送至射频输入/输出线12，实现射频信号的接收；在收/发状态中，控制修复模块4采用模数AD芯片22实时监测有源相控阵天线的输入总电流，并进行数字采样，通过现场可编程门阵列FPGA芯片20进行工作状态故障诊断，并在有源相控阵天线停止工作情况下，启用刷新控制电路21将有源相控阵天线自启动，并进行有源相控阵天线工作状态的刷新和自修复。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

无需人工启动。本发明采用能够实时监测有源相控阵天线输入总电流的AD芯片22，并进行数字采样，通过现场可编程门阵列FPGA芯片20进行工作状态故障诊断，并在有源相控阵天线停止工作情况下，启用刷新控制电路21将有源相控阵天线自启动，并进行有源相控阵天线工作状态的刷新和自修复，解决了传统有源相控阵天线工作停止后需要人工启动的缺陷。

工作稳定，使用方便。本发明在发射状态，射频信号进入硅芯片组件2，低频信号进入控制修复模块4，将计算出来的幅/相码发送给硅芯片组件2完成射频信号的空间功率合成；在接收状态，控制修复模块4将计算出来的幅/相码发送给硅芯片组件2，射频信号经硅芯片组件2放大、移相后进入功率分配合成网络模块3实现接收；本发明充分利用控制修复模块4强大的数据处理与分析能力，不仅解决了有源相控阵天线故障诊断与自动校正问题，而且还极大地提高了工作效率，节约了人力成本。实际应用表明：本发明设计的有源相控阵天线工作稳定，使用方便。

具有较高的测试精度、能抗单粒子翻转效应。本发明采用集成了具备输入电流监测、故障自诊断、性能自修复的功能的缓冲寄存器19、FPGA芯片20、刷新控制电路21、AD芯片22、电源模块23、存储芯片24和缓冲寄存器25的控制修复模块4，能够对单粒子翻转效应进行防护，在FPGA失效的情况下的重启相控阵天线，恢复系统正常工作；快速准确地定位故障硅芯片组件2的具体位置并判别发生故障的类型，实现对相控阵天线阵面辐射单元的故障诊断；具有较高的测试精度，较快的测量速度以及较低的建造成本，尤其适用于无法进行近场校准的有源相控阵天线外场测试与诊断，大大减少测量次数和提高测试效率。

附图说明

图1是本发明自修复有源相控阵天线的组成框图。

图2是图1硅芯片组件的电路原理示意图。

图3是图1控制修复模块的电路原理示意图。

图中：1天线单元、2硅芯片组件、3功率分配合成网络模块、4控制修复模块、5PCB基板、6金属地板、7导热柱、8天线馈线、9射频传输线、10低频信号线、11控制信号线、射频12输入/输出线、13第一环形器、14低噪放、15幅相芯片、16第二环形器、17幅相芯片、18功放、19缓冲寄存器、20FPGA芯片、21刷新控制电路、22AD芯片、23电源模块、24存储芯片、25缓冲寄存器。

为使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定此发明。

具体实施方式

参阅图1~图3。在以下描述的实施例中，一种有源相控阵天线自诊断修复装置，包括：天线单元1，通过多层PCB基板5和多层金属地板6进行上下层层堆叠一体化集成封装在各自腔体中的硅芯片组件2、功率分配合成网络模块3和相连的控制修复模块4，其特征在于：天线单元1的天线馈线8通过PCB基板5埋设的金属地板6相连固定在第一腔体上的硅芯片组件2，硅芯片组件2输入端相连的射频传输线9通过第二腔体的横梁壁板相连固定在所述壁板上的功率分配合成网络模块3，硅芯片组件2输出端相连的低频信号线10同侧通过第二、第三腔体的横梁壁板相连固定在第三腔体底板上的控制修复模块4；有源相控阵天线工作在发射状态时，射频信号从位于堆叠体底部的射频输入/输出线12馈入功率分配合成网络模块3进入硅芯片组件2，同时低频信号从堆叠体底部的控制信号线11进入控制修复模块4，控制修复模块4将计算出来的幅/相码发送给硅芯片组件2，把射频信号移相、放大后发送给天线单元1，由天线单元1组成的阵列将射频信号在指定方向上完成空间功率合成；有源相控阵天线工作在接收状态时，射频信号从天线单元1进入硅芯片组件2实现射频信号放大，同时低频信号从控制信号线11进入控制修复模块4，控制修复模块4将计算出来的幅/相码发送给硅芯片组件2实现射频信号移相，再经功率分配合成网络模块3传送至射频输入/输出线12，实现射频信号的接收；在收/发状态中，控制修复模块4采用模数AD芯片22实时监测有源相控阵天线的输入总电流，并进行数字采样，通过现场可编程门阵列FPGA芯片20进行工作状态故障诊断，并在有源相控阵天线停止工作情况下，启用刷新控制电路21将有源相控阵天线自启动，并进行有源相控阵天线工作状态的刷新和自修复。

功率分配合成网络模块3采用威尔金森功率分配器原理进行设计，实现有源相控阵天线发射链路射频信号的功率分配和接收链路射频信号的功率合成。

控制修复模块4集成了具备输入电流监测、故障自诊断、性能自修复的功能的缓冲寄存器19、FPGA芯片20、刷新控制电路21、AD芯片22、电源模块23、存储芯片24和缓冲寄存器25。

PCB基板5制有隔离在上下两个金属地板6之间的顶层空气介质腔和连接天线单元1使天线馈线8进入第一腔体的通道，顶层空气介质腔中设有阵列于上下两个金属地板6之间、用于散热的导热柱7。

参阅图2。硅芯片组件2接收通道上集成了可以实现接收通道射频链路增益为30dB和噪声系数4.5dB、实现6位数字移相和6位增益衰减的低噪放14和幅相芯片15；它的发射通道集成了可以实现发射通道射频链路增益为25dB和通道发射功率P_-1dB=15dBm、实现6位数字移相和6位增益衰减的功放18和幅相芯片17。硅芯片组件2可以采用应用于Ka频段，面积为2.5mm×2.5mm的WLCS封装的芯片，并采用硅基集成工艺进行设计，主要包括相连天线单元1的第一环形器13和相连功率分配合成网络模块3的第二环形器16，第一环形器13顺次通过低噪放14、幅相芯片15、第二环形器16、幅相芯片17和功放18组成的环路电路，实现全双工工作。当硅芯片组件2工作于工作频率为25GHz~30GHz、射频信号从功率分配合成网络模块3经过第二环形器16时，在控制修复模块4的控制下，将计算出来的幅/相码发送给幅相芯片17实现射频信号移相，再经功放18进行射频信号放大、经第一环形器13将射频信号发送给天线单元1，最终通过天线单元1组成的阵列实现射频信号在指定方向上的空间功率合成。当射频信号从天线单元1经过第一环形器13时，进入低噪放14实现射频信号放大，接着在控制修复模块4的控制下，将计算出来的幅/相码发送给幅相芯片15实现射频信号移相，经第二环形器16将射频信号传送至功率分配合成网络模块3，实现射频信号的接收。

参阅图3。控制修复模块4集成了围绕FPGA芯片20连接的缓冲寄存器19、刷新控制电路21、AD芯片22、缓冲寄存器25和给有源相控阵天线所有元器件供电的电源模块23，用户终端送过来的控制信号经控制信号线11进入缓冲寄存器19后进入FPGA芯片20，计算硅芯片组件2每个射频通道所需的幅/相码，再经缓冲寄存器25输出给硅芯片组件2，实现有源相控阵天线的波束赋形和扫描；电源模块23的输入总电流经过AD芯片22实时监测和数字采样后、发送给FPGA芯片20进行工作状态故障诊断，若输入总电流值增大10%以上或减小10%以上，甚至输入总电流值不能数字采样时，相连存储芯片24的刷新控制电路21将重新自启动电源模块23，并将存储芯片24里预存的有源相控阵天线初始信息赋值给具备输入电流监测、故障自诊断、性能自修复功能的FPGA芯片20，进行有源相控阵天线工作状态的刷新和自修复。

具体地，当有源相控阵天线工作于25GHz~30GHz、阵列规模取为16×20时，控制修复模块4尺寸为80mm×100mm×12mm，实现的主要功能为：控制修复模块4里的FPGA芯片20接到控制信号线11、经缓冲寄存器19送来的用户指令信息后，对硅芯片组件2每个射频通道所需的幅/相码进行计算，将实时计算的幅/相码发送给幅相芯片15（接收）和幅相芯片17（发射），实现全双工有源相控阵天线的波束赋形和快速扫描。同时FPGA芯片20对AD芯片22进行控制，实现AD芯片22对电源模块23的输入总电流的实时监测和数字采样，并传送给FPGA芯片20进行数据分析和故障诊断。若输入总电流值增大10%以上，故障判别为硅芯片组件2工作异常，并进一步通过电源模块23供电分发给硅芯片组件2的线路序号及存储在FPGA芯片20里的对应的线路序号地址码，确定出具体工作异常的硅芯片组件2，同时刷新控制电路21将重新自启动电源模块23，并将存储芯片24里预存的有源相控阵天线初始信息赋值给FPGA芯片20，进行有源相控阵天线工作状态的刷新和自修复。若输入总电流值减小10%以上，故障判别为硅芯片组件2元器件损坏，并进一步通过电源模块23供电分发给硅芯片组件2的线路序号及存储在FPGA芯片20里的对应的线路序号地址码，确定出具体元器件损坏的硅芯片组件2，同时FPGA芯片20将通过刷新控制电路21调用存储芯片24里预存的遗传算法优化的幅/相码，进行有源相控阵天线电性能的补偿和自修复。若FPGA芯片20不能实现对输入总电流的实时监测和数字采样，即相控阵天线出现停止工作现象，则故障判别为相控阵天线受外界环境单粒子翻转效应影响，刷新控制电路21将采用盲刷方式、对FPGA芯片20进行刷新和重启，并将存储芯片24里预存的有源相控阵天线初始信息赋值给FPGA芯片20，进行有源相控阵天线工作状态的重新启动和自修复。

上述方案中，刷新控制电路21选用中国航天科技集团公司第九研究院第七七二研究所研制的采用CQFP48封装，控制FPGA刷新的智能刷新控制器BSV2CQRH芯片，BSV2CQRH芯片是一款专门针对SRAM型FPGA进行刷新的芯片。SRAM型FPGA利用动态重配置技术，通过检测逻辑电路设计配置存储单元中的单粒子翻转敏感位数量和位置，可计算出动态翻转截面和失效率，绘出可靠度变化曲线。SRAM型FPGA动态重配置的特性使得可在程序运行中人为翻转配置位，从而引入与单粒子翻转同等效力的故障模拟FPGA空间应用发生单粒子翻转时的状况。通过分析故障注入后电路的输出功能评测逻辑设计的抗单粒子翻转能力。逐位翻转顾名思义即在程序运行过程中对配置位进行逐位翻转，然后逐次动态重配置到FPGA中，检测翻转位对设计输出的影响。利用SRAM型FPGA可以局部动态重配置的优点每次只重配置翻转位所在的帧数据节约了大量的时间。SRAM型FPGA芯片由6个部分组成，其中Slice资源是可编程逻辑单元的基本逻辑单元，RAM资源是FPGA常用的硬核模块，两种资源都是FPGA内部广泛分布且应用较多的资源。

上述方案中，FPGA芯片20可以选用中国航天科技集团公司第九研究院第七七二研究所研制的BQR2V1000-BG575，该芯片采用BGA封装，是SRAM型FPGA，支持在线系统编程及局部再编程，I/O口为244个。

上述方案中，AD芯片22可以选用美国AD公司的AD7490BRUZ，采用TSSOP28封装，该芯片是一款16通道，12位高速率低功耗转换器。

上述方案中，存储芯片24可以选用中国航天科技集团公司第九研究院第七七二研究所研制的BQ18V04CL，采用CLCC44封装，该芯片是一款可反复擦写、非易失的在线可编程FLASH型PROM器件。

本发明特别参照优选的实施例来说明和展示，本领域的技术人员应理解，可以在形式上和内容上作出改型而不偏离本发明精神和范围。

Claims (10)

1.一种有源相控阵天线自诊断修复装置，包括：天线单元（1），通过多层PCB基板（5）和多层金属地板（6）进行上下层层堆叠一体化集成封装在各自腔体中的硅芯片组件（2）、功率分配合成网络模块（3）和相连的控制修复模块（4），其特征在于：有源相控阵天线工作在发射状态时，射频信号从位于堆叠体底部的射频输入/输出线（12）馈入功率分配合成网络模块（3）进入硅芯片组件（2），同时低频信号从堆叠体底部的控制信号线（11）进入控制修复模块（4），控制修复模块（4）将计算出来的幅/相码发送给硅芯片组件（2），把射频信号移相、放大后发送给天线单元（1），由天线单元（1）组成的阵列将射频信号在指定方向上完成空间功率合成；有源相控阵天线工作在接收状态时，射频信号从天线单元（1）进入硅芯片组件（2）实现射频信号放大，同时低频信号从控制信号线（11）进入控制修复模块（4），控制修复模块（4）将计算出来的幅/相码发送给硅芯片组件（2）实现射频信号移相，再经功率分配合成网络模块（3）传送至射频输入/输出线（12），实现射频信号的接收；在收/发状态中，控制修复模块（4）采用模数AD芯片（22）实时监测有源相控阵天线的输入总电流，并进行数字采样，通过现场可编程门阵列FPGA芯片（20）进行工作状态故障诊断，若输入总电流值增大10%以上，故障判别为硅芯片组件（2）工作异常，并进一步通过电源模块（23）供电分发给硅芯片组件（2）的线路序号及存储在FPGA芯片（20）里的对应的线路序号地址码，确定出具体工作异常的硅芯片组件（2），同时刷新控制电路（21）将重新自启动电源模块（23），并将存储芯片（24）里预存的有源相控阵天线初始信息赋值给FPGA芯片（20），进行有源相控阵天线工作状态的刷新和自修复，若输入总电流值减小10%以上，故障判别为硅芯片组件（2）元器件损坏，并进一步通过电源模块（23）供电分发给硅芯片组件（2）的线路序号及存储在FPGA芯片（20）里的对应的线路序号地址码，确定出具体元器件损坏的硅芯片组件（2），同时FPGA芯片（20）将通过刷新控制电路（21）调用存储芯片（24）里预存的遗传算法优化的幅/相码，进行有源相控阵天线电性能的补偿和自修复；若FPGA芯片（20）不能实现对输入总电流的实时监测和数字采样，即相控阵天线出现停止工作现象，则故障判别为相控阵天线受外界环境单粒子翻转效应影响，刷新控制电路（21）将采用盲刷方式、对FPGA芯片（20）进行刷新和重启，并将存储芯片（24）里预存的有源相控阵天线初始信息赋值给FPGA芯片（20），进行有源相控阵天线工作状态的重新启动和自修复，并在有源相控阵天线停止工作情况下，启用刷新控制电路（21）将有源相控阵天线自启动，并进行有源相控阵天线工作状态的刷新和自修复。

2.如权利要求1所述的一种有源相控阵天线自诊断修复装置，其特征在于：天线单元（1）的天线馈线（8）通过PCB基板（5）埋设的金属地板（6）相连固定在第一腔体上的硅芯片组件（2），硅芯片组件（2）输入端相连的射频传输线（9）通过第二腔体的横梁壁板相连固定在所述壁板上的功率分配合成网络模块（3），硅芯片组件（2）输出端相连的低频信号线（10）同侧通过第二、第三腔体的横梁壁板相连固定在第三腔体底板上的控制修复模块（4）。

3.如权利要求1所述的一种有源相控阵天线自诊断修复装置，其特征在于：功率分配合成网络模块（3）采用威尔金森功率分配器原理进行设计，实现有源相控阵天线发射链路射频信号的功率分配和接收链路射频信号的功率合成。

4.如权利要求1所述的一种有源相控阵天线自诊断修复装置，其特征在于：控制修复模块（4）集成了具备输入电流监测、故障自诊断、性能自修复的功能的缓冲寄存器（19）、FPGA芯片（20）、刷新控制电路（21）、AD芯片（22）、电源模块（23）、存储芯片（24）和缓冲寄存器25。

5.如权利要求1所述的一种有源相控阵天线自诊断修复装置，其特征在于：PCB基板（5）制有隔离在上下两个金属地板（6）之间的顶层空气介质腔和连接天线单元（1）使天线馈线（8）进入第一腔体的通道，顶层空气介质腔中设有阵列于上下两个金属地板（6）之间、用于散热的导热柱（7）。

6.如权利要求1所述的一种有源相控阵天线自诊断修复装置，其特征在于：硅芯片组件（2）接收通道上集成了实现接收通道射频链路增益为30dB和噪声系数4.5dB、实现6位数字移相和6位增益衰减的低噪放（14）和幅相芯片（15）；它的发射通道集成了实现发射通道射频链路增益为25dB和通道发射功率P_-1dB=15dBm、实现6位数字移相和6位增益衰减的功放（18）和幅相芯片（17）。

7.如权利要求1所述的一种有源相控阵天线自诊断修复装置，其特征在于：硅芯片组件（2）主要包括相连天线单元（1）的第一环形器（13）和相连功率分配合成网络模块（3）的第二环形器（16），第一环形器（13）顺次通过低噪放（14）、幅相芯片（15）、第二环形器（16）、幅相芯片（17）和功放（18）组成的环路电路，实现全双工工作。

8.如权利要求7所述的一种有源相控阵天线自诊断修复装置，其特征在于：当硅芯片组件（2）工作于工作频率为25GHz~30GHz、射频信号从功率分配合成网络模块（3）经过环形器（16）时，在控制修复模块（4）的控制下，将计算出来的幅/相码发送给幅相芯片（17）实现射频信号移相，再经功放（18）进行射频信号放大、经第一环形器（13）将射频信号发送给天线单元（1），最终通过天线单元（1）组成的阵列实现射频信号在指定方向上的空间功率合成；当射频信号从天线单元（1）经过第一环形器（13）时，进入低噪放（14）实现射频信号放大，接着在控制修复模块（4）的控制下，将计算出来的幅/相码发送给幅相芯片（15）实现射频信号移相，经第二环形器（16）将射频信号传送至功率分配合成网络模块（3），实现射频信号的接收。

9.如权利要求1所述的一种有源相控阵天线自诊断修复装置，其特征在于：控制修复模块（4）集成了围绕FPGA芯片（20）连接的缓冲寄存器（19）、刷新控制电路（21）、AD芯片（22）、缓冲寄存器（25）和给有源相控阵天线所有元器件供电的电源模块（23），用户终端送过来的控制信号经控制信号线（11）进入缓冲寄存器（19）后进入FPGA芯片（20），计算硅芯片组件（2）每个射频通道所需的幅/相码，再经缓冲寄存器（25）输出给硅芯片组件（2），实现有源相控阵天线的波束赋形和扫描；电源模块（23）的输入总电流经过AD芯片（22）实时监测和数字采样后、发送给FPGA芯片（20）进行工作状态故障诊断，若输入总电流值增大10%以上或减小10%以上，甚至输入总电流值不能数字采样时，相连存储芯片（24）的刷新控制电路（21）将重新自启动电源模块（23），并将存储芯片（24）里预存的有源相控阵天线初始信息赋值给具备输入电流监测、故障自诊断、性能自修复功能的FPGA芯片（20），进行有源相控阵天线工作状态的刷新和自修复。

10.如权利要求1所述的一种有源相控阵天线自诊断修复装置，其特征在于：当有源相控阵天线工作于25GHz~30GHz、阵列规模取为16×20时，控制修复模块（4）里的FPGA芯片（20）接到控制信号线（11）、经缓冲寄存器（19）送来的用户指令信息后，对硅芯片组件（2）每个射频通道所需的幅/相码进行计算，将实时计算的幅/相码发送给接收的幅相芯片（15）和作为发射的幅相芯片（17），实现全双工有源相控阵天线的波束赋形和快速扫描，同时FPGA芯片（20）对AD芯片（22）进行控制，实现AD芯片（22）对电源模块（23）的输入总电流的实时监测和数字采样，并传送给FPGA芯片（20）进行数据分析和故障诊断。

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