CN112259964B - 多子阵相控阵天线波束控制装置 - Google Patents

多子阵相控阵天线波束控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种多子阵相控阵天线波束控制装置，旨在提供一种可以克服传统相控阵天线响应速度慢，不能复用，连接复杂，不易扩展的波控装置。本发明通过下述技术方案实现：每个子阵分别控制N个阵元的移相，将多个子阵拼接在一起；主控板通过端机通信接口对多个子阵进行命令下发、状态监视与故障检测，单个子阵波控板独立完成数据收发，每个子阵波控板采用FPGA实现协议解析，对阵面各天线阵元单元点的相位、幅度相位码进行统一运算，将波束指向和频率算出的地址码送给每个移相器控制电路，子阵波控板将计算出波控数码、相位、幅度数据分别传输至天线阵元阵面各点，控制相应的移相器到每个天线单元，实现N个天线阵元相控阵天线波束控制。

Description

多子阵相控阵天线波束控制装置
技术领域
本发明涉及一种测控、通信等领域多子阵相控阵天线波束控制装置。
背景技术
大型及超大型相控阵雷达由于其高增益、高分辨率、多波束等特点受到日渐广泛的应用。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，雷达的阵元数量也从开始的几十个，逐步变成了上万个甚至更多，阵面结构的设计也越来越复杂，其中波束形成是相控阵雷达实现波束控制的关键技术。为了让波束控制系统的设计趋于模块化、系统化，通常将大型相控阵天线的阵面划分为若干个子阵，这样任意的大型相控阵天线，都可以用多个子阵来组合，相当于模块化的扩展，具有很高的移植性。相控阵雷达的波束控制系统相当于机械式雷达的伺服系统，通常是由计算机系统来控制响应的硬件设备产生特定波束指向所需要的波控数码，然后控制各个天线阵元的移相器产生相移，合成指定的天线波束。
波束控制系统要能够根据目标的快速变化迅速改变雷达的工作状态，对波束控制系统的响应速度提出了很高的要求。子阵级和差波束需要同时对和波束及差波束的旁瓣进行抑制，且还要保证差波束的零陷足够深，传统的驱动和控制电路很难满足现代化相控阵雷达的控制要求。为了改善子阵级自适应数字波束形成(ADBF)旁瓣电平升高的问题，解决大型相控阵雷达阵元级波束形成技术面临的硬件系统复杂、实时性低等问题，一般采用子阵级波束形成技术来处理。但子阵级处理往往会破坏静态方向图的性能，为了保证子阵级波束形成的性能，需要对子阵级波束形成进行优化。波束形成分为模拟波束形成和数字波束形成，数字波束形成(DBF)技术是在原模拟方式处理信号的基础上引入数字信号处理这一先进技术，使波束形成以数字方式来实现的一种技术。它是通过对各传感器的接收信号在基带上进行数字采样，然后使用复加权求和来实现波束形成。这种方式可以降低软件和硬件的成本。对于大型的相控阵雷达，通常包含数以百计甚至上千的天线阵元，在信号处理过程中，如果采用阵元级数字波束形成方式，则其运算量是非常庞大的，且其对应的硬件系统很复杂，成本也相对较高。为了解决大型相控阵雷达阵元级处理所存在的这些问题，人们提出了子阵级的波束形成方式。子阵级波束形成方式，就是在子阵的基础上进行波束形成。通常，所说的“子阵”，就是将几个天线单元按照一定的规律划分为一组，每组中的所有天线单元使用同一个接收通道。这样，经过子阵划分后，大型相控阵雷达的接收通道数明显较少，从而大大降低了系统的复杂度、数据处理量和硬件成本。虽然子阵级波束形成技术，保持了相控阵雷达的天线孔径，使波束不会变宽，同时使计算量减少，收敛变快，但是子阵级处理也会导致系统的自由度降低，子阵划分不当还会存在形成栅瓣和栅零点的问题。子阵的划分是子阵级波束形成的基础。一般把子阵的划分归结为如下三种：规则不重叠划分、规则重叠划分和不规则不重叠划分。所谓“规则”，就是指个子阵包含相同的阵元数目，且各阵元的排列位置也相同；所谓“重叠”，就是指某个天线阵元同时属于两个或两个以上的子阵。各种不同的子阵划分方法，都有其各自的优缺点。相控阵天线阵面技术包含很多部分，波束控制系统是其中非常重要的一部分，它能够很好的控制各天线单元的移相方向和幅度，与其他技术相比，它能够提升其精确程度，在最大程度上节约成本。宽带相控阵天线在瞬时宽带工作模式下,天线方向图的波束指向将不可避免地出现色散现象。在相控阵系统中，波束控制技术作为关键技术之一，直接影响着系统功能和效能的发挥，波束控制系统的性能优劣严重限制了系统性能的发挥，不同的系统与功能任务要求对波束控制系统的要求也不尽相同。系统功能的发展也对波束控制系统提出越来越高的要求。波束控制系统是雷达搜索与跟踪过程所需的自动控制系统中的一个重要环节。相控阵系统的波束控制阵面天线的波束指向通常由波束控制系统来执行，它主要通过对阵面各单元相位和增益的控制实现波束空间指向的变化。其中各单元相位变化对确定的阵列天线而言主要取决于天线波束指向角的变化。对单元相位变化量进行控制就相当于对天线波束指向口进行了控制。如果要实现对已有若干单元的阵列天线的波束指向，就需要对这若干单元进行相位控制，保证单元之间具有同等的相位差。也就是说，只需通过计算进而控制每个单元相位值就可以实现波束指向的控制。但当相控阵面单元较多时，其计算量大，运算时间较长，影响了波束扫描的速度。现代相控阵系统常采用分布式波束控制系统，该方案中，主波束控制计算基本的单元相位差，然后传输给每个子阵波束控制，每个子阵波束控制相当于一个集中式波束控制系统，再经计算，控制到每个单元，从而实现波束的控制。分析表明，在小型相控阵系统中，采用集中式波束控制系统较佳。在大型相控阵系统中，在满足系统要求的波束控制速度下，采用分布式波束控制系统是较好的方案。由于现代相控阵电子系统对波束控制的速度要求越来越高，因此波束运算、数据传输等要求也相应提高。同时，相控阵面规模的增大，使得波束控制系统也越来越复杂。波束控制系统的发展趋势随着相控阵电子系统的发展和应用的扩展，对波束控制系统的体积与截面积、运算速度、数据传输的要求越来越高，随着相控阵技术的发展，波束控制系统不仅要根据波束的指向要求对阵面单元进行相位控制，而且还要满足随机馈相、相位补偿的要求。
随着大规模集成电路技术的发展，FPGA为解决波束控制系统的小型化和快速化的问题提供了方案。FPGA具有集成度高，控制灵活，运算速度高等诸多优点，在波束控制系统方面有很好的开发前景。
发明内容
本发明的目的是针对大型相控阵天线的波束控制存在不足之处，提供一种互联简单，功耗低、体积小，波控方法简单快捷，运算速度高、工作稳定，易扩展，通用性强的多子阵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响应速度慢，不能复用，连接复杂，不易扩展等问题。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种多子阵相控阵天线波束控制装置，包括：连接了n个子阵波控板的主控板，其特征在于：主控板通过一组RS485总线接口与每个子阵波控板进行通信，子阵之间通过两组RS485总线互联，每个子阵分别控制N个阵元的移相，将多个子阵拼接在一起。主控板通过端机通信接口接命令，并通过多个RS485接口对多个子阵进行命令下发、状态监视与故障检测，单个子阵波控板独立完成数据收发，每个子阵波控板的主芯片采用低功耗FPGA实现协议解析，根据所要求的波束指向对阵面各天线阵元单元点的相位、幅度相位码进行统一运算，利用波束指向和频率算出地址码，同时送给每个移相器控制电路，移相器控制电路读出波控数码并控制移相器，并提供相控阵天线中每一个阵元移相器所需的控制信号，子阵波控板完成计算阵面各天线单元之间的阵内相移量后将计算出波控数码、相位、幅度等数据分别传输至天线阵元阵面各点，控制相应的移相器到每个天线单元，从而实现N个天线阵元相控阵天线波束控制。
本发明相比于现有技术的有益效果是：
体积小，功耗低。本发明主控板具有与端机的通信接口，以及与子阵波控板的通信接口，每个子阵分别控制64个阵元的移相，将多个子阵拼接在一起，子阵之间通过两组RS485总线互联，形成一个大型相控阵波束控制装置。这种采用一个主控板+多个子阵波控板拼接的方式实现大规模相控阵天线的波束控制，主控板体积仅100mmx100mm，每个子阵波控板体积仅50mmx50mm，子阵波控板之间通过两组RS485总线进行互联，大大简化了阵面连线。子阵波控板的控制连接器分布于子阵波控板四周，不占用子板内部空间。子阵波控板的主芯片采用低功耗FPGA实现协议解析及波控码的计算，不仅体积小，而且功耗低波控简单快捷。本发明在进行波控时，根据波束指向和频率算出地址码同时送给每个移相器控制电路，移相器控制电路读出波控数码并控制移相器，每个子阵波控板可实现64个天线阵元相控阵天线波束控制，波控方法简单快捷。每一个子阵波控板都将同时接收到主控板下发的命令，并同时解析和计算波控码，节省了时间，保证了计算的实时性。当送到各点的都是相同的波控基码时，可以一次将所有信息同时送至各单元，有效地提高了传送信号的时间效率。
运算速度高、工作稳定。本发明根据波束指向、形状要求对阵面各单元点的相位、幅度进行统一运算，算完后将相位、幅度等数据分别传输至阵面各点。硬件设备量少，控制灵活，
运算速度高。本发明根据波束指向和频率算出地址码同时送给每个移相器控制电路，移相器控制电路读出波控数码并控制移相器，并提供相控阵天线中每一个阵元移相器所需的控制信号，子阵波控板完成计算阵面各天线单元之间的阵内相移量后将计算出波控数码、相位、幅度等数据分别传输至天线阵元阵面各点控制相应的移相器到每个天线单元，实现N个天线阵元相控阵天线波束控制。大大缩短波控数码的计算时间，从而进一步提高波控速度。利用子阵级数字加权代替阵元级模拟加权，在大大降低硬件复杂度的同时，通过子阵结构和子阵加权的联合优化得到了性能较优的自适应和波束。在抑制栅瓣的同时克服了由非均匀划分引起的旁瓣电平升高问题。
易扩展、互联简单。本发明子阵波控板通过两组RS485总线进行互联，接口简单，仅需要10根线就可以实现多个子阵波控板的长距离互联，子阵波控板的数量可根据相控阵天线的阵元数量来选择，可满足任意规模，多种形状的大规模相控阵天线波束控制。单个子阵波控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64阵元相控阵天线波束控制。主控板+多个子阵波控板的可扩展架构，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。根据天线单元的数量选择子阵波控板的个数，可适配不同天线的控制需求。
通用性强。本发明采用主控板通过端机通信接口接收命令，并通过多个RS485接口对多个子阵进行命令下发、状态监视与故障检测，单个子阵波控板独立完成数据收发，每个子阵波控板的主芯片采用低功耗FPGA实现协议解析，根据所要求的波束指向对阵面各天线阵元单元点的相位、幅度相位码进行统一运算。主控板具有与端机通信的接口，具有对多个子阵进行命令下发、状态监视与故障检测功能。主控板和子阵波控板均采用FPGA进行协议解析和相位码计算，实时性高，控制灵活，通过修改软件即可适配不同天线的控制需求，通用性强。
附图说明
下面结合附图和实施例对发明进一步说明。
图1是本发明多子阵相控阵天线波束控制装置的互联关系图。
图2是图1主控板的电路原理示意图。
图3是图1子阵波控板的电路原理示意图。
图4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。在以下描述的实施例中，种多子阵相控阵天线波束控制装置，包括：连接了n个子阵波控板的主控板。主控板通过一组RS485总线接口与每个子阵波控板进行通信，子阵之间通过两组RS485总线互联，每个子阵分别控制N个阵元的移相，将多个子阵拼接在一起。主控板通过端机通信接口接命令，并通过多个RS485接口对多个子阵进行命令下发、状态监视与故障检测，单个子阵波控板独立完成数据收发，每个子阵波控板的主芯片采用低功耗FPGA实现协议解析，根据所要求的波束指向对阵面各天线阵元单元点的相位、幅度相位码进行统一运算，利用波束指向和频率算出地址码，同时送给每个移相器控制电路，移相器控制电路读出波控数码并控制移相器，并提供相控阵天线中每一个阵元移相器所需的控制信号，子阵波控板完成计算阵面各天线单元之间的阵内相移量后将计算出波控数码、相位、幅度等数据分别传输至天线阵元阵面各点，控制相应的移相器到每个天线单元，从而实现N个天线阵元相控阵天线波束控制。
主控板通过与端机的通信接口接收命令，并通过多个RS485接口分发给每一列的第一个子阵波控板，第一个子阵波控板收到命令后在解析命令的同时直接将命令通过另一个RS485接口发送给本列的第二个子阵波控板，第二个子阵波控板收到命令后在解析命令的同时直接将命令通过另一个RS485接口发送给本列的第三个子阵波控板，依次类推。
参阅图2。主控板包括：集成在印制板上，连接现场可编程门阵列FPGA芯片的存储芯片、温度传感器芯片、电源芯片，RS485电平转换芯片和FLASH芯片，连接在连接器与FPGA芯片之间的至少3个低功耗收发器，低功耗收发器可以选用型号为MAX3490的低功耗收发芯片，FPGA通过SRIO通信接口，可直接由FPGA自带的低功耗的吉比特收发器GTX实现收发，该GTX提供动态重配置接口与FPGA内部的其他逻辑资源紧密联系，配置灵活，功能强大，通信速率更高，以满足实时性需求更高的应用，至少一个MAX3490收发芯片通过RS485总线接口与FPGA芯片通信，每个器件中都具有一个驱动器和一个接收器。低功耗收发器MAX3490把A-Z短路做正端T/R+,B-Y短路做负端T/R-，通过RS485总线实现发送和接收，这样才能正常的发送和接收，以避免传统的RS485A端，A-Y,B-Z方法只能实现单方向的发送，或者接收的缺陷。低功耗收发器MAX3490把A-Z短路做正端T/R+,B-Y短路做负端T/R-，通过RS485总线实现发送和接收。
参阅图3。子阵波控板包括：集成在的印制板上的现场可编程门阵列FPGA芯片，旁接在FPGA芯片上的温度传感器芯片和存储芯片，分别通过RS-485接口连接在第一连接器与FPGA芯片之间进行通信的并列低功耗收发器MAX3490芯片，旁接在第一连接器的电源芯片，通过FPGA芯片并行TR控制接口串联的并行第二连接器，RS485电平转换芯片和FLASH芯片，每个器件中都具有一个驱动器和一个接收器，其中，存储芯片采用掉电存储128K字节信息和软硬件版本信息，掉电后数据不丢失，带电可擦可编程的即插即用存储芯片EEPROM-只读存储器，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。电源芯片实现子阵波控板所需多组电源供电，FPGA端口电压+3.3V、FPGA内核电压+1.2V；温度传感器芯片监控子阵波控板核心区域温度，完成相控阵天线工作模式控制，实时向FPGA上报温度值，FLASH芯片存储FPGA的程序，上电后FPGA主动从FLASH中读取代码并运行程序，完成通信指令解析、波控码计算、子阵状态监测。
参阅图4。相控阵天线包含至少6个相互交联的子阵，6个子阵按照2列三行的方式排列，每列子阵波控板之间通过RS485总线互联，每列以最下面的子阵波控板通过各自的RS485总线共端连接与控制端机相连的主控板，从而组成相控阵天线平台中的波束控制系统。主控板具有与控制端机进行通信的接口。
每个子阵包括通过电源接口相连的子阵波控板和相连接收机与功分/合成网络的中频收发信道，功分/合成网络与阵元1、阵元2、…、64阵元一一对应连接射频收发组件，每个射频收发组件通过电源接口、控制接口连接子阵波控板，并且每个射频收发组件连接在阵元与功分/合成网络之间。
每个射频收发组件包括连接阵元的双工器和连接功分/合成网络的TR芯片，双工器输入端和输出分别连接功率放大器和低噪声放大器，功率放大器和低噪声放大器共端连接TR芯片。子阵波控板接收主控板的命令，通过与TR组件相连的控制接口控制TR组件的相位和幅度，通过电源接口互连电源模块及TR组件，实现自身电源获取及TR组件电源分发。
主控板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，并将命令通过RS485接口分发给各个子阵波控板，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。
以上所述仅是实现一种多子阵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)

1.一种多子阵相控阵天线波束控制装置，包括：连接了n个子阵波控板的主控板，其特征在于：主控板通过一组RS485总线接口与每个子阵波控板进行通信，子阵之间通过两组RS485总线互联，每个子阵分别控制N个阵元的移相，将多个子阵拼接在一起，形成一个具有n个子阵波控板的大型相控阵波束控制装置；主控板通过端机通信接口接命令，并通过多个RS485接口对多个子阵进行命令下发、状态监视与故障检测，单个子阵波控板独立完成数据收发，每个子阵波控板的主芯片采用低功耗FPGA实现协议解析，根据所要求的波束指向对阵面各天线阵元单元点的相位、幅度相位码进行统一运算，根据利用波束指向和频率算出地址码，同时送给每个移相器控制电路，移相器控制电路读出波控数码并控制移相器，并提供相控阵天线中每一个阵元移相器所需的控制信号，子阵波控板完成计算阵面各天线单元之间的阵内相移量后将计算出波控数码、相位、 幅度数据分别传输至天线阵元阵面各点，控制相应的移相器到每个天线单元， 从而实现N个天线阵元相控阵天线波束控制。
2.如权利要求1所述的多子阵相控阵天线波束控制装置，其特征在于：主控板通过与端机的通信接口接收命令，并通过多个RS485接口分发给每一列的第一个子阵波控板，第一个子阵波控板收到命令后在解析命令的同时，直接将命令通过另一个RS485接口发送给本列的第二个子阵波控板，第二个子阵波控板收到命令后在解析命令的同时，直接将命令通过另一个RS485接口发送给本列的第三个子阵波控板，依次类推。
3.如权利要求1所述的多子阵相控阵天线波束控制装置，其特征在于：主控板包括：集成在印制板上，连接现场可编程门阵列FPGA芯片的存储芯片、温度传感器芯片、电源芯片，RS485电平转换芯片和FLASH芯片，连接在连接器与FPGA芯片之间的至少3个低功耗收发器，FPGA通过SRIO通信接口，直接由FPGA自带的低功耗的吉比特收发器GTX实现收发。
4.如权利要求3所述的多子阵相控阵天线波束控制装置，其特征在于： GTX提供动态重配置接口与 FPGA 内部的其他逻辑资源紧密联系，至少一个低功耗收发器MAX3490收发芯片通过RS485总线接口与FPGA芯片通信，每个器件中都具有一个驱动器和一个接收器，并且低功耗收发器MAX3490把A-Z短路做正端T/R+, B-Y短路做负端T/R-，通过RS485总线实现发送和接收。
5.如权利要求1所述的多子阵相控阵天线波束控制装置，其特征在于：子阵波控板包括：集成在的印制板上的现场可编程门阵列FPGA芯片，旁接在FPGA芯片上的温度传感器芯片和存储芯片，分别通过RS-485接口连接在第一连接器与FPGA芯片之间进行通信的并列低功耗收发器MAX3490芯片，旁接在第一连接器的电源芯片，通过FPGA芯片并行TR控制接口串联的并行第二连接器，RS485电平转换芯片和FLASH芯片，每个器件中都具有一个驱动器和一个接收器。
6.如权利要求1所述的多子阵相控阵天线波束控制装置，其特征在于：存储芯片采用掉电存储128K字节信息和软硬件版本信息，掉电后数据不丢失，带电可擦可编程的即插即用存储芯片EEPROM-只读存储器，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；电源芯片实现子阵波控板所需多组电源供电，FPGA端口电压+3.3V、FPGA内核电压+1.2V；温度传感器芯片监控子阵波控板核心区域温度，完成相控阵天线工作模式控制，实时向FPGA上报温度值，FLASH芯片存储FPGA的程序，上电后FPGA主动从FLASH中读取代码并运行程序，完成通信指令解析、波控码计算、子阵状态监测。
7.如权利要求1所述的多子阵相控阵天线波束控制装置，其特征在于：相控阵天线包含至少6个相互交联的子阵，6个子阵按照2列三行的方式排列，每列子阵波控板之间通过RS485总线互联，每列以最下面的子阵波控板通过各自的RS485总线共端连接与控制端机相连的主控板，从而组成相控阵天线平台中的波束控制系统。
8.如权利要求1所述的多子阵相控阵天线波束控制装置，其特征在于：每个子阵包括通过电源接口相连的子阵波控板和相连接收机与功分/合成网络的中频收发信道，功分/合成网络与阵元1、阵元2、…、64阵元一一对应连接射频收发组件，每个射频收发组件通过电源接口、控制接口连接子阵波控板，并且每个射频收发组件连接在阵元与功分/合成网络之间。
9.如权利要求1所述的多子阵相控阵天线波束控制装置，其特征在于：每个射频收发组件包括连接阵元的双工器和连接功分/合成网络的TR芯片，双工器输入端和输出分别连接功率放大器和低噪声放大器，功率放大器和低噪声放大器共端连接TR芯片；子阵波控板接收主控板的命令，通过与TR组件相连的控制接口控制TR组件的相位和幅度，通过电源接口互连电源模块及TR组件，实现自身电源获取及TR组件电源分发。
10.如权利要求1所述的多子阵相控阵天线波束控制装置，其特征在于：主控板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，并将命令通过RS485接口分发给各个子阵波控板，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。
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