CN111580434A - 一种波束控制系统及相控阵雷达天线 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种波束控制系统及相控阵雷达天线。该系统包括FPGA模块，用于将接收到的天线信号转换为一预设信息，并发送该预设信息；用于接收波控码并进行传输；用于完成天线阵面时序的生成，以及对天线阵面进行监测；DSP模块，与所述FPGA模块通过第一接口模块进行连接，并通过该第一接口模块接收所述FPGA模块发送的预设信息，以根据该预设信息进行计算并生成相应的所述波控码，并将该波控码传输至所述FPGA模块中；驱动模块，用于将所述FPGA模块发送的波控码进行分组，并驱动送至所述天线阵面，并获取该天线阵面的回传数据发送至所述FPGA模块。本发明实施例在实现相控阵雷达天线高度集成的同时提高了天线状态置换的速度，并在整机雷达中实现中控调度功能。

Description

一种波束控制系统及相控阵雷达天线

技术领域

本发明实施例涉及相控阵雷达天线技术领域，尤其涉及一种波束控制系统及相控阵雷达天线。

背景技术

相控阵雷达天线技术有很多优势，如天线波束快速扫描能力，天线波束形状的捷变能力，空间功率合成能力，多波束扫描能力等。随着有源相控阵雷达技术的发展，涌现出了越来越多的大型相控阵雷达，雷达的阵元数量也逐步增多，随之对波控系统的数据传输能力和处理能力也有了更高的要求。

波束控制系统从接收到总站计算机的信息，到波控码的计算和传输，再到阵面T/R组件置位的时间的长短是其性能的重要体现。但是，在现有的方案中，雷达系统的各个模块之间连接复杂，造成了调试周期长，开发成本高等问题。因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。

需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种波束控制系统及相控阵雷达天线，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种波束控制系统，用于相控阵雷达天线的波束控制，该系统包括：

FPGA模块，用于将接收到的天线信号转换为一预设信息，并发送该预设信息；用于接收波控码并进行传输；用于完成天线阵面时序的生成，以及对天线阵面进行监测；

DSP模块，与所述FPGA模块通过第一接口模块进行连接，并通过该第一接口模块接收所述FPGA模块发送的预设信息，以根据该预设信息进行计算并生成相应的所述波控码，并将该波控码传输至所述FPGA模块中；

其中，所述DSP模块通过第二接口模块向所述FPGA模块传输所述波控码；

驱动模块，用于将所述FPGA模块发送的波控码进行分组，并驱动送至所述天线阵面，并获取该天线阵面的回传数据发送至所述FPGA模块；

其中，该驱动模块能够根据天线频段的不同对其中的微带部分进行预设调整。

本发明的一实施例中，所述驱动模块为信号板与微带板做成的混合电路板，且该驱动模块包括驱动芯片，用于将所述波控码驱动至所述天线阵面。

本发明的一实施例中，该系统还包括光通信模块，所述FPGA模块通过该光通信模块进行所述预设信息的交换，以及用于发送所述波控码。

本发明的一实施例中，所述第一接口模块为SRIO接口模块；所述第二接口模块为EMIF接口模块；和/或，各所述SRIO接口模块之间通过VPX高速连接器连接。

本发明的一实施例中，所述FPGA模块通过高速连接器分别与数据采集卡、信号处理卡和总站计算机进行连接。和/或，FPGA模块通过GXB接口模块接收采样信号，并对该采样信号进行下变频处理后经所述SRIO接口模块传送至DSP模块。

本发明的一实施例中，所述FPGA模块通过低频连接器将生成的天线阵面时序信号和监测信号传送至所述驱动模块。

本发明的一实施例中，所述FPGA模块通过SPI接口模块将波控码传输至驱动模块进行分组。

本发明的一实施例中，所述FPGA模块通过RS485接口模块控制传感器，并通过RS422接口模块控制伺服系统；和/或，所述FPGA模块通过LVDS接口模块为频综提供控制时序及预设数据。

本发明的一实施例中，所述DSP模块以TMS320C6678芯片为核心芯片；所述FPGA模块以XC7VX485T芯片为核心芯片。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种相控阵雷达天线，该相控阵雷达天线包括上述的波束控制系统。

本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明的实施例中，根据本实施例提供的波束控制系统，通过FPGA模块、DSP模块以及驱动模块之间的配合使用，使得雷达天线系统更加小型化、轻量化；通过各接口模块的设置，使得该波束控制系统高度集成，调试方便，响应速度快，方便移植；同时也使该系统具有高速的数据传输能力和处理能力，也在整机雷达中实现了中控调度的功能。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本发明示例性实施例中波束控制系统框图；

图2示出本发明示例性实施例中波束控制系统FPGA+DSP模块结构示意图；

图3示出本发明示例性实施例中波束控制系统程序流程图；

图4示出本发明示例性另一实施例中波束控制系统程序流程图；

图5示出本发明示例性实施例中混合电路板的信号传输网络层次示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本发明实施例的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。

本示例实施方式中首先提供了一种波束控制系统。参考图1中所示，该装置用于相控阵雷达天线的波束控制，该系统可以包括：FPGA模块100、DSP模块200和驱动模块300。

所述FPGA模块100用于将接收到的天线信号转换为一预设信息，并发送该预设信息；用于接收波控码并进行传输；用于完成天线阵面时序的生成，以及对天线阵面进行监测；所述DSP模块200与所述FPGA模块100通过第一接口模块进行连接，并通过该第一接口模块接收所述FPGA模块100发送的预设信息，以根据该预设信息进行计算并生成相应的所述波控码，并将该波控码传输至所述FPGA模块100中；其中，所述DSP模块200通过第二接口模块向所述FPGA模块100传输所述波控码；所述驱动模块300用于将所述FPGA模块100发送的波控码进行分组，并驱动送至所述天线阵面，并获取该天线阵面的回传数据发送至所述FPGA模块100；其中，该驱动模块300能够根据天线频段的不同对其中的微带部分进行预设调整。

根据本实施例提供的波束控制系统，通过FPGA模块100、DSP模块200以及驱动模块300之间的配合使用，使得雷达天线系统更加小型化、轻量化；通过各接口模块的设置，使得该波束控制系统高度集成，调试方便，响应速度快，方便移植；同时也使该系统具有高速的数据传输能力和处理能力，也在整机雷达中实现了中控调度的功能。

下面，将参考图1至图5对本示例实施方式中的上述波束控制系统的各个部分进行更详细的说明。

在一个实施例中，所述FPGA模块100用于将接收到的天线信号转换为一预设信息，并发送该预设信息；用于接收波控码并进行传输；用于完成天线阵面时序的生成，以及对天线阵面进行监测。

示例的，如图3所示，所述FPGA模块100内包括状态监测模块，信息转换、数字下变频模块以及存储器读写模块，以及各种接口模块，例如GXB接口模块、LVDA接口模块、SRIO接口模块和SPI接口模块，上述各接口模块一般通过高速连接器与其他模块进行连接通信。例如FPGA模块100分别引出4组4×SRIO接口模块连接到VPX高速连接器，引出16×GXB接口模块连接到LPC高速连接器，引出1组RS422串口、RS485串口，14×LVDS总线到J30J低频连接器，引出1组天线阵面时序信号和监测信号到J30J低频连接器，并传送到驱动模块300。在一个示例中，所述FPGA模块100通过高速连接器分别与数据采集卡、信号处理卡和总站计算机进行连接。和/或，FPGA模块100通过GXB接口模块接收采样信号，并对该采样信号进行下变频处理后经所述SRIO接口模块传送至DSP模块200。具体的，FPGA模块100通过LPC高速连接器可将接收到的采样信号进行数字下变频转换为上述预设信息，该预设信息可以为雷达天线的指向、控制信息，并将该信息通过SRIO接口模块传送至DSP模块进行计算处理；FPGA模块还通过VPX高速连接器与信号处理卡、总站计算机连接，以能够及时的接收或发送信息；FPGA模块还通过RS422连接伺服系统，以及通过RS485连接传感器。并通过LVDS接口模块连接频综。在这种连接模式下，能够使波束控制系统高度集成，调试方便，响应速度快，而且方便移植。

另外，在一个示例中，所述FPGA模块100通过低频连接器将生成的天线阵面时序信号和监测信号传送至所述驱动模块300。具体的，时序控制、阵面监测在FPGA模块100完成，示例的，本系统主控板FPGA模块100选用XC7VX485T为核心控制芯片，本芯片为Xilinx公司的Virtex-7系列的FPGA，工作频率可达200MHz，用于完成天线时序的生成，天线状态监测，例如对电源、T/R组件、风机、温度状态等的监测。FPGA模块100通过EMIF接口发送波控码，接收回传波控码，采用的是SPI传输到驱动模块300后送至天线阵面；通过GXB接口接收采样信号并进行下变频处理后，经SRIO接口送到信号处理机；通过RS485接口控制倾角传感器；通过RS422接口控制伺服系统；通过LVDS接口为频综提供控制时序和数据。FPGA模块100进行波控码、时序的分组分发、数字下变频、天线阵面电源状态监测、温度检测、T/R组件数传检测，该FPGA模块的设置能够在一定程度上提高波束控制系统的集成度以及响应速度。

在一个实施例中，所述DSP模块200与所述FPGA模块100通过第一接口模块进行连接，并通过该第一接口模块接收所述FPGA模块100发送的预设信息，以根据该预设信息进行计算并生成相应的所述波控码，并将该波控码传输至所述FPGA模块100中；其中，所述DSP模块200通过第二接口模块向所述FPGA模块100传输所述波控码。

示例的，如图3所示，DSP模块200包括存储器读写模块、相位计算模块及DBF系数计算模块。采用DSP模块200根据指向和频率计算生成相应的波控码，若对置换时间要求不高，同时也可做计算DBF系数，DBF即数字波束形成技术，通过采用数字信号处理技术对阵列天线接收到的信号进行处理，能够极大地提高雷达系统的抗干扰能力；在一个示例中，所述DSP模块200以TMS320C6678芯片为核心芯片。具体，本系统主控板DSP模块200选用TMS320C6678为核心控制芯片，集成了8个高性能定点/浮点CPU内核，每个内核最高工作频率可达1.25GHz，同时具有丰富的外设，可以支持实现内核与存储器存取的直接通信，使得计算传输256个T/R组件的波控码可控制在100μs以内；若在天线状态置位时间充裕的情况下，DSP模块200可以兼做DBF计算。

另外，在一个示例中，所述第一接口模块为SRIO接口模块；所述第二接口模块为EMIF接口模块；和/或，各所述SRIO接口模块之间通过VPX高速连接器连接。具体的，DSP模块200和FPGA模块100在一个主控板上，他们之间通过第一接口模块，即SRIO接口互联，进行天线工作状态、指向数据的传递，同时两个模块之间通过第二接口模块，即EMIF接口传递T/R组件的控制码，为增加各SRIO接口模块的通信速度，将各SRIO接口模块之间通过VPX高速连接器连接，以在一定程度上提高波控系统的响应速度。

在一个实施例中，驱动模块300，用于将所述FPGA模块100发送的波控码进行分组，并驱动送至所述天线阵面，并获取该天线阵面的回传数据发送至所述FPGA模块100；其中，该驱动模块300能够根据天线频段的不同对其中的微带部分进行预设调整。

示例的，驱动模块300将波控码分组、驱动送至天线阵面，将T/R组件回传数据送回FPGA模块100。本装置的驱动模块300是加装驱动芯片、电容和低频连接器的母板。驱动芯片选用的是IDT公司的IDT74FCT164245TPVG，驱动模块300将时序信号、数据驱动后送至阵面的同时，将T/R组件回传的数据送回到FPGA模块100。

在一个示例中，所述驱动模块300为信号板与微带板做成的混合电路板，且该驱动模块300包括驱动芯片，用于将所述波控码驱动至所述天线阵面。

示例的，该驱动模块300可以和微带板及普通电路板一体合成为一混合电路板，即，可以在天线阵面T/R组件上直接接混合电路板，如图5所示，为该混合驱动板的信号传输网络的层次图，包括射频信号传输层、波束控制网络层及电源分配层，采用SMP盲插件进行盲插且无电缆连接的形式；该混合驱动板具有电信号驱动、电源分层传输和微波功率分配、合成及功率调配的功能，把天线部分的功分器集成到混合电路板上，做成宽带微带功分器，以在天线用在不同的频段时，对其进行微调。例如，当上述FPGA模块通过SPI接口模块传送过来T/R组件时序和波控码时，由混合电路板对时序信号进行驱动，完成1路信号可以并接24个T/R通道，T/R组件的微波信号可以通过两个SMP连接器直接盲插到驱动混合板上，接收的SMP连接器直接将微波信号送到采样卡，发射的SMP连接器的发射信号是混合电路板将频综发射激励信号经过功分后送到T/R组件。通过上述混合电路板的设置能够使得天线更集成化、小型化。

另外，集中式波束控制系统可使用的接口如图2所示，最下方为高速连接器VPX和LPC用于连接总站计算机、信号处理卡和采样卡，右侧为一个J30J插座用来传输SPI信号到天线阵面，一个J30J插座用来传输频综控制信号，上面的J30J插座用来控制伺服和传感器。采用本实施例的设计，可以实现相控阵雷达天线的高度集成的同时提高了天线状态置换的速度；也在整机雷达中实现了中控调度功能。

在一个示例中，该装置还包括光通信模块，所述FPGA模块100通过该光通信模块进行所述预设信息的交换，以及用于发送所述波控码。

示例的，如图4所示，本实施例应用于集成-分步式波束控制系统，本系统使用如图4所示主控板作为主机，主机用于接收总站工作状态和指向信息；本系统使用主控板作为从机，该从机为上述DSP模块，从机通过母板接收主机广播的时序、工作状态和指向数据，并进行实时计算波控码，并将波控码通过光通信模块即光纤传送到子阵单元控制器，该子阵单元控制器为上述FPGA模块，再由驱动板送至天线阵面。同时从机可监测阵面温度、电源、风机和T/R组件数据状态；本系统使用主控板作为子阵单元控制器，子阵单元控制器通过光纤接收波控码和时序信号，将波控码分组发送到驱动板，可减少接插件和线缆数量。驱动板将时序、数据驱动送至阵面，并将T/R组件回传数据送回从机。本实施例的主机与从机通过母板连接，主机向从机广播数据，从机向主机回传监测结果。本波束控制系统在集中-分布式波束控制时，可根据天线阵面单元数量选择从机、单元控制器数量。本实施例每个从机计算都是独立的，从机里的DSP模块200用于计算波控码，FPGA模块100主要用于实现接口功能。从机将计算的波控码送至单元控制器，单元控制器里的FPGA模块100用于分组发送波控码、时序到天线阵面。采用本实施例的设计，可以快速实现大型天线，大量阵元的波束控制，并减少线缆和接插件数量。

根据本实施例提供的波束控制系统，通过FPGA模块100、DSP模块200以及驱动模块300之间的配合使用，使得雷达天线系统更加小型化、轻量化；通过各接口模块的设置，使得该波束控制系统高度集成，调试方便，响应速度快，方便移植；同时也使该装置具有高速的数据传输能力和处理能力。而且该波束控制系统作为集中-分布式波控系统中的子阵部分的主控器，控制大型有源天线阵面阵元和进行阵面监测。

本示例实施方式中还提供了一种相控阵雷达天线。参考图1中所示，该相控阵雷达天线包括上述实施例中的波束控制系统，具体可参考上述实施例进行理解，在此不再赘述。

根据本实施例提供的相控阵雷达天线，可以包括集中式波束控制系统，使得雷达天线系统更加小型化、轻量化；也可以包括集中-分布式波控系统中的子阵部分的主控器，以控制大型有源天线阵面阵元和进行阵面监测。

需要理解的是，上述描述中的术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种波束控制系统，用于相控阵雷达天线的波束控制，其特征在于，该系统包括：

FPGA模块，用于将接收到的天线信号转换为一预设信息，并发送该预设信息；用于接收波控码并进行传输；用于完成天线阵面时序的生成，以及对天线阵面进行监测；

DSP模块，与所述FPGA模块通过第一接口模块进行连接，并通过该第一接口模块接收所述FPGA模块发送的预设信息，以根据该预设信息进行计算并生成相应的所述波控码，并将该波控码传输至所述FPGA模块中；

其中，所述DSP模块通过第二接口模块向所述FPGA模块传输所述波控码；

驱动模块，用于将所述FPGA模块发送的波控码进行分组，并驱动送至所述天线阵面，并获取该天线阵面的回传数据发送至所述FPGA模块；

其中，该驱动模块能够根据天线频段的不同对其中的微带部分进行预设调整。

2.根据权利要求1所述波束控制系统，其特征在于，所述驱动模块为信号板与微带板做成的混合电路板，且该驱动模块包括驱动芯片，用于将所述波控码驱动至所述天线阵面。

3.根据权利要求1所述波束控制系统，其特征在于，该系统还包括光通信模块，所述FPGA模块通过该光通信模块进行所述预设信息的交换，以及用于发送所述波控码。

4.根据权利要求1所述波束控制系统，其特征在于，所述第一接口模块为SRIO接口模块；所述第二接口模块为EMIF接口模块；和/或，各所述SRIO接口模块之间通过VPX高速连接器连接。

5.根据权利要求4所述波束控制系统，其特征在于，所述FPGA模块通过高速连接器分别与数据采集卡、信号处理卡和总站计算机进行连接；和/或，FPGA模块通过GXB接口模块接收采样信号，并对该采样信号进行下变频处理后经所述SRIO接口模块传送至DSP模块。

6.根据权利要求5所述波束控制系统，其特征在于，所述FPGA模块通过低频连接器将生成的天线阵面时序信号和监测信号传送至所述驱动模块。

7.根据权利要求6所述波束控制系统，其特征在于，所述FPGA模块通过SPI接口模块将波控码传输至驱动模块进行分组。

8.根据权利要求7所述波束控制系统，其特征在于，所述FPGA模块通过RS485接口模块控制传感器，并通过RS422接口模块控制伺服系统；和/或，所述FPGA模块通过LVDS接口模块为频综提供控制时序及预设数据。

9.根据权利要求1所述波束控制系统，其特征在于，所述DSP模块以TMS320C6678芯片为核心芯片；所述FPGA模块以XC7VX485T芯片为核心芯片。

10.一种相控阵雷达天线，其特征在于，该相控阵雷达天线包括权利要求1～9任一项所述的波束控制系统。

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