現(xiàn)代相控陣雷達天線波控技術研究

陳俊　馮武

摘要：本文介紹了相控陣雷達天線波控系統(tǒng)的功能、原理、特點。并根據(jù)雷達技術的發(fā)展介紹了一種典型的現(xiàn)代相控陣波控系統(tǒng)的方案，同時匯總了一些在工程上會出現(xiàn)的難題并給出了相應的解決辦法，最后指出了波控技術的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：相控陣雷達 波控系統(tǒng) 直接數(shù)字合成 數(shù)字波束形成

中圖分類號：TN958.92 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）02-0064-04

Abstract：This paper introduces the function，principle，characteristic of phased array radar antenna beam steering system.According to the development of radar technology introduces a typical modern phased array wave steering system scheme，and summarizes some problems will appear in the project and the corresponding solutions are given，finally points out the development trend of wave steering technology.

Key Words：phased array radar beam steering system DDS DBF

1 引言

相控陣雷達通過波束控制（以下簡稱波控）系統(tǒng)控制陣列天線中各單元的相位，完成天線波束的電控掃描，具有掃描快捷、靈活的特點。波控系統(tǒng)作為相控陣雷達控制波束指向的核心系統(tǒng)，起著至關重要的作用。一般波束控制系統(tǒng)應該具備的功能有：（1）相位控制（2）同步控制（3）數(shù)據(jù)傳輸（4）BITE（故障檢測）。隨著雷達技術的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，根據(jù)具體需要可以擴展一些輔助功能，比如隨機饋相、天饋線相位誤差校正、捷變頻以后天線的波束指向修正、對移相器工作相位和波束形狀變化的檢測、近場測試等。相控陣雷達對于波控系統(tǒng)的設計要求有：（1）能完成系統(tǒng)給予的功能（2）滿足天線波束快速掃描的要求（3）體積小，重量輕，所用器件盡可能少（4）信號連接簡單等。

2 波控的基本原理

相控陣雷達天線分為線陣相控陣天線和平面相控陣天線：線陣相控陣是指天線單元分布在一條直線上，其波束可在方位（或俯仰）一個方向進行相控掃描的陣列天線；平面相控陣天線是指天線單元分布在一個平面上，天線波束在方位與俯仰兩個方向均可進行相控掃描的陣列天線。二維相控陣雷達一般采用平面相控陣天線。這種陣面排列方式一般采取坐標分離的方式實現(xiàn)其相位控制。所謂坐標分離技術就是將天線波束指向在水平和俯仰兩個方向上進行正交分解，分別計算天線單元在兩個方向上的需要變化的相位值，然后求其代數(shù)和即為天線單元需要改變的相位值，天線單元相位的改變可由移相器實現(xiàn)。設天線單元按等間距矩形格陣排列如圖1所示：

圖中陣列在y0z平面上共有M×N個天線單元，每個天線單元都有一個移相器。天線單元間距分別為d2和d1。設目標所在方向以方向余弦表示，為（cosαx，cosαy，cosαz），則相鄰單元之間的“空間相位差”沿y軸（水平）和z軸（垂直）方向分別為：

（垂直方向）

（水平方向）

設天線α、β分別為在水平方向和垂直方向上相鄰天線單元的相位值增量，則各天線單元的相移值為C（i，k）=iα+kβ。這樣每一個天線單元的相位改變值都不一樣，需要提供M×N個波束控制數(shù)碼。如果只要求波控完成其基本功能，即波束控制數(shù)碼只是按波束指向來決定。則波束控制系統(tǒng)就可以簡化。如圖3所示的在方位和仰角上分別進行饋相的二維相控陣天線，由各個單元移相器的波束控制數(shù)碼C（k，i）組成的波束控制數(shù)碼矩陣[C（k，i）]M×N可分解為兩個分別對應方位與仰角上相位掃描的子矩陣之和。

=[C（k，i）α]M×N+[C（k，i）β]M×N

式中[C（k，i）α]M×N與[C（k，i）β]M×N分別為行、列波束控制數(shù)碼矩陣，即

這就意味著在圖3中增加一層移相器后，波束控制系統(tǒng)通過計算要產(chǎn)生的波束控制數(shù)碼便由M×N個降低到了（M+N）個，這使計算工作量大為簡化。由于每一行或每一列的移相器具有相同的相移量，因而圖2所示的波束控制信號寄存器數(shù)目也可能降低，只要波束控制信號的功率放大器的電流足夠大，就可以使一個驅(qū)動器帶動多個移相器，從而使波束控制系統(tǒng)的設備量降低。

3 系統(tǒng)設計

由于波控系統(tǒng)運算量比較大，各種控制信號、定時信號比較多，軟硬件接口也較為復雜，所以一般采用波控計算機來完成主要的波控功能。對于天線相位的控制，首先需要一個存儲器來存儲通過測試得出的每個天線單元因為各種原因（如天線加工的誤差、饋電網(wǎng)絡形成的誤差等）造成的相位初始零值的誤差校正值與頻率、溫度構成的三維初始相位表（以下簡稱初始相位表）。由雷達中央計算機發(fā)送相應的頻率代碼、波位代碼、波束展寬代碼等給波控機，配合移相器附近溫度傳感器感應的溫度信息，波控機通過綜合計算得出各個天線單元需要改變的相位值，再將得出的此相位值與初始相位值做相加處理，最終將結果轉(zhuǎn)換成二進制代碼并進行鎖存。等到中央計算機發(fā)出移相指令后，將鎖存的結果打入每個天線單元的移相器完成一次布相。

3.1 波控設計的方案

波控設計的方案主要有集中式波控和分布式波控兩種。傳統(tǒng)相控陣雷達多采用集中式波控方案，其組成框圖如圖2。該方案由一個波控機對陣面各單元的相位進行統(tǒng)一運算，然后將數(shù)據(jù)分路傳給陣面上的每個單元。這種方案的特點是：設備量少，適合單元數(shù)比較少的相控陣雷達。而對于陣面單元較多時其運算速度往往過長，嚴重影響了波束掃描的速度。

平面相控陣天線往往含有數(shù)目較多的天線單元，對于這種情況，需要采取分布式波控的方案，將整個天線陣面劃分成若干個子陣，每一個子陣用一個波控機專門進行該子陣中天線單元相移量的運算和故障檢測，其組成框圖如圖4。這樣可以大大減少運算時間，滿足天線波束快速掃描的要求。

3.2 波控系統(tǒng)的硬件設計

波控系統(tǒng)的硬件可由波控計算機、外存儲器、通信電路、BITE（機內(nèi)檢測）電路等組成。

3.2.1 波控計算機

波控計算機的主要功能為：通過接收中央計算機發(fā)送的頻率、波位、展寬等代碼，配合天線陣面溫度傳感器傳送的溫度信息代碼等信息進行綜合運算得出其所控子陣每個天線單元的相移值并發(fā)送給每個天線單元移相器的激勵器進行移相。根據(jù)需要可以選用多個嵌入式計算機來完成子陣的移相，以達到控制整個天線波束的目的。

3.2.2 外存儲器

很多嵌入式計算機都支持外存儲器擴展例如FLASH盤等，可使用此模塊完成對初始相位表、波束展寬相位表、隨機饋相數(shù)據(jù)等的存儲。

3.2.3 通信電路

通信電路的功能是將中央計算機的控制指令以一定的通信協(xié)議傳遞給每個子陣的波控機完成布相，對于某些對工作時間要求比較苛刻的雷達來說，必須采用高速布相的通信方式。

以太網(wǎng)的出現(xiàn)和普及為這一問題的解決提供了一個新的方法：用以太網(wǎng)傳遞數(shù)據(jù)和指令，把硬件接口變?yōu)檐浖涌?，所有發(fā)送和接收都遵照TCP/IP協(xié)議的約定，避免了硬件接口的種種弊端，且目前以太網(wǎng)速度可達到千兆數(shù)量級，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?。中央計算機通過以太網(wǎng)把指令和數(shù)據(jù)傳送給各個波控計算機，由于波控系統(tǒng)有多個節(jié)點，需要同時收到指令，所以指令采用廣播方式發(fā)送。波控系統(tǒng)各節(jié)點通過點對點方式把需要上報的信息（例如故檢信息）回送給中央計算機。

3.2.4 BITE電路

BITE技術是雷達系統(tǒng)中廣泛應用的一種自動化監(jiān)測與維修的手段。其電路檢測的信息有波控碼、各天線單元激勵器的狀態(tài)信號、定時信號、定時控制信號和激勵器電源輸出值等

通過對檢測到的信息、比較要對以下幾點作出判斷：（1）波控碼是否正確；（2）激勵器接收到的波控數(shù)碼是否有誤碼；（3）是否有激勵器定時控制信號，狀態(tài)是否正確；（4）激勵器是否空載（與陣面移相器連接是否通）；（5）激勵器電源工作是否正常。

最后將故障檢測信息記錄存儲，待陣面所有單元一次檢測全部完成后，整理故障信息，按雷達系統(tǒng)要求的故障判別原則，確定故障類別和等級，并以編碼形式發(fā)送給雷達中央計算機，便于定期維修。

3.3 波控系統(tǒng)的軟件設計

按照波控機完成相控陣天線配相運算和實時輸出的功能，其軟件可以劃分相位生成模塊、接口模塊和BIT模塊三各部分。模塊功能結構圖如圖5所示。

3.3.1 相位值生成模塊

該模塊是整個波控模塊的核心部分，由相位值生成軟件模塊、初始相位表、溫度/波束展寬等信息采集器、地址轉(zhuǎn)換器等組成。它的功能是根據(jù)波控指令生成陣面各單元相位值。

相位值生成軟件模塊的功能是將在規(guī)定相掃范圍內(nèi)可能出現(xiàn)的方位及仰角初始布相量（表的總頁數(shù)），按照一定的布相算法，以陣面總單元為一頁。順序遞增地逐頁計算出陣面各單元所對應的相位值，生成數(shù)據(jù)文件，并固化成初始相位表。

初始相位表的總頁數(shù)（段地址）就是波束展寬或不展寬情況下，在不同溫度環(huán)境下方位/仰角的初始布相量二進制位數(shù)的總和（符號位不計在內(nèi)）。

整個波控機模塊都是在控制器發(fā)出的信號控制下運行的。其功能包括方位及仰角初始布相量的符號判別、數(shù)據(jù)選通、給接口模塊提供時序控制信號等。

3.3.2 接口模塊

其功能是為數(shù)字激勵器提供大量的波束控制信號（相位值），并接收和發(fā)送故障檢測信息。它由發(fā)送、接收數(shù)據(jù)的封包、解封模塊，相位值寄存器地址產(chǎn)生模塊、移相數(shù)字驅(qū)動模塊和故障信息的接收和發(fā)送模塊組成。

3.3.3 BIT模塊

BIT模塊是波控機軟件對自檢信息的處理模塊。波控機接收到從天線單元反饋回來的故障信息后，將其匯總并以二進制代碼的形式發(fā)送給中央計算機，由于相控陣天線本身的特點，個別天線單元出現(xiàn)問題不會影響到整個天線陣面的方向圖，所以波控機給中央計算機發(fā)送故障信息后，仍然會正常工作。中央計算機根據(jù)所有波控機發(fā)送的故障信息進行判決，最終決定雷達的下一步工作安排（是正常工作還是停止工作進行故障檢查），并將此指令發(fā)送給波控機。

3.3.4 波控分機的軟件流程

根據(jù)雷達工作的需要，波控分機的軟件流程圖如圖6所示：

4 波控系統(tǒng)實現(xiàn)的幾個問題

4.1 波控系統(tǒng)硬件的安裝

波控系統(tǒng)的控制部分應就近安裝在其所控天線子陣陣面附近框架上，這樣做是為了有效的縮短控制線纜的距離，提高系統(tǒng)的可靠性。同時盡量不要和雷達其他分系統(tǒng)的模塊、器件共用一塊印制板，以避免干擾。

4.2 高速布相的實現(xiàn)

實現(xiàn)高速布相的途徑比較多，其主要途徑分為：

（1）選用響應時間較快的移相器提高布相速度。這種方法適合于移相器種類有較多選擇的情況。

（2）將各移相基碼對應的陣面單元移相量存于存儲器中，采用查表方法代替實時運算來提高布相速度，這種方法存儲的數(shù)據(jù)文件巨大，尤其是加上展寬信息和溫度信息以后，存儲的數(shù)據(jù)量將會非常是驚人的。

（3）采用實時性較強的操作系統(tǒng)代替普通操作系統(tǒng)提高布相速度。

（4）采用高速通信方法（如以太網(wǎng)或光纖）代替普通的通信方式來提高布相速度等。

4.3 可互換性原則

不同波控機的硬件完全一致，可以在波控板上加一個識別端子，控制計算機可以從識別端子讀出識別碼，以區(qū)分不同的波控板，這樣就可以實現(xiàn)波控機單元的直接互換，提高產(chǎn)品的可維修性。

4.4 子陣波控機的同步

由于采用了分布式波控的方式，由多個波控計算機共同完成天線波束的指向的控制，對雷達工作周期時間要求不高的雷達來說，不同波控機之間不同步可能不會造成太大的影響，但對于快速相位掃描的雷達來說，波控的不同步有可能會造成波束的錯誤指向，導致雷達檢測到錯誤的信息。解決的辦法有選用一個穩(wěn)定度比較高的時鐘源，作為所有波控計算機的同步時鐘源，也可由中央計算機發(fā)出同步信號來控制所有波控機狀態(tài)以達到同步的目的。

4.5 電磁兼容考慮

相控陣雷達陣面集中了大量的數(shù)字電路、移相器和微波器件，同時也是電纜密集的地方。因此電磁兼容設計對波控系統(tǒng)穩(wěn)定性至關重要。所有電路都應該采取有效的屏蔽措施；系統(tǒng)需可靠接地；對于微波輻射較嚴重的單元和對射頻信號敏感的器件應加以隔離，數(shù)據(jù)和控制信號的傳輸也應該考慮其抗干擾性能。

5 結語

相控陣雷達的應用越來越廣泛，對陣面設備的運算量、體積、功耗要求使得對陣面集成電路的選擇也變得苛刻，控制電路的選擇已經(jīng)從EPLD+單片機發(fā)展到FPGA+DSP，單片電路的集成度從幾千門向幾十萬門過渡。對于軍用相控陣雷達來說，陣面波控電路使用條件嚴酷，且使用量較大，芯片的購買和成本常會發(fā)生問題。鑒于此因素，研制波控專用ASIC芯片已經(jīng)成為很必要的措施，目前國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)并且開始大批生產(chǎn)波控專用ASIC芯片，對于大型相控陣雷達來說，這是一種降低成本的理想途徑。另外隨著軟件無線電的快速發(fā)展，DBF技術的出現(xiàn)使得雷達具有自適應形成多個波束的能力，運用該項技術后，波控系統(tǒng)無需再為天線接收波束配相（其接收波束的移相功能可在信號處理中實現(xiàn)）。而采用直接數(shù)字合成（DDS）技術可以用數(shù)字的方式控制所產(chǎn)生雷達信號的頻率、幅度、相位。波控系統(tǒng)則無需再為天線移相器（發(fā)射波束）配相。當這兩種技術隨著數(shù)字T/R組件的出現(xiàn)結合在一起時，傳統(tǒng)的波控系統(tǒng)就發(fā)生了變化，移相器被數(shù)字化的器件所取代。實際上已經(jīng)與雷達信號的產(chǎn)生和雷達數(shù)據(jù)的處理融合在了一起。這種組合技術必將在相控陣雷達中得到廣泛應用。

參考文獻

[1]丁鷺飛，耿富錄.雷達原理.西安：西安電子科技大學，1997.

[2]張光義，趙玉潔.相控陣雷達技術.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[3]廖昌明.有源相控陣雷達波束控制系統(tǒng)的設計.南京：現(xiàn)代雷達，2000，（3）.

[4]鄭清.相控陣雷達波控系統(tǒng)技術研究.南京：現(xiàn)代雷達，2006，（4）.

[5]梁欣華.模塊化波控機.南京：現(xiàn)代雷達，1995，（4）.

[6]鄭清，張健.相控陣雷達分布式波控系統(tǒng)設計.南京：現(xiàn)代雷達，2001，（增）.

[7]陳之濤.相控陣雷達高速布相的設計與實現(xiàn).合肥：雷達科學與技術，2003，（3）.

4.4 子陣波控機的同步

由于采用了分布式波控的方式，由多個波控計算機共同完成天線波束的指向的控制，對雷達工作周期時間要求不高的雷達來說，不同波控機之間不同步可能不會造成太大的影響，但對于快速相位掃描的雷達來說，波控的不同步有可能會造成波束的錯誤指向，導致雷達檢測到錯誤的信息。解決的辦法有選用一個穩(wěn)定度比較高的時鐘源，作為所有波控計算機的同步時鐘源，也可由中央計算機發(fā)出同步信號來控制所有波控機狀態(tài)以達到同步的目的。

4.5 電磁兼容考慮

相控陣雷達陣面集中了大量的數(shù)字電路、移相器和微波器件，同時也是電纜密集的地方。因此電磁兼容設計對波控系統(tǒng)穩(wěn)定性至關重要。所有電路都應該采取有效的屏蔽措施；系統(tǒng)需可靠接地；對于微波輻射較嚴重的單元和對射頻信號敏感的器件應加以隔離，數(shù)據(jù)和控制信號的傳輸也應該考慮其抗干擾性能。

5 結語

相控陣雷達的應用越來越廣泛，對陣面設備的運算量、體積、功耗要求使得對陣面集成電路的選擇也變得苛刻，控制電路的選擇已經(jīng)從EPLD+單片機發(fā)展到FPGA+DSP，單片電路的集成度從幾千門向幾十萬門過渡。對于軍用相控陣雷達來說，陣面波控電路使用條件嚴酷，且使用量較大，芯片的購買和成本常會發(fā)生問題。鑒于此因素，研制波控專用ASIC芯片已經(jīng)成為很必要的措施，目前國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)并且開始大批生產(chǎn)波控專用ASIC芯片，對于大型相控陣雷達來說，這是一種降低成本的理想途徑。另外隨著軟件無線電的快速發(fā)展，DBF技術的出現(xiàn)使得雷達具有自適應形成多個波束的能力，運用該項技術后，波控系統(tǒng)無需再為天線接收波束配相（其接收波束的移相功能可在信號處理中實現(xiàn)）。而采用直接數(shù)字合成（DDS）技術可以用數(shù)字的方式控制所產(chǎn)生雷達信號的頻率、幅度、相位。波控系統(tǒng)則無需再為天線移相器（發(fā)射波束）配相。當這兩種技術隨著數(shù)字T/R組件的出現(xiàn)結合在一起時，傳統(tǒng)的波控系統(tǒng)就發(fā)生了變化，移相器被數(shù)字化的器件所取代。實際上已經(jīng)與雷達信號的產(chǎn)生和雷達數(shù)據(jù)的處理融合在了一起。這種組合技術必將在相控陣雷達中得到廣泛應用。

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[7]陳之濤.相控陣雷達高速布相的設計與實現(xiàn).合肥：雷達科學與技術，2003，（3）.

4.4 子陣波控機的同步

由于采用了分布式波控的方式，由多個波控計算機共同完成天線波束的指向的控制，對雷達工作周期時間要求不高的雷達來說，不同波控機之間不同步可能不會造成太大的影響，但對于快速相位掃描的雷達來說，波控的不同步有可能會造成波束的錯誤指向，導致雷達檢測到錯誤的信息。解決的辦法有選用一個穩(wěn)定度比較高的時鐘源，作為所有波控計算機的同步時鐘源，也可由中央計算機發(fā)出同步信號來控制所有波控機狀態(tài)以達到同步的目的。

4.5 電磁兼容考慮

相控陣雷達陣面集中了大量的數(shù)字電路、移相器和微波器件，同時也是電纜密集的地方。因此電磁兼容設計對波控系統(tǒng)穩(wěn)定性至關重要。所有電路都應該采取有效的屏蔽措施；系統(tǒng)需可靠接地；對于微波輻射較嚴重的單元和對射頻信號敏感的器件應加以隔離，數(shù)據(jù)和控制信號的傳輸也應該考慮其抗干擾性能。

5 結語

相控陣雷達的應用越來越廣泛，對陣面設備的運算量、體積、功耗要求使得對陣面集成電路的選擇也變得苛刻，控制電路的選擇已經(jīng)從EPLD+單片機發(fā)展到FPGA+DSP，單片電路的集成度從幾千門向幾十萬門過渡。對于軍用相控陣雷達來說，陣面波控電路使用條件嚴酷，且使用量較大，芯片的購買和成本常會發(fā)生問題。鑒于此因素，研制波控專用ASIC芯片已經(jīng)成為很必要的措施，目前國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)并且開始大批生產(chǎn)波控專用ASIC芯片，對于大型相控陣雷達來說，這是一種降低成本的理想途徑。另外隨著軟件無線電的快速發(fā)展，DBF技術的出現(xiàn)使得雷達具有自適應形成多個波束的能力，運用該項技術后，波控系統(tǒng)無需再為天線接收波束配相（其接收波束的移相功能可在信號處理中實現(xiàn)）。而采用直接數(shù)字合成（DDS）技術可以用數(shù)字的方式控制所產(chǎn)生雷達信號的頻率、幅度、相位。波控系統(tǒng)則無需再為天線移相器（發(fā)射波束）配相。當這兩種技術隨著數(shù)字T/R組件的出現(xiàn)結合在一起時，傳統(tǒng)的波控系統(tǒng)就發(fā)生了變化，移相器被數(shù)字化的器件所取代。實際上已經(jīng)與雷達信號的產(chǎn)生和雷達數(shù)據(jù)的處理融合在了一起。這種組合技術必將在相控陣雷達中得到廣泛應用。

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