CN113571903A - 一种分布式相控阵天线波束控制系统 - Google Patents

一种分布式相控阵天线波束控制系统 Download PDF

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杜要锋
韩国栋
历园园
赵楠
刘晓磊
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Abstract

本发明公开了一种分布式相控阵天线波束控制系统，属于相控阵天线波束控制技术领域。该系统包括一级波控母板和多个二级波控子板，一级波控母板与二级波控子板之间通过一级总线连接。本发明具有波束切换准备时间短、波束切换时间快、硬件设备量少、可靠性高的特点，可用于阵列天线、一维相控阵天线以及二维相控阵天线。

Description

一种分布式相控阵天线波束控制系统
技术领域
本发明涉及相控阵天线波束控制技术领域，特别是指一种分布式相控阵天线波束控制系统。
背景技术
现代通信中，高速动载体姿态变化快，通常需要考虑空气动力学特性，且由于一些特殊需求，如隐身要求等，导致高速动载体很难满足大口径相控阵天线的安装条件。因此，可以将常规的大口径阵列天线拆分成多个小口径天线阵列，共形安装在载体的不同位置，从而解决安装受限的问题。
传统的相控阵天线一般采用集中式波控方案，其特点是由波束控制模块集中对阵列中各个天线单元的幅相值进行统一运算，之后将运算得到的幅相控制码分别传送到各单元。该方案硬件设备量少，适合阵列单元数量较少、运算相对简单的平面阵列天线；而对于阵面单元数量较多、运算相对复杂的分布式阵列天线运算时间往往较长，严重影响了波束扫描的速度。分布式波控方案的特点是波束控制模块分为多级，其中一级波控负责计算出相控阵天线合成波束的波束指向角信息，再由一级总线传送给各个子阵的二级波控；各二级波控之间为并行结构，二级波控负责计算子阵中各个阵元的幅相控制码，再传送到各单元。该方案可以减少运算时间，满足天线波束快速扫描的要求，但相应的运算单元设备较集中式波控方案更复杂。
此外，共形安装在载体不同位置的阵列单元之间的相互距离可能远远大于波长，导致各小口径阵列天线接收或辐射的信号延时可能远超过一个信号周期，则各子阵列的信号无法直接合成，从而导致整个相控阵天线系统无法工作。因此，需要对各分布式子阵信号的延时进行校正。以往的门电路延迟和光纤延迟采用实时延迟线的方式只能校正一个空间角，若对相控阵天线的所有扫描角均校正，则硬件复杂度和实施难度都相对较高。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种分布式相控阵天线波束控制系统，该系统具有波束切换速度快、系统可靠性高的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种分布式相控阵天线波束控制系统，其包括一级波控母板和多个二级波控子板，一级波控母板与二级波控子板之间通过一级总线连接。
进一步的，所述一级波控母板还具有以下接口：
载体中央控制单元接口，用于接收中央控制单元的控制信息，并向中央控制单元发送天线状态信息；
载体惯导接口，用于接收载体的姿态信息；
载体定位装置接口，用于接收载体的位置信息。
进一步的，所述二级波控子板与分布式相控阵天线的分布式子阵一一对应，二级波控子板与对应的分布式子阵之间通过二级总线连接；所述一级总线为具备广播模式的总线，所述二级总线为与TR组件匹配的串行总线。
进一步的，所述一级波控母板用于执行如下步骤：
根据控制信息中的目标位置、载体的姿态、载体的位置，经过解算，得到载体指向目标的方位角、俯仰角，即指向角信息；
向二级波控子板发送指向角信息，并接收波控子板的状态信息；
所述二级波控子板用于执行如下步骤：
接收一级波控母板发送的指向角信息，根据载体指向目标的方位角、俯仰角，再结合分布式子阵相对于载体的相对位置关系，经过坐标转换，得到该波控子板所处的分布式子阵的波束指向角(θi,
Figure BDA0003169714060000031
)，其中下标i为正整数，i∈[1,N]，N为分布式子阵的总数；
根据子阵的波束指向角(θi,
Figure BDA0003169714060000032
)，以及分布式子阵内部阵元的排布方式，完成子阵内部各阵元的幅相控制码的演算；此外，基于Keystone变换的时延校正算法对分布式子阵之间的时延进行校正；
向一级波控母板发送二级波控子板的状态信息。
采用上述技术方法所产生的有益效果在于：
1.波束切换速度快。本发明中波控母板仅需计算载体相对于目标的指向角，而各子阵复杂的坐标位置引起的波束指向角的变换在各波控子板中并行计算，故波束切换准备时间短、切换速度快，可满足高速动载体对相控阵天线波束快速捷变的要求。
2.降低了分布式子阵时延校正的设备量与运算复杂度、提高了系统可靠性。传统的采用实时延迟线校正各子阵之间时延的方式，每变换一个扫描角就需要计算出不同的延时线位数；针对整个扫描空域，则计算量巨大，增加了波控系统负担，且延时线插损大，硬件结构复杂，导致相控阵天线系统性能受损，可靠性差。而采用基于keystone变换的时延校正算法，能同时校正全扫描空域内的子阵时延，具有硬件设备量少、运算简单、可靠性高的特点。
附图说明
图1是本发明实施例中波束控制系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
一种分布式相控阵天线波束控制系统，应用于分布式相控阵天线，该天线采用分布式子阵排列结构与载体共形设计，解决了天线的安装问题，结合分布式波控算法可实现等效大口径阵列天线的性能。
该系统包括一级波控母板、二级波控子板、一级总线、二级总线。其中，一级波控母板有四个对外接口，分别为：
载体中央控制单元接口，用于接收中央控制单元的控制信息，向中央控制单元发送天线状态信息；
载体惯导接口，用于接收载体的姿态信息；
载体定位装置接口，用于接收载体的位置信息；
二级波控子板接口，用于向波控子板发送指向角信息，接收波控子板的状态信息。
一级波控母板完成的功能是：根据控制信息中的目标位置、载体的姿态、载体的位置，经过算法解算，得到载体指向目标的方位角、俯仰角。
一级总线为具备广播模式的板间总线，可采用CAN总线，用于一级波控母板和二级波控子板之间的数据传输。
二级波控子板有一个对外接口，为一级波控母板接口，用于接收波控母板发送的指向角信息，向波控母板发送波控子板的状态信息。
二级波控子板完成的功能是：根据载体指向目标的方位角、俯仰角，再结合分布式子阵相对于载体的相对位置关系，经过坐标转换，得到该波控子板所处的分布式子阵的波束指向角(θi,
Figure BDA0003169714060000052
)，其中下标i为正整数，i∈[1,N]，N为分布式子阵的总数，N≥2；再根据子阵的波束指向角(θi,
Figure BDA0003169714060000051
)，以及子阵内部阵元的排布方式，完成子阵内部各阵元的幅相控制码的演算；此外，由于安装在载体不同位置的子阵之间的相互距离远远大于波长，导致各子阵接收或辐射的信号延时远超过一个信号周期，不同阵列的信号无法直接合成，故二级波控子板中加载了基于Keystone变换的时延校正算法，解决了分布式子阵之间的时延问题。
所述二级总线为与TR组件匹配的板间串行总线，可采用SPI总线，用于二级波控子板和TR组件之间的数据传输。
该系统中，一级波控母板仅需计算载体指向目标的方位角、俯仰角，而非波束指向角。此外，该系统通过在波控模块中加载基于Keystone变换的时延校正算法，解决了相控阵天线扫描空域内分布式子阵之间的时延问题，提高了分布式相控阵天线的波束指向精度，同时降低了硬件设备量和运算复杂度，可用于不同规模的分布式相控阵天线。
总之，本发明具有波束切换准备时间短、波束切换时间快、硬件设备量少、可靠性高的特点，可用于阵列天线、一维相控阵天线以及二维相控阵天线。

Claims (4)

1.一种分布式相控阵天线波束控制系统，其特征在于，包括一级波控母板和多个二级波控子板，一级波控母板与二级波控子板之间通过一级总线连接。
2.根据权利要求1所述的一种分布式相控阵天线波束控制系统，其特征在于，所述一级波控母板还具有以下接口：
载体中央控制单元接口，用于接收中央控制单元的控制信息，并向中央控制单元发送天线状态信息；
载体惯导接口，用于接收载体的姿态信息；
载体定位装置接口，用于接收载体的位置信息。
3.根据权利要求2所述的一种分布式相控阵天线波束控制系统，其特征在于，所述二级波控子板与分布式相控阵天线的分布式子阵一一对应，二级波控子板与对应的分布式子阵之间通过二级总线连接；所述一级总线为具备广播模式的总线，所述二级总线为与TR组件匹配的串行总线。
4.根据权利要求3所述的一种分布式相控阵天线波束控制系统，其特征在于，所述一级波控母板用于执行如下步骤：
根据控制信息中的目标位置、载体的姿态、载体的位置，经过解算，得到载体指向目标的方位角、俯仰角，即指向角信息；
向二级波控子板发送指向角信息，并接收波控子板的状态信息；
所述二级波控子板用于执行如下步骤：
接收一级波控母板发送的指向角信息，根据载体指向目标的方位角、俯仰角，再结合分布式子阵相对于载体的相对位置关系，经过坐标转换，得到该波控子板所处的分布式子阵的波束指向角
Figure FDA0003169714050000021
其中下标i为正整数，i∈[1,N]，N为分布式子阵的总数；
根据子阵的波束指向角
Figure FDA0003169714050000022
以及分布式子阵内部阵元的排布方式，完成子阵内部各阵元的幅相控制码的演算；此外，基于Keystone变换的时延校正方法对分布式子阵之间的时延进行校正；
向一级波控母板发送二级波控子板的状态信息。
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