CN112271455B - 星载小型有源相控阵天线波束控制方法 - Google Patents

星载小型有源相控阵天线波束控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种星载小型有源相控阵天线波束控制方法，旨在提供一种可靠性高，波束指向灵活的波束控制方法。本发明通过下述技术方案实现：在小型有源相控阵天线波束控制系统中，波控分发前端分为两级，第一级设计在模块化T/R组件内，第二级包含前端分发母板，前端分发母板接收和分发远端串行波束控制运算处理单元生成的同步串行波控码；根据频率、角度、间距、天线阵面阵元排列结构计算出每个单元的幅度和相位控制量，生成对天线单元进行幅度和相位激励的两级串行波束控码，按两级串行码输出时序，分别向移相器和衰减器发送控制命令，通过控制电路驱动移相和衰减单元到达指定值，完成整个串行传输过程，控制天线波束指向设定的空间方向。

Description

星载小型有源相控阵天线波束控制方法
技术领域
本发明属于卫星天线技术领域，具体涉及一种星载小型有源相控阵天线的串行波束控制方法。
背景技术
有源相控阵天线一方面具有高增益、作用距离远的优点，另一方面其改变波束指向时，天线本身固定不动，无惯性，具有波束快速扫描、波束形状捷变的特点，能够克服传统机械扫描天线指向时的转动惯性大、速度慢等缺点，且容易实现小型化设计，因此其非常适合搭载于空间和载荷能力有限的卫星平台进行高空探测。在有源相控阵天线中，波束控制技术作为关键技术之一，直接影响系统效能，是相控阵天线重要组成部分，也是实现其功能的基础。相控阵天线的基本原理是对相控阵天线阵列各个阵元的幅度和相位进行控制，从而改变相控阵天线空间合成的波束指向。在实际的相控阵天线中，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，这类误差很小且难以控制。误差的来源很多，如波束扫描时数字移相器的量化误差、天线幅相误差等。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，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、波束指向不稳定和偏离目标的现象很容易发生，最终限制天线性能。
传统有源相控阵天线波束控制系统大致可分为集中式和分布式两种。集中式波束控制系统由单个波束控制运算处理单元一般为现场可编程门阵列(FPGA)进行统一计算，然后将计算好的波控码分发到各个天线阵元对应的移相器上，一般适用于阵元量较少的有源相控阵天线；分布式波束控系统把由单一的波束控制运算处理单元处理的任务转为由多个波束控制运算处理单元共同承担，即将天线阵面划分为多个子阵来管理，每个波束控制运算处理单元只处理计算、分发部分阵元的波控码，一般适用于阵元数较多的大型有源相控阵天线。针对星载GNSS-R海洋微波遥感器相控阵天线对波束控制提出的要求，现有技术还提出了一种基于DSP+FPGA的星载GNSS-R相控阵天线波束控制系统，选择高性能的DSP芯片作为核心处理器，完成阵列中每个单元移相器所需移相码的计算，实时计算波束控制码，通过控制电路驱动移相器移相，实现对星载双面GNSS-R多波束相控阵天线的多波束分时工作和同时工作进行控制，以满足系统的实时性要求。首先波控数码的计算要完成基本波控码的计算，频率捷变和相位误差补偿。这些任务的完成需要根据外部波位同步周期信号和频率捷变脉冲信号进行灵活的程序调度。此外波控码计算和补偿的顺序性和实时性的特点要求处理器的要具备比较高的工作频率。对于自定义的阵面波控码通信协议，DSP无法产生特定的接口时序，同时无法做到多通道的并行数码分配。配相单元要完成对波控码的接收、通道分配和格式转换，同时产生天线单元接收所需的同步采样时钟和帧同步信号。地址数据总线接收到的数据存于FPGA内构建的FIFO中，然后对波控码进行分配。分配方式为：行向分配，即首先对第一列的第一个单元分配，接着分配第二列的第一个单元直到第N列的第一个单元分配完毕，又开始新一轮行向分配，即从第一行的第二单元开始，依此类推。这种基于DSP+FPGA的星载GNSS-R相控阵天线波束控制系统，以DSP为核心器件的计算单元来根据波控指令计算波控码，同时进行波控码的各种补偿、拼合以及校验码的计算，以FPGA为核心的配相单元地利用FPGA的时序设计优点来实现波控码的接收、通道分配和格式转换等功能。在配相单元采用波控码的行向分配方式，实现各通道对阵面的并行配相。从试验的结果来看，这种DSP+FPGA的协同处理结构虽然对大型波控系统的计算和配相是一种有效的设计方法，但实现过程比较复杂，而且成本高。星载相控阵波控的设计难点存在于以下几个方面：星载设备有抗辐照的要求，目前没有适用于星载环境的大容量存储器和高性能的处理器，致使无法实现完全的查表法和完全的计算法。波控数据的传输方式决定了电缆的数量，在大型相控阵雷达里，电缆的重量几乎占了设备总重量的三分之一，所以传输方式也是影响波控系统设计的重要因素之一。
二维相位扫描的相控阵天线中的天线单元数目巨大，相控阵中每一个天线单元需要一个T/R组件，而每一个T/R组件又都需要一个移相器，对于有源相控阵天线，每个单元除了移相器之外，还包括发射信号的功率放大器(HPA)和接收信号的低噪声放大器(LNA)等电路。由于在相控阵天线中数字式移相器的使用，使得相控阵天线的每个馈相单元上的馈相值产生相位误差，这种误差会对天线的性能产生较大影响。继而得出相位量化误差会引起相控阵天线产生寄生副瓣和主瓣波束指向精度产生偏差。按天线方向图综合理论，在计算机控制下通过改变相控阵天线中的每个单元上信号的幅度和相位分布，可高速改变天线波束的形状(波瓣宽度、副瓣位置、副瓣天线、天线副瓣凹口的数目与位置)和自适应能力。目前常用的是RS422总线，星载任务管理机的补偿值对各通道逐一进行相位补偿，使所有通道的初始相位为“零”，以保证雷达获得较低副瓣，因此还应叠加上相位补偿值。星载大型相控阵天线转动天线惯性大、速度慢。为了克服星载大型相控阵雷达波控系统设计中面临的重量、布相实时性等难题，现有技术通常采用一种基于光互连的集总式星载相控阵雷达波束控制方法，该波束控制方法将光纤作为波束控制器传输波控信号给微波组件的媒介，采用集总式架构和可扩充阵列一体化模块来解决大型相控阵天线通信距离和传输速率、阵面规模和重量体积的双重矛盾。对于小型有源相控阵天线而言，一般都采用集中式波束控制系统。在传统的集中式有源相控阵天线波束控制系统中，波束控制运算处理单元一般都与有源相控阵天线其它组成部件(辐射单元、T/R组件、移相器、馈线系统、电源等)一起搁置于同一结构体中形成天线整机。对于星载相控阵天线而言，不仅要求在有限的体积内以最小的重量的完成其功能，还要考虑器件抗辐照的指标要求，对于一般放置于卫星表面或飞行器舱体外部的天线而言，体积、重量和抗辐照的要求格外重要。
因此，本发明提出一种有源相控阵天线串行波束控制方法，将传统集中式波束控系统中波束控制运算处理单元与有源相控阵天线其它组成部件在物理结构上分开放置，波束控制运算处理单元嵌入位于卫星或飞行器舱体内部上一级控制模块内，以减小搁置于外部天线的体积。由于相控阵天线内部没有波束控制运算处理单元，天线结构框只需要较薄的厚度即能满足抗辐照需求，减轻整机的重量，提高有源相控阵天线抗辐照总剂量效应能力。
发明内容
本发明的目的是针对由于环境和结构的限制，不能或不便在相控阵天线整机内部放置波束控制运算处理单元的解决方法和上述现有技术存在的不足之处，提出一种体积小、重量轻，抗干扰性能好，可靠性高，波束指向灵活，波位切换速度快(毫秒级)，以方便不同规模的阵面组合扩展，基于两级同步的星载小型有源相控阵天线波束控制方法。
本发明实现上述目的方法步骤：一种星载小型有源相控阵天线波束控制方法，具有如下技术特征：在小型有源相控阵天线波束控制系统中，将波束控制系统分为两部分，一部分位于有源相控阵天线内部，称为波控分发前端；另一部分位于与有源相控阵天线有一定距离的远端，称为串行波束控制运算处理单元；波控分发前端分为两级，第一级设计在模块化T/R组件内，采用一种串行驱动多通道芯片与移相器连接；第二级包含前端分发母板，前端分发母板通过低电压差分信号(LVDS)线连接串行波束控制运算处理单元，前端分发母板上低电压差分(LVDS)数字信号接口传输分配总线通过一级时钟线、二级时钟线、一级同步线、二级同步线和数据线接收远端串行波束控制运算处理单元生成的同步串行波控码；处于远端的串行波束控制运算处理单元根据频率、角度、间距、天线阵面阵元排列结构、空间波束指向要求计算出每个单元的幅度和相位控制量和各个移相器与衰减器所需的控制信号，根据移相器和衰减器的控制范围与有源相控阵天线串行连接方式，生成对天线单元进行幅度和相位激励的两级串行波束控码，按两级串行码输出时序，分别向移相器和衰减器发送控制命令，通过控制电路驱动移相和衰减单元到达指定值，完成整个串行传输过程，控制天线波束指向设定的空间方向。
采用上述技术方案后，本发明相比现有技术具有如下有益效果：
体积小、重量轻。本天线串行波束控制方法中波束控制系统分为波控分发前端与串行波束控制运算处理单元。波控分发前端分为两级串行设计，第一级设计在模块化T/R组件内，大量减少了T/R组件内移相器电缆线的引出，第二级采用前端分发母板，也采用串行设计的方式减少对外连接电缆线数量；串行波束控制运算处理单元与相控阵天线整机也采取分开放置，以模块化、可扩充的方式减小有源相控阵天线整体体积，而且容易实现小型化设计。由于相控阵天线内部没有波束控制运算处理单元，没有存储器芯片和现场可编程门阵列(FPGA)等芯片，因此对天线整体体积减小有明显效果，与其他技术相比，在同样的控制精度条件下，它能够在最大程度上节约成本。
抗干扰性能好，可靠性高。本发明第一级串行控制采用一种串行驱动多通道芯片与移相器连接，第二级包含前端分发母板，前端分发母板通过低电压差分信号(LVDS)线连接串行波束控制运算处理单元，前端分发母板上低电压差分(LVDS)数字信号接口传输分配总线通过一级时钟线、二级时钟线、一级同步线、二级同步线和数据线接收远端串行波束控制运算处理单元生成的同步串行波控码，通过传输分配总线来实现交互，抗干扰性能好，可靠性高。这样，不仅节约了波束控制数码控制寄存器的成本，而且串行波束控制运算处理单元可以依靠自身的高速内部总线进行数码寄存器的访问，大大提高了处理和控制速度。本发明中波控分发前端使用的串行Ⅰ、Ⅱ型芯片采用砷化镓材料，天然具有较强的抗辐照总剂量效应能力，由于相控阵天线内部没有波束控制运算处理单元，没有存储器芯片和现场可编程门阵列(FPGA)等芯片，因此可提高相控阵天线抗辐照总剂量效应能力。
波束指向灵活，波位切换快。本发明处于远端的串行波束控制运算处理单元按照频率、角度、间距、天线阵面阵元排列结构、空间波束指向要求计算出每个单元的幅度和相位控制量和各个移相器与衰减器所需的控制信号，并按照串行排列方式对数据进行重组合排列，对天线单元进行幅度和相位的激励，通过控制电路驱动移相单元移相，将移相器控制在指定的相位值，完成整个串行控制过程，控制天线波束指向设定的空间方向。波束指向灵活，波位切换速度快(毫秒级)，两级串行波束控码对天线单元进行幅度和相位的激励实现天线波束扫描所需的相移和波束控制，可以降低接收天线的副瓣电平，依靠其实现天线波束的指向改变，同时可以调整各T/R组件各支路的增益，保持各T/R组件输出信号之间的幅度一致性，提供高相控阵天线波位切换精度。
方便不同规模的阵面组合扩展。本发明在波束控制运算处理单元与有源相控阵天线整机在分开放置的情况下，采用最少量的控制信号线，实现了小型有源相控阵天线波束指向控制的设计要求，实时性好，精度高和快速的反应传输速率高。其中，模块化T/R组件可以按照其内部Ⅰ型芯片的数量进行模块化设计，如果阵元数增加，只需增加模块化T/R组件的数量和前端分发母板上Ⅱ型芯片的数量，修改处于远端的串行波束控制运算处理单元串行码的输出时序，以达到不同阵面组合扩展的目的。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是依据本发明星载小型有源相控阵天线波束控制架构原理示意图；
图2是依据本发明的波控分发前端模块化T/R组件内一级串行连接的实施例示意图；
图3是依据本发明的前端分发母板的构造示意图；
图4是依据本发明的串行波控码发送时序示例示意图。
为了更好的理解上述发明的目的、技术方案，下面结合附图以及具体的实施方式对上述发明作进一步地详细描述。
具体实施方式
参阅图1。根据本发明，在小型有源相控阵天线波束控制系统中，将波束控制系统分为两部分，一部分位于有源相控阵天线内部，称为波控分发前端；另一部分位于与有源相控阵天线有一定距离的远端，称为串行波束控制运算处理单元。波控分发前端分为两级，第一级设计在模块化T/R组件内，采用一种串行驱动多通道芯片与移相器连接，第二级包含前端分发母板，前端分发母板通过低电压差分信号(LVDS)线连接串行波束控制运算处理单元，前端分发母板上低电压差分(LVDS)数字信号接口传输分配总线通过一级时钟线、二级时钟线、一级同步线、二级同步线和数据线接收远端串行波束控制运算处理单元生成的同步串行波控码；处于远端的串行波束控制运算处理单元根据频率、角度、间距、天线阵面阵元排列结构、空间波束指向要求计算出每个单元的幅度和相位控制量和各个移相器与衰减器所需的控制信号，根据移相器和衰减器的控制范围与有源相控阵天线串行连接方式，生成对天线单元进行幅度和相位激励的两级串行波束控码，按两级串行码输出时序，分别向移相器和衰减器发送控制命令，通过控制电路驱动移相和衰减单元到达指定值，完成整个串行传输过程，控制天线波束指向设定的空间方向。
在可选的实施例中，串行波束控制运算处理单元可以软核或模块的形式嵌入到上级控制模块内，也可独立存在，主要功能为波控码计算以及并串行转换。本实施列采用以软核的形式嵌入上级控制模块。
波控分发前端与波束控制运算处理单元之间通过低电压差分信号(LVDS)线连接，低电压差分信号(LVDS)线包含一级时钟线、二级时钟线、一级同步线、二级同步线和数据线。
波控分发前端分为两级设计，第一级设计在模块化T/R组件内，采用一种称为Ⅰ型芯片的串行驱动多通道芯片与移相器连接，以减少数字移相器过多的控制引脚引出，第二级包含前端分发母板和另一种称为Ⅱ型芯片的串转并驱动芯片，该Ⅱ型芯片通过低电压差分LVDS数字信号接口和传输分配总线，连接串行波束控制运算处理单元与模块化T/R组件内部Ⅰ型芯片，转发同步串行波控码。Ⅱ型芯片串并转换位数可根据项目的需求不同进行不同的选择。本实施例选择的Ⅱ型芯片串并转换位数为24-bit，并且带串行输出级联。
在本实施例中，有源相控阵天线采用8×8阵面和6bit精度的数字移相器，阵面分为4个子阵，每个子阵包含4×4的天线单元，每个子阵对应一块模块化T/R组件。
前端分发母板位于T/R组件模块下侧，通过一级时钟线、二级时钟线、一级同步线、二级同步线和数据线为模块化T/R组件与远端的串行波束控制运算处理单元提供连接，并为各个模块化T/R组件提供电源分配功能。
参阅图2。在本实施例中，在波控分发前端模块化T/R组件模块设计时，在一级串行连接方式的模块化T/R组件内，相邻两个天线单元组件的数字移相器分别与一个12-bit，称Ⅰ型芯片的串转并驱动芯片连接，Ⅰ型芯片数并行输出端前6-bit与其中一个移相器相连后与另一个移相器相连，构成含有8片Ⅰ型芯片，且为4×4单元的组件模块。组件模块将每片的串行数据输入端分别引出表示为D1-D8，在组件内将8片Ⅰ型芯片的时钟信号、同步信号连接在一起并引出形成一级时钟线、一级同步线。
参阅图3。由于在本实施例中相控阵天线只有64阵元，阵面分为4个子阵，因此二级数据每次只需要32-bit的串行数据输入(图3中用×表示未连接)。两片Ⅱ型芯片串行级联后，Ⅱ型芯片并行数据输出引脚分别与上述相控阵天线4个子阵的模块化T/R组件的串行数据输入引脚连接，第一片Ⅱ型芯片的串行输入端Data_In引出形成总的输入数据线，前端分发母板上连接的两片Ⅱ型芯片的引脚引出形成传输时钟信号、同步信号的二级时钟线、二级同步线，同时，也将模块化T/R组件的一级时钟线、一级同步线引出。在级联多个相同信号时，还应同时考虑驱动能力的问题。如果阵元数增加，只需增加组件模块的数量和母板上Ⅱ型芯片的数量，以达到扩展的目的。
参阅图4。由远端串行波束控制运算处理单元按照相控阵天线波束控制基本原理计算好整个天线阵面的移相值以后，加上各通道的相位误差数据，根据Ⅰ、Ⅱ型芯片的连接方式，对计算后的移相值进行重新排列、调整形成最终的串行数据，按照图4的时序串出数据。在本实施例中串出时序如图4所示，最终调整后的数据为12个32-bit的数据。当发送第1个数据时，在二级时钟线的跳变沿依次串入32-bit数据，接着生成1个二级同步上升沿，完成一级串行数据的传输，紧接着产生1个一级时钟线的跳变沿；依次传送完12个32-bit数据后，生成1个一级同步上升沿，完成整个串行传输过程，达到相控阵天线波束指向的控制目的。
本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种星载小型有源相控阵天线波束控制方法，具有如下技术特征：在小型有源相控阵天线波束控制系统中，将波束控制系统分为两部分，一部分位于有源相控阵天线内部，称为波控分发前端,另一部分位于与有源相控阵天线有一定距离的远端，称为串行波束控制运算处理单元,控分发前端分为两级，第一级设计在模块化T/R组件内，采用一种串行驱动多通道芯片与移相器连接；第二级包含前端分发母板，前端分发母板通过低电压差分信号（LVDS）线连接串行波束控制运算处理单元与模块化T/R组件，前端分发母板上低电压差分信号（LVDS）接口传输分配总线通过一级时钟线、二级时钟线、一级同步线、二级同步线和数据线接收远端串行波束控制运算处理单元生成的同步串行波控码,处于远端的串行波束控制运算处理单元根据频率、角度、间距、天线阵面阵元排列结构、空间波束指向要求计算出每个单元的相位控制量和各个幅度所需的衰减量，根据移相器和衰减器的控制范围与有源相控阵天线串行连接方式，生成对天线单元进行幅度和相位激励的两级串行波束控码，按两级串行码输出时序，分别向移相器和衰减器发送控制命令，通过控制电路驱动移相和衰减单元到达指定值，完成整个串行传输过程，控制天线波束指向设定的空间方向。
2.如权利要求1所述的星载小型有源相控阵天线波束控制方法，其特征在于：在小型有源相控阵天线波束控制系统中，将波束控制系统分为两部分，波控分发前端和位于远端的串行波束控制运算处理单元。
3.如权利要求1所述的星载小型有源相控阵天线波束控制方法，其特征在于：波控分发前端分为两级设计，第一级设计在模块化T/R组件内，采用一种称为Ⅰ型芯片的串行驱动多通道芯片与移相器、衰减器连接，以减少数字移相器、衰减器过多的控制引脚引出，第二级包含前端分发母板，前端分发母板通过低电压差分信号（LVDS）线连接串行波束控制运算处理单元与模块化T/R组件。
4.如权利要求1所述的星载小型有源相控阵天线波束控制方法，其特征在于：串行波束控制运算处理单元以软核或模块的形式嵌入到上级控制模块内，也可独立存在，提供波控码计算、相位和幅度补偿，以及并串行转换。
5.如权利要求1所述的星载小型有源相控阵天线波束控制方法，其特征在于：波控分发前端与波束控制运算处理单元之间通过低电压差分信号（LVDS）线连接，低电压差分信号(LVDS)线包含一级时钟线、二级时钟线、一级同步线、二级同步线和数据线。
6.如权利要求1所述的星载小型有源相控阵天线波束控制方法，其特征在于：前端分发母板上连接的Ⅱ型芯片的引脚引出形成传输时钟信号、同步信号的二级时钟线、二级同步线，同时，也将模块化T/R组件的一级时钟线、一级同步线及数据线引出。
7.如权利要求1所述的星载小型有源相控阵天线波束控制方法，其特征在于：有源相控阵天线采用8×8阵面和6bit精度的数字移相器，阵面分为4个子阵，每个子阵包含4×4的天线单元，每个子阵对应一块T/R组件模块。
8.如权利要求1所述的星载小型有源相控阵天线波束控制方法，其特征在于：在一级串行连接方式的模块化T/R组件内，相邻两个天线单元组件的数字移相器分别与一个12-bit，称Ⅰ型芯片的串转并驱动芯片连接，Ⅰ型芯片数并行输出端前6-bit与其中一个移相器相连后与另一个移相器相连，构成含有8片Ⅰ型芯片，且为4×4单元的组件模块。
9.如权利要求1所述的星载小型有源相控阵天线波束控制方法，其特征在于：在模块化T/R组件内部，将每片Ⅰ型芯片的串行数据输入端分别引出表示为D1-D8，在组件内将8片Ⅰ型芯片的时钟信号、同步信号连接在一起并引出形成一级时钟线、一级同步线。
10.如权利要求1所述的星载小型有源相控阵天线波束控制方法，其特征在于：两片Ⅱ型芯片串行级联后，Ⅱ型芯片并行数据输出引脚分别与上述相控阵天线4个子阵的模块化T/R组件的串行数据输入引脚连接，第一片Ⅱ型芯片的串行输入端Data_In引出形成总的输入数据线。
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