CN114759350B - 一种相控阵天线波束幅相控制电路及幅相控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及相控阵天线技术领域，公开了一种相控阵天线波束幅相控制电路及幅相控制方法，所述相控阵天线波束幅相控制电路包括控制接口、逻辑控制模块、数据存储器组、指令存储器组、控制存储器组、锁存器组、回传存储器组以及射频集成电路模块。本申请在波束幅相控制电路内部运用三个存储器组，一个锁存器组，一个逻辑控制模块，一个串行通信接口和一个切换使能脉冲信号的架构，在一个时钟周期内，完成了相控阵射频集成电路幅度和相位状态改变，实现了相控阵天线波束形状的快速变化，以及在多个相控阵天线波束形状间的快速切换，从而使得相控阵天线提升对多目标信号的处理能力。

Description

一种相控阵天线波束幅相控制电路及幅相控制方法

技术领域

本发明涉及相控阵天线技术领域，具体涉及一种相控阵天线波束幅相控制电路及幅相控制方法。

背景技术

相控阵天线的优势是通过控制阵列天线辐射单元的馈电幅度和相位，实现灵活的波束指向捷变和波束形状赋形，广泛应用于雷达探测、无线通信、电子对抗等领域。具体操作是主控单元接收相控阵天线波束控制指令，根据天线阵列布局和每个天线辐射单元所处的位置，计算出阵列天线中每个通道对应的幅度和相位值，进一步转化成对衰减器和移相器的控制指令，送达相控阵射频集成电路对应通道的衰减器和移相器，实现对衰减器和移相器的幅度和相位控制，达到改变天线波束形状的目的。

目前，幅度和相位指令可以通过串行接口传送和并行接口传送。串行传送时，传输接口简单，但指令传送时间较长，相控阵波束形状改变较慢；并行传送时，指令传送快，波束形状改变快，但传输接口复杂。因此，当相控阵天线阵面规模不断扩大，采用串行传送时，幅度和相位控制指令传送时间进一步加长，无法满足相控阵天线波束形状快速改变的要求，而当采用并行传送时，接口数量则会达到瓶颈状态。

现有技术CN110471334A公开了一种相控阵波束控制装置及其控制方法，其具体的技术方案为：本发明公开了一种相控阵波束控制装置、固件升级方法和雷达，包括第一FPGA模块，用于实时处理波束的相位数据；第二FPGA模块，用于根据所述第一FPGA模块处理后的数据，对多个射频收发组件输出相应的指令；时钟与同步信号模块，用于产生时钟信号并同步到所述第一FPGA模块和所述第二FPGA模块；第一DDR模块，用于存储所述第一FPGA模块产生的过程数据；FLASH模块，用于存储加载所需的配置信息；电源模块，用于所述第一FPGA模块和所述第二FPGA模块的供电。由上述第一FPGA模块和第二FPGA模块组成的单个相控阵波束控制装置，可以同时实现对多个射频收发组件的逻辑控制，减少的波束控制装置的数量，从而降低了系统硬件成本。

进一步地，另一个现有技术CN109709826A则公开了一种收发组件发射相位快速切换方法，其具体的技术方案为：本发明公开一种收发组件发射相位快速切换方法，包括步骤：片选信号、时钟信号将串行数据读入移位寄存器；锁存信号将所述移位寄存器内所述串行数据存入锁存器；在发射脉冲信号作用下，第一开关选择电路对所述串行数据进行处理形成第一并行控制数据；在收发脉冲作用下，第二开关选择电路对所述第一并行控制数据进行处理形成第二并行控制数据，所述第二并行控制数据以用于驱动发射或接收状态下的控制器件；本发明通过先预置数据和读取再选择的方式，将原有的数据读取由两次优化到仅需要一次，在保留了串行接口控制信号控制较为简单的同时，提高数据读取和转换速度。

上述第一个现有技术在改变相控阵天线波束形状时，是通过外部输入幅度、相位数据，再并行发送到每个相控阵通道中实现的，通过第一FPGA模块解算出每个通道的幅度相位，传送至第二FPGA模块，由第二FPGA模块计算对应通道幅度相位控制字以控制射频组件。因此，每改变一次波束形状，都必须执行完整个流程，无法实现波束形状快速变化，而且随着相控阵通道规模的不断变大，第二FPGA模块的数量将会持续增加，导致成本较高。

而第二个现有技术的数据选择是通过开关实现的，因此，其数据预存的扩展能力是有限的，无法实现多组数据间的快速切换。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题和缺陷，本申请提供了一种相控阵天线波束幅相控制电路及幅相控制方法，在串行指令控制状态下，能够实现相控阵天线波束形状的快速变化，以及在多个相控阵天线波束形状间的快速切换。

为了实现上述发明目的，本申请的技术方案如下：

一种相控阵天线波束幅相控制电路，包括控制接口、逻辑控制模块、数据存储器组、指令存储器组、控制存储器组、锁存器组、回传存储器组以及射频集成电路模块，其中：

控制接口，用于连接外部设备，通过串行通信接口获取外部设备输入的初始化数据、幅相控制指令和切换使能脉冲信号，以及向外部设备输出回传数据；

逻辑控制模块，用于根据控制接口输入到指令存储器组的幅相控制指令，从数据存储器组中查找相应的控制数据，并写入控制存储器组中；在切换使能脉冲信号的作用下，将控制存储器组中的控制数据写入并锁定到锁存器组中，用以控制射频集成电路模块中的衰减器和移相器工作；

数据存储器组，包括数据存储器，用于存储控制接口输入的初始化数据；

指令存储器组，包括有若干个指令存储器，用于存储控制接口输入的幅相控制指令；

控制存储器组，包括有若干个控制存储器，用于存储逻辑控制模块从数据存储器组中查找到的控制数据；

锁存器组，包括有若干个锁存器，用于锁存控制存储器组输入的控制数据；

回传存储器组，包括有若干个数据回传存储器，用于存储锁存器组输入的控制数据；

射频集成电路模块，包括衰减器和相移器，用于接收锁存器组输入的控制数据，对射频信号进行放大、衰减以及移相，从而改变相控阵天线波束的幅度和相位状态。

进一步地，所述初始化数据包括所有预设幅度数据和预设相位数据。

进一步地，所述初始化数据包括预设幅度和相位的补偿数据。

进一步地，所述预设幅度和相位的补偿数据为射频集成电路模块预定的幅度和相位值与实际生成的幅度和相位值两者之间的差值。

进一步地，所述控制存储器的位数与数据存储器的位数相同。

进一步地，所述锁存器的数量与控制存储器的数量相同。

进一步地，所述数据回传存储器的数量与锁存器的数量相同。

一种相控阵天线波束幅相控制方法，采用上述相控阵天线波束幅相控制电路实现，具体包括以下步骤：

步骤S101、相控阵天线波束幅相控制电路上电启动，控制接口通过串行通信接口接收外部设备传输的初始化数据，并将初始化数据存储至数据存储器组中；

步骤S102、控制接口通过串行通信接口接收外部设备输入的幅相控制指令，并将其存入指令存储器组中；

步骤S103、逻辑控制模块根据控制接口输入到指令存储器组的幅相控制指令，在数据存储器组中查找相应的控制数据，并将上述控制数据写入控制存储器组中；

步骤S104、外部设备通过控制接口的串行通信接口输入一个切换使能脉冲信号，在脉冲高电平时，锁存器组与控制存储器组内数据同步，在脉冲下降沿时，逻辑控制模块将控制存储器组内的数据锁定到锁存器组中；

步骤S105、锁存器组输出一路信号至射频集成电路模块，射频集成电路模块根据所述信号对射频信号进行放大、衰减以及移相，锁存器组同时输出另一路信号至回传存储器组汇总，控制接口接收外部设备发送的数据回读指令，从回传存储器组中读取相应的数据，再传输至外部设备；

步骤S106、重复步骤S102-S105，实现相控阵天线幅度和相位状态的快速切换。

本申请的有益效果：

本申请在相控阵射频集成电路内部运用四个存储器组，一个锁存器组，一个逻辑控制模块，一个串行控制接口和一个切换使能脉冲信号的架构，锁存器组执行当前幅度和相位状态控制，存储器组同步进行下一个控制状态的数据准备，通过切换使能脉冲信号，在一个时钟周期内，完成相控阵射频集成电路幅度和相位状态改变。另外通过增加指令存储器组的存储器数量，配合切换使能脉冲信号，实现相控阵射频集成电路幅度和相位多种状态间的切换。即在相控阵天线阵面应用时，在串行指令控制的状态下，就能够实现相控阵天线波束形状的快速变化，以及在多个相控阵天线波束形状间的快速切换，从而使得相控阵天线提升对多目标信号的处理能力。

附图说明

本发明的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，附图中：

图1为本申请相控阵天线波束幅相控制电路结构示意图。

图中：

1、控制接口；2、逻辑控制模块；3、数据存储器组；4、指令存储器组；5、控制存储器组；6、锁存器组；7、回传存储器组；8、射频集成电路模块。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将通过几个具体的实施例来进一步说明实现本申请发明目的的技术方案，需要说明的是，本发明要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

相控阵天线的优势是通过控制阵列天线辐射单元的馈电幅度和相位，实现灵活的波束指向捷变和波束形状赋形，因此广泛应用于雷达探测、无线通信、电子对抗等领域。

目前，幅度和相位指令可以通过串行接口和并行接口这两种方式进行传送，当相控阵天线阵面规模不断扩大时，采用串行接口的方式进行传送，幅度和相位的控制指令传送时间进一步加长，无法满足相控阵天线波束形状快速改变的要求，而当采用并行接口的方式进行传送时，接口数量又会达到瓶颈状态。

基于此，本实施提出了一种相控阵天线波束幅相控制电路及幅相控制方法，在相控阵射频集成电路内部运用四个存储器组，一个锁存器组，一个逻辑控制模块，一个串行控制接口和一个切换使能脉冲信号的架构，能够在串行指令控制状态下，实现相控阵天线波束形状的快速变化，以及在多个相控阵天线波束形状间的快速切换。

为了便于对本实施例进行理解，首先对本申请实施例所公开的一种相控阵天线波束幅相控制电路进行详细的介绍。

本实施例公开了一种相控阵天线波束幅相控制电路，参照说明书附图1，该控制电路包括控制接口1、逻辑控制模块2、数据存储器组3、指令存储器组4、控制存储器组5、锁存器组6、回传存储器组7以及射频集成电路模块8；所述控制接口1的输入端与外部设备连接，输出端口分别与数据存储器组3、指令存储器组4以及回传存储器组7连接，进一步地，所述逻辑控制模块2还与数据存储器组3、指令存储器组4以及控制存储器组5连接，进一步地，所述锁存器组6分别与控制存储器组5、回传存储器组7以及射频集成电路模块8连接。

其中：

控制接口1，用于串行通信接口获取外部设备输入的初始化数据、幅相控制指令和切换使能脉冲信号，以及向外部设备输出回传数据；

逻辑控制模块2，用于根据控制接口1输入到指令存储器组4的幅相控制指令，从数据存储器组3中查找相应的控制数据，并将上述控制数据写入控制存储器组5中；在控制接口1输入的切换使能脉冲信号的作用下，将控制存储器组5中的控制数据写入并锁定到锁存器组6中，最终用以控制射频集成电路模块8中的衰减器和移相器工作；

数据存储器组3，包括若干个数据存储器，用于存储控制接口1输入的初始化数据；

指令存储器组4，包括有若干个指令存储器，用于存储控制接口1输入的幅相控制指令；

控制存储器组5，包括有若干个控制存储器，用于存储逻辑控制模块2从数据存储器组3中查找到的控制数据；

锁存器组6，包括有若干个锁存器，用于锁存控制存储器组5输入的控制数据；

回传存储器组7，包括有若干个数据回传存储器，用于存储锁存器组6输入的控制数据；

射频集成电路模块8，包括衰减器和相移器，用于接收锁存器组6输入的控制数据，对射频信号进行处理，包括信号放大、衰减以及移相等操作，从而改变相控阵天线波束的幅度和相位状态。

在本实施例中，需要说明的是，所述幅相控制指令具体为幅度和相位控制指令。

在本实施例中，需要说明的是，所述控制数据具体是指幅度和相位状态控制数据，也就是数据存储器组3中存储的初始化数据。

在本实施例中，需要说明的是，所述初始化数据具体包括所有预设幅度数据和预设相位数据，以及预设幅度和相位的补偿数据。

在本实施例中，初始化数据相当于一组备查的表格数据存储在数据存储器组中，幅相控制指令则是明确具体执行的幅度和相位状态，也就是说要在初始化数据中明确具体使用哪一条幅度和相位信息来控制射频集成电路模块。

在本实施例中，需要说明的是，所述预设幅度和相位的补偿数据为射频集成电路模块预设的幅度和相位值与实际生成的幅度和相位值两者之间的差值。

在本实施例中，需要说明的是，每一个数据存储器可以存储一个幅度或相位状态数据，也可以存储多个，主要由存储器的位数以及幅度和相位状态数据需要的位数来共同决定。

在本实施例中，需要说明的是，所述控制存储器的位数与数据存储器的位数相同；所述锁存器的数量与控制存储器的数量相同；所述数据回传存储器的数量与锁存器的数量相同。

基于同一发明构思，本实施例还提出了一种相控阵天线波束幅相控制方法，本方法通过上述实施例中的相控阵天线波束幅相控制电路实现，在该控制电路中，射频集成电路模块8中共有4路衰减器和4路移相器，衰减器和移相器都为64态控制，对应衰减器控制位为12位，移相器控制位为20位，所有的存储器结构包括数据存储器组3、指令存储器组4、控制存储器组5、回传存储器组7，以及锁存器组6的存储位数都取24位，所有存储器的地址位都为8位。

进一步地，数据存储器组3中有64个数据存储器用于存储幅度初始化数据，有效位数为12位，另外64个数据存储器用于存储相位初始化数据，有效位数为20位。

控制存储器组5中，对应幅度控制的控制存储器有效位数为12位，对应相位控制的控制存储器有效位数为20位，锁存器组6中的存储器位数与控制存储器组5相同。

指令存储器组4中，幅度控制指令存储器和相位控制指令存储器有效位数均为24位。

该方法主要包括以下步骤：

步骤S101、相控阵天线波束幅相控制电路首先上电启动，外部设备通过控制接口1的串行通信接口，分别将幅度初始化数据和相位初始化数据写入数据存储器组3中；

步骤S102、控制接口1接收外部设备输入的第一条幅相控制指令，并将其写入指令存储器组4中；

步骤S103、逻辑控制模块2根据内置的逻辑映射关系，按照控制接口1输入到指令存储器组4中的幅相控制指令，在数据存储器组3中查找对应的控制数据，并将上述控制数据写入至控制存储器组5中；

步骤S104、控制接口1接收到外部设备输入的切换使能脉冲信号，在切换使能脉冲信号高电平时，锁存器组6中的控制数据跟随控制存储器组5中的控制数据，两者的数据实现同步，在切换使能脉冲信号下降沿时，控制存储器组5中数据锁存至锁存器组6中；

步骤S105、锁存器组6同时输出两组信号，其中一路信号输入至射频集成电路模块8，射频集成电路模块8根据所述信号对射频信号进行放大、衰减以及移相，从而改变相控阵天线波束的幅度和相位状态；另一路信号输入至回传存储器组7汇总，控制接口1的串行通信接口接收外部设备发送的数据回读指令，从回传存储器组7中读取相应的数据，再传输至外部设备；

步骤S106、切换使能脉冲信号下降沿过后，处于低电平状态，此时开始接收外部设备传输的第二条幅相位控制指令，按照以上方式，重复上述步骤S102-S105，以完成射频集成电路模块8中衰减器和移相器工作状态的切换，最终实现相控阵天线幅度和相位状态的快速切换。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种相控阵天线波束幅相控制电路，其特征在于，包括控制接口（1）、逻辑控制模块（2）、数据存储器组（3）、指令存储器组（4）、控制存储器组（5）、锁存器组（6）、回传存储器组（7）以及射频集成电路模块（8），其中：

控制接口（1），用于连接外部设备，通过串行通信接口获取外部设备输入的初始化数据、幅相控制指令和切换使能脉冲信号，以及向外部设备输出回传数据；

逻辑控制模块（2），用于根据控制接口（1）输入到指令存储器组（4）的幅相控制指令，从数据存储器组（3）中查找相应的控制数据，并写入控制存储器组（5）中；在切换使能脉冲信号的作用下，将控制存储器组（5）中的控制数据写入并锁定到锁存器组（6）中，用以控制射频集成电路模块（8）中的衰减器和移相器工作；

数据存储器组（3），包括数据存储器，用于存储控制接口（1）输入的初始化数据；

指令存储器组（4），包括有若干个指令存储器，用于存储控制接口（1）输入的幅相控制指令；

控制存储器组（5），包括有若干个控制存储器，用于存储逻辑控制模块（2）从数据存储器组（3）中查找到的控制数据；

锁存器组（6），包括有若干个锁存器，用于锁存控制存储器组（5）输入的控制数据；

回传存储器组（7），包括有若干个数据回传存储器，用于存储锁存器组（6）输入的控制数据；

射频集成电路模块（8），包括衰减器和相移器，用于接收锁存器组（6）输入的控制数据，对射频信号进行放大、衰减以及移相，从而改变相控阵天线波束的幅度和相位状态。

2.根据权利要求1所述的一种相控阵天线波束幅相控制电路，其特征在于：所述初始化数据包括所有预设幅度数据和预设相位数据。

3.根据权利要求1所述的一种相控阵天线波束幅相控制电路，其特征在于：所述初始化数据包括预设幅度和相位的补偿数据。

4.根据权利要求3所述的一种相控阵天线波束幅相控制电路，其特征在于：所述预设幅度和相位的补偿数据为射频集成电路模块（8）预定的幅度和相位值与实际生成的幅度和相位值两者之间的差值。

5.根据权利要求1所述的一种相控阵天线波束幅相控制电路，其特征在于：所述控制存储器的位数与数据存储器的位数相同。

6.根据权利要求1所述的一种相控阵天线波束幅相控制电路，其特征在于：所述锁存器的数量与控制存储器的数量相同。

7.根据权利要求1所述的一种相控阵天线波束幅相控制电路，其特征在于：所述数据回传存储器的数量与锁存器的数量相同。

8.一种相控阵天线波束幅相控制方法，其特征在于，采用权利要求1-7任意一项所述的相控阵天线波束幅相控制电路实现，具体包括以下步骤：

步骤S101、相控阵天线波束幅相控制电路上电启动，控制接口（1）通过串行通信接口接收外部设备传输的初始化数据，并将初始化数据存储至数据存储器组（3）中；

步骤S102、控制接口（1）通过串行通信接口接收外部设备输入的幅相控制指令，并将其存入指令存储器组（4）中；

步骤S103、逻辑控制模块（2）根据控制接口（1）输入到指令存储器组（4）的幅相控制指令，在数据存储器组（3）中查找相应的控制数据，并将上述控制数据写入控制存储器组（5）中；

步骤S104、外部设备通过控制接口（1）的串行通信接口输入一个切换使能脉冲信号，在脉冲高电平时，锁存器组（6）与控制存储器组（5）内数据同步，在脉冲下降沿时，逻辑控制模块（2）将控制存储器组（5）内的数据锁定到锁存器组（6）中；

步骤S105、锁存器组（6）输出一路信号至射频集成电路模块（8），射频集成电路模块（8）根据所述信号对射频信号进行放大、衰减以及移相，锁存器组（6）同时输出另一路信号至回传存储器组（7）汇总，控制接口（1）接收外部设备发送的数据回读指令，从回传存储器组（7）中读取相应的数据，再传输至外部设备；

步骤S106、重复步骤S102-S105，实现相控阵天线幅度和相位状态的快速切换。

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