CN110739544A - 一种超宽带共形相控阵天线波束控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带共形相控阵天线波束控制系统及方法，该系统包括上位机、波控机、功分器、共形相控阵天线和矢网；波控机的第一输入端与上位机连接，根据信息指令计算生成控制信号；功分器的第一输入端与波控机的输出端连接，生成组合后的控制信号；共形相控阵天线的输入端与功分器的第一输出端连接，输出端与功分器的第二输入端连接，进行移相设置，接收空间叠加的回波信号；矢网的输入端与功分器的第二输出端连接，接收功分器传输的回波信号。此系统解决了分布在非平面载体上的共形相控阵天线多波束指向控制的问题，实时改变了天线的主波束指向空间的不同方向，实现了共形相控天线波束在空域中的快速、大宽域、高精度的电子扫描。

Description

一种超宽带共形相控阵天线波束控制系统及方法

技术领域

本发明涉及相控阵天线技术领域，具体涉及一种超宽带共形相控阵天线波束控制系统及方法。

背景技术

现代科技战争对雷达导引系统的要求越来越高，在对目标搜索、截获与跟踪过程中要达到快速精准无误差。随着电子对抗技术的发展和外空间目标探测控制技术的工作体制进一步提升，对精确制导武器在复杂环境下的任务适应能力提出更高的要求。为了增强对目标的精度测量、高分辨能力，增强在杂波中的能见度，弹载雷达对目标的测量、分辨能力、杂波中能见度等指标，在很大程度上取决于雷达的工作体制。对于日益复杂的战场环境及密集杂波、多目标背景等挑战，单一固定的工作体制在环境发生变化时，已难以获得理想效果，因此必须发展新的雷达工作体制来适应未来空中作战模式。

共形相控阵天线是一种可以与载体外形保持“共形”的天线阵，可以根据载体的不同位置分布不同带宽的阵列单元，共形阵比平面阵具有很大的优势，合理的外形设计能够使整部相控阵雷达系统完成全空域360°的快速相控电扫，实现超宽频带的扫描侦察。相比于平面相控阵天线，共形相控阵天线分析综合更为复杂，要对共形相控阵天线方向图进行综合考虑，在设计的初试阶段还要考虑好形状、阵列单元的形式以及分布情况。共形相控阵天线由于是与载体平台共形的，载体形状可以多样化，必须基于载体形状建立一种适合共形相控阵天线波束指向控制的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种超宽带共形相控阵天线波束控制系统及方法。此系统和方法旨在解决分布在非平面载体上的共形相控阵天线进行多波束指向控制的问题，实时改变天线的主波束指向空间的不同方向，实现共形相控天线波束在空域中的快速、大宽域、高精度的电子扫描。

为达到上述目的，本发明提供了一种超宽带共形相控阵天线波束控制系统，该系统包括：

上位机，发送天线波束的信息指令；

波控机，其第一输入端与上位机连接，接收上位机发送的天线波束的信息指令，并根据上位机发送的天线波束的信息指令进行计算，生成控制信号；

功分器，其第一输入端与波控机的输出端连接，将控制信号进行组合，生成组合后的控制信号；

共形相控阵天线，其输入端与功分器的第一输出端连接，输出端与功分器的第二输入端连接，接收组合后的控制信号进行移相设置，发射辐射信号，并接收空间叠加的回波信号，传输回功分器；

矢网，其输入端与功分器的第二输出端连接，接收功分器传输的回波信号；矢网通过发射出射频信号对共形相控阵天线的天线波束进行初始配相，并接收反射信号作为参考信号，并统计回波信号中的共形相控阵天线的天线波束信息，与参考信号进行对比验证，判断共形相控阵天线的天线波束的指向控制是否合格。

最优选的，该系统还包括机械转台和电源；机械转台设置在共形相控阵天线的下方，与矢网连接，使得共形相控阵天线可转动发射和接收空间上的信号；电源的输出端与波控机的第二输入端连接。

最优选的，机械转台还包括转台和转台控制器；转台设置在共形相控阵天线下方；转台控制器输入端与矢网连接，输出端与转台连接，实时控制转台的转动方位。

最优选的，波控机包括：

FPGA电路，其第一输入端与上位机连接，接收上位机发送的天线波束的信息指令并根据上位机发送的天线波束的信息指令进行逻辑运算，生成每个阵元对应的波束控制数码；

FLASH存储器，其输出端与FPGA电路的第二输入端连接，脱机存储各阵元主波束的初始配相码，将脱机存储的各阵元主波束的初始配相码与每个阵元对应的波束控制数码进行对应迭加，生成迭加后的波束控制数码；

驱动电路，其输入端与FPGA电路的输出端连接，输出端与功分器连接，将迭加后的波束控制数码进行驱动控制，生成控制信号，并传输至功分器；

电源转换电路，其输入端与电源连接，第一输出端、第二输出端和第三输出端分别与FPGA电路、FLASH存储器和驱动电路连接，用以供电。

最优选的，共形相控阵天线还包括天线阵面、移相器和设置在天线阵面上的第一收发组件；天线阵面的输入端与功分器的第一输出端连接，输出端与所述功分器的第二输入端连接，接收组合后的控制信号，并传输回波信号；移相器与天线阵面连接，对组合后的控制信号进行移相设置；第一收发组件在机械转台的作用下向空间内发射辐射信号，并接收空间内叠加的回波信号。

最优选的，矢网上还设置有第二收发组件，通过第二收发组件对所述共形相控阵天线的天线波束进行初始配相，自主发射出射频信号并接收反射信号作为参考信号。

最优选的，上位机发送的天线波束的信息指令为天线波束的方位和俯仰指向。

本发明还提供了一种超宽带共形相控阵天线波束控制方法，该方法是基于超宽带共形相控阵天线波束控制系统实现的，包括以下步骤：

步骤1：通过矢网对共形相控阵天线的天线波束进行初始配相，自主发射出射频信号并接收反射信号作为参考信号；

步骤2：将上位机发送的天线波束的指令信息传输至波控机进行计算，生成控制信号；

步骤3：将控制信号通过功分器进行组合，生成组合后的控制信号；

步骤4：将组合后的控制信号传输至共形相控阵天线进行移相控制，并将移相控制后的信号作为辐射信号发射出去，在机械转台的作用下接收空间叠加的回波信号；

步骤5：将回波信号通过功分器传输至矢网，与参考信号进行对比验证，判断共形相控阵天线的天线波束的指向控制是否合格。

最优选的，计算还包括以下步骤：

步骤2.1：上位机发送的天线波束的指令信息通过FPGA电路进行逻辑运算，生成每个阵元对应的波束控制数码；

步骤2.2：将每个阵元对应的波束控制数码与FLASH存储器中脱机存储的各阵元主波束的初始配相码进行对应迭加，生成迭加后的波束控制数码；

步骤2.3：迭加后的波束控制数码通过驱动电路进行驱动控制，生成驱动信号。

最优选的，逻辑运算包括以下步骤：

步骤2.1.1：以某一阵元所在空间点的坐标为坐标原点，获取所述天线阵面的曲面坐标，建立所述天线阵面上第i个天线单元的坐标到坐标原点的距离矢量r_i(i＝0,1,2……,N-1)，且满足：

其中，

为直角坐标系的单位矢量，x_i，y_i，z_i为距离矢量r_i在x，y，z三个坐标轴上的投影；则天线单元与目标距离采用极坐标可表示为

其中，θ，

分别为天线波束目标指向的方位和俯仰角；

步骤2.1.2：根据所述距离矢量r_i计算出第i个天线单元的补偿相位差；所述补偿相位差为

且满足：

其中，λ为信号波长；

步骤2.1.3：所述移相器的移相位数为k，所述移相器对应的最小计算移相量为

且满足：

且根据所述补偿相位差和所述最小计算移相量

计算得出第i个天线单元的波束控制数码

且满足：

运用此发明，解决了分布在非平面载体上的共形相控阵天线进行多波束指向控制的问题，实时改变了天线的主波束指向空间的不同方向，实现了共形相控天线波束在空域中的快速、大宽域、高精度的电子扫描。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明系统解决了分布在非平面载体上的共形相控阵天线进行多波束指向控制的问题。

2、本发明系统实现了共形相控天线波束在空域中的快速、大宽域、高精度的电子扫描。

附图说明

图1为本发明提供的共形相控阵天线波束控制系统的结构示意图；

图2为本发明提供的波控机的结构示意图；

图3为本发明提供的共形相控阵天线的结构示意图；

图4为本发明提供的平面相控阵几何示意图；

图5为本发明提供的共形相控阵天线阵面的几何位置示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。

本发明是一种超宽带共形相控阵天线波束控制系统，如图1所示，该系统包括上位机1、波控机2、功分器3、共形相控阵天线4、矢网5、机械转台和电源7。

上位机1发送天线波束的信息指令；波控机2的第一输入端与上位机1连接，接收上位机1发送的天线波束的信息指令，并根据上位机1发送的天线波束的信息指令进行计算，生成控制信号；功分器3的第一输入端与波控机2的输出端连接，将控制信号进行组合，生成组合后的控制信号；共形相控阵天线4的输入端与功分器3的第一输出端连接，输出端与功分器3的第二输入端连接，接收组合后的控制信号进行移相设置，发射辐射信号，并接收空间叠加的回波信号，传输回功分器3；矢网5的输入端与功分器3的第二输出端连接，接收功分器3传输的回波信号；矢网5还通过发射出射频信号对共形相控阵天线4的天线波束进行初始配相，并接收反射信号作为参考信号，并统计回波信号中的天线波束信息，与参考信号进行对比验证，判断共形相控阵天线4的天线波束的指向控制是否合格；机械转台设置在共形相控阵天线4的下方，与矢网5连接，使得共形相控阵天线4可转动发射和接收空间上的信号；电源7的输出端与波控机2的第二输入端连接，用以供电；波控机2的输出端还通过微波环形器6与功分器3的第一输入端连接。

机械转台还包括转台8和转台控制器9；转台8设置在共形相控阵天线4下方；转台控制器9的输入端与矢网5连接，输出端与转台8连接，实时控制转台8的转动方位。

如图2所示，波控机2包括：现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable GateArray,FPGA)电路10、闪存(FLASH)存储器11、驱动电路12和电源转换电路13。

FPGA电路10的第一输入端与上位机1连接，接收上位机1发送的信息指令并根据上位机1发送的信息指令进行逻辑运算，生成每个阵元对应的波束控制数码；上位机1发送的天线波束的信息指令为天线波束的方位和俯仰指向；

FLASH存储器11的输出端与FPGA电路10的第二输入端连接，脱机存储各阵元主波束的初始配相码，将脱机存储各阵元主波束的初始配相码与每个阵元对应的波束控制数码进行对应迭加，生成迭加后的波束控制数码；FLASH存储器11中的ROM表用以脱机存储各阵元波束的指向控制的相移量，在波控机2工作时能够快速读取。

驱动电路12的输入端与FPGA电路10的输出端连接，输出端与功分器3连接，将迭加后的波束控制数码进行驱动控制，生成控制信号，并传输至功分器3。

电源转换电路13的输入端与电源7连接，第一输出端、第二输出端和第三输出端分别与FPGA电路10、FLASH存储器11和驱动电路12连接，用以供电。

如图3所示，共形相控阵天线4还包括天线阵面15、移相器16和设置在天线阵面15上的第一收发组件14；天线阵面15的输入端与功分器3的第一输出端连接，输出端与功分器3的第二输入端连接，接收组合后的控制信号，并传输回波信号；移相器16与天线阵面15连接，对组合后的控制信号进行移相设置；第一收发组件14在机械转台的作用下向空间内发射辐射信号，并接收空间内叠加的回波信号；移相器16为数字移相器，移相位数为6位，最小移向角度为5.625°，且数字移相器16的移相位数会影响天线波束的指向精度，根据不同频段的共形相控阵天线4进行选择。

共形相控阵天线4的位置分布是多样的，为实现超宽带的共形相控阵天线，可以在载体外形位置处分布不同频段的阵元，使整个阵面的带宽实现超宽域，对不同频段的阵元可采用的不同种类的第一收发组件14。

矢网5上还设置有第二收发组件，通过第二收发组件对共形相控阵天线的天线波束进行初始配相，自主发射出射频信号并接收反射信号作为参考信号。

本发明还包括一种超宽带共形相控阵天线波束控制方法，该方法是基于超宽带共形相控阵天线波束控制系统实现的，测试试验在微波暗室中进行，测试系统原理如图2所示，第二收发组件与共形相控阵天线4的远场测试距离大于10米，共形相控阵天线4中平面阵的前视面为天线正面，天线正面与第二收发组件正面的法向中心采用激光校准方式进行对准。该方法包括以下步骤：

步骤1：通过矢网5对共形相控阵天线4的天线波束进行初始配相，自主发射出射频信号并接收反射信号作为参考信号；初始配相是根据共形相控阵天线4的分布特点进行的，将圆形阵和平面阵分开，三个相同的第二收发组件17如图1分布，围绕在天线阵面原点的一个半径大于10m的同心圆上面，其中一个第二收发组件17-1对平面阵进行配相，另外两个第二收发组件17-2和17-3分别对圆形阵进行配相。

对每个天线单元的相位按照预置的天线波束扫描指向进行初始配相，天线的主波束是配相码和波束扫描指向方向进行同相迭加形成的；随着波束控制数码的改变，共形相控阵天线4的主波束就随之而变，指向空间的不同方向，从而实现天线波束在空域中的电子扫描。

步骤2：将上位机1通过串行的方式发送的天线波束的指令信息传输至波控机2进行计算，生成控制信号；其中，接收到天线波束的方位和俯仰指向，波控机2在2.5ms内快速响进行计算；波控机2中的计算采用查表与逻辑运算并行计算的方法实现波束指向的快速扫描和切换，具体包括以下步骤：

步骤2.1：上位机1发送的天线波束的指令信息通过FPGA电路10中进行逻辑运算，生成每个阵元对应的波束控制数码；其中，逻辑运算又包括以下步骤：

步骤2.1.1：在选取参考阵元或坐标原点时，为减小每个阵元对应的波束控制数码的计算难度，应考虑坐标原点的选取为共形相控阵天线4的天线阵面15的物理中心，使共形相控阵天线4的天线阵元对称的位置；

一个圆柱形阵和平面阵组合成的共形相控阵4的天线波束的扫描范围为-180°～+180°；天线阵面15上的平面阵和圆形阵均可独立工作；其中的平面阵可划分为多个子阵，每个独立工作的子阵分布不同波段的有源相控阵天线，圆柱形阵均匀分布同波段的相控阵天线；

选取平面阵为参考平面，平面阵的空间中心点的坐标为坐标原点O，圆柱形阵和平面阵平面建立坐标系，获取共形相控阵天线中天线阵面的曲面坐标，圆柱形阵的孔径半径为R，与平面阵的轴向距离为D，如图4所示，建立天线阵面上第i个天线单元的坐标到坐标原点的距离矢量r_i(i＝0,1,2……,N-1)，且满足：

其中，

为直角坐标系的单位矢量，x_i，y_i，z_i为距离矢量r_i在x，y，z三个坐标轴上的投影；则天线单元与目标距离采用极坐标可表示为

其中，θ，

分别为天线波束目标指向的方位和俯仰角。

步骤2.1.2：不同于线阵和平面阵，共形相控阵天线4的每个天线单元间的相位关系不仅与天线波束的最大值指向有关，还与每个单元的坐标位置有关，在对每一个阵元进行单独计算其波束控制数码时，必须补偿每个阵元的坐标位置的移相量，则补偿第i个天线单元波束控制码补偿的相位差，能够使得天线波束实现最大指向；

如图5所示，根据第i个天线单元的坐标到坐标原点的距离矢量r_i计算出第i个天线单元的补偿相位差；补偿相位差为

且满足：

其中，λ为信号波长。

步骤2.1.3：共形相控阵天线4的天线波束指向取决于天线阵面15上各天线单元之间通过信号的相位差，通过改变各天线单元的移相器16的移相量实现对天线波束指向的控制；共形相控阵天线4在计算波束控制数码时，相当于平面阵相位差加同轴时间差，共形相控阵天线4的波束控制数码需同时进行补偿；

共形相控阵天线4中的移相器16的移相位数为k，移相器对应的最小计算移相量为

且满足：

且根据补偿相位差

和最小计算移相量

计算得出第i个天线单元的波束控制数码

且满足：

由于信号的相位差与频率成线性关系，所以共形相控阵天线4的天线波束控制数码在不同频段也成线性关系。

步骤2.2：将每个阵元对应的波束控制数码与FLASH存储器11中脱机存储各阵元主波束的初始配相码进行对应迭加，生成迭加后的波束控制数码；

步骤2.3：迭加后的波束控制数码通过驱动电路12进行驱动控制，生成驱动信号。

步骤3：将控制信号通过功分器3进行组合，生成组合后的控制信号。

步骤4：将组合后的控制信号以一定的速率通过串行通信的方式传输至共形相控阵天线4进行移相控制，并将移相控制后的信号作为辐射信号在机械转台的作用下发射出去，并接收空间叠加的回波信号。

步骤5：将回波信号通过功分器3传输至矢网，与参考信号进行对比验证，判断共形相控阵天线4的天线波束的指向控制是否合格。

本发明的工作原理：

对共形相控阵天线的天线波束进行初始配相，矢网自主发射出射频信号并接收反射信号作为参考信号；将上位机发送的天线波束的指令信息传输至波控机进行计算，生成控制信号；将控制信号通过功分器进行组合，生成组合后的控制信号；将组合后的控制信号传输至共形相控阵天线进行移相控制，并将移相控制后的信号作为辐射信号发射出去，在机械转台的作用下接收空间叠加的回波信号；将回波信号通过功分器传输至矢网，与参考信号进行对比验证，判断共形相控阵天线的天线波束的指向控制是否合格。

综上所述，本发明解决了分布在非平面载体上的共形相控阵天线进行多波束指向控制的问题，实时改变了天线的主波束指向空间的不同方向，实现了共形相控天线波束在空域中的快速、大宽域、高精度的电子扫描。

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 (10)

1.一种超宽带共形相控阵天线波束控制系统，其特征在于，包括：

上位机，发送天线波束的信息指令；

波控机，其第一输入端与所述上位机连接，接收所述上位机发送的天线波束的信息指令，并根据所述信息指令进行计算，生成控制信号；

功分器，其第一输入端与所述波控机的输出端连接，将所述控制信号进行组合，生成组合后的控制信号；

共形相控阵天线，其输入端与所述功分器的第一输出端连接，输出端与所述功分器的第二输入端连接，接收所述组合后的控制信号进行移相设置，发射辐射信号，并接收空间叠加的回波信号，传输回所述功分器；

矢网，其输入端与所述功分器的第二输出端连接，接收所述功分器传输的所述回波信号；所述矢网通过发射出射频信号对共形相控阵天线的天线波束进行初始配相，并接收反射信号作为参考信号，并统计所述回波信号中的共形相控阵天线的天线波束信息，与所述参考信号进行对比验证，判断所述共形相控阵天线的天线波束的指向控制是否合格。

2.如权利要求1所述的超宽带共形相控阵天线波束控制系统，其特征在于，该系统还包括机械转台和电源；所述机械转台设置在所述共形相控阵天线的下方，与所述矢网连接，使得共形相控阵天线可转动发射和接收空间上的信号；所述电源的输出端与所述波控机的第二输入端连接。

3.如权利要求2所述的超宽带共形相控阵天线波束控制系统，其特征在于，所述机械转台还包括转台和转台控制器；所述转台设置在所述共形相控阵天线下方；所述转台控制器输入端与所述矢网连接，输出端与所述转台连接，实时控制所述转台的转动方位。

4.如权利要求3所述的超宽带共形相控阵天线波束控制系统，其特征在于，所述波控机包括：

FPGA电路，其第一输入端与所述上位机连接，接收所述信息指令并根据所述信息指令进行逻辑运算，生成每个阵元对应的波束控制数码；

FLASH存储器，其输出端与所述FPGA电路的第二输入端连接，脱机存储各阵元主波束的初始配相码，将所述初始配相码与所述波束控制数码进行对应迭加，生成迭加后的波束控制数码；

驱动电路，其输入端与所述FPGA电路的输出端连接，输出端与所述功分器连接，将所述迭加后的波束控制数码进行驱动控制，生成控制信号，并传输至所述功分器；

电源转换电路，其输入端与所述电源连接，第一输出端、第二输出端和第三输出端分别与所述FPGA电路、FLASH存储器和驱动电路连接，用以供电。

5.如权利要求4所述的超宽带共形相控阵天线波束控制系统，其特征在于，所述共形相控阵天线还包括天线阵面、移相器和设置在所述天线阵面上的第一收发组件；所述天线阵面的输入端与所述功分器的第一输出端连接，输出端与所述功分器的第二输入端连接，接收所述组合后的控制信号，并传输回波信号；所述移相器与所述天线阵面连接，对所述组合后的控制信号进行移相设置；所述第一收发组件在所述机械转台的作用下向空间内发射辐射信号，并接收空间内叠加的回波信号。

6.如权利要求5所述的超宽带共形相控阵天线波束控制系统，其特征在于，所述矢网上还设置有第二收发组件，通过所述第二收发组件对所述共形相控阵天线的天线波束进行初始配相，自主发射出射频信号并接收反射信号作为参考信号。

7.如权利要求1所述的超宽带共形相控阵天线波束控制系统，其特征在于，所述信息指令为天线波束的方位和俯仰指向。

8.一种超宽带共形相控阵天线波束控制方法，其特征在于，该方法是基于权利要求1-7中任意一项所述的超宽带共形相控阵天线波束控制系统实现的，包括以下步骤：

步骤1：通过所述矢网对所述共形相控阵天线的天线波束进行初始配相，自主发射出射频信号并接收反射信号作为参考信号；

步骤2：将所述上位机发送的天线波束的指令信息传输至所述波控机进行计算，生成控制信号；

步骤3：将控制信号通过所述功分器进行组合，生成组合后的控制信号；

步骤4：将所述组合后的控制信号传输至所述共形相控阵天线进行移相控制，并将移相控制后的信号作为辐射信号发射出去，在机械转台的作用下接收空间叠加的回波信号；

步骤5：将所述回波信号通过所述功分器传输至所述矢网，与所述参考信号进行对比验证，判断所述共形相控阵天线的天线波束的指向控制是否合格。

9.如权利要求8所述的超宽带共形相控阵天线波束控制方法，其特征在于，所述计算还包括以下步骤：

步骤2.1：所述指令信息通过所述FPGA电路进行逻辑运算，生成每个阵元对应的波束控制数码；

步骤2.2：将所述波束控制数码与所述FLASH存储器中存储的所述初始配相码进行对应迭加，生成迭加后的波束控制数码；

步骤2.3：所述迭加后的波束控制数码通过所述驱动电路进行驱动控制，生成驱动信号。

10.如权利要求9所述的超宽带共形相控阵天线波束控制方法，其特征在于，所述逻辑运算包括以下步骤：

步骤2.1.1：以某一阵元所在空间点的坐标为坐标原点，获取所述天线阵面的曲面坐标，建立所述天线阵面上第i个天线单元的坐标到坐标原点的距离矢量r_i(i＝0,1,2……,N-1)，且满足：

其中，

为直角坐标系的单位矢量，x_i，y_i，z_i为距离矢量r_i在x，y，z三个坐标轴上的投影；则天线单元与目标距离采用极坐标可表示为

其中，θ，

分别为天线波束目标指向的方位和俯仰角；

步骤2.1.2：根据所述距离矢量r_i计算出第i个天线单元的补偿相位差；所述补偿相位差为

且满足：

其中，λ为信号波长；

步骤2.1.3：所述移相器的移相位数为k，所述移相器对应的最小计算移相量为

且满足：

且根据所述补偿相位差

和所述最小计算移相量计算得出第i个天线单元的波束控制数码且满足：

Images