一種相控陣?yán)走_(dá)數(shù)字TR組件幅相校正裝置設(shè)計(jì)

王新紅，陳婷，楊柳

（航天南湖電子信息技術(shù)股份有限公司，湖北荊州，434000）

0 引言

數(shù)字T/R組件是相控陣?yán)走_(dá)的關(guān)鍵部件之一。常規(guī)數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)的幅相校正需要使用專用儀表和設(shè)備，人工連接校正線路并手動(dòng)設(shè)置儀表參數(shù)，由于校正設(shè)備硬件通道的差異，每次幅相校正完畢后還需人工測量誤差并對(duì)校正結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，不僅校正效率低，耗費(fèi)時(shí)間長，且在長時(shí)間的校正過程中無法保證工作溫度始終一致，無法消除電子器件溫度漂移帶來的誤差，極大影響雷達(dá)陣面幅相的一致性，嚴(yán)重降低數(shù)字T/R組件工作性能。本文設(shè)計(jì)一種自動(dòng)化幅相校正裝置實(shí)現(xiàn)數(shù)字T/R組件幅相校正。

1 設(shè)備組成及工作原理

相控陣?yán)走_(dá)數(shù)字TR組件幅相校正裝置由監(jiān)控計(jì)算機(jī)、資源管理計(jì)算機(jī)、數(shù)字波束合成DBF分機(jī)、頻率源、陣面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字TR組件組成。數(shù)字T/R組件通過陣面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)接收頻率源輸出的同步信號(hào)、同步時(shí)鐘、變本振和測試信號(hào)；頻率源通過陣面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)字T/R組件輸出的發(fā)射激勵(lì)耦合信號(hào)；監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過資源管理計(jì)算機(jī)和陣面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)向頻率源、數(shù)字T/R組件發(fā)送幅相校正指令，頻率源和數(shù)字波束合成DBF分機(jī)接收校正數(shù)據(jù)，并將頻率源的發(fā)射校正數(shù)據(jù)、數(shù)字波束合成DBF分機(jī)的接收校正數(shù)據(jù)回傳監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理顯示。相控陣?yán)走_(dá)數(shù)字TR組件幅相校正裝置工作原理框圖如圖1所示。

圖1 工作原理框圖

監(jiān)控計(jì)算機(jī)為CPCI計(jì)算機(jī)，包含計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)、顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)和人機(jī)交互界面軟件，人機(jī)交互界面軟件包括：顯示控制軟件模塊、命令解析軟件模塊、校正處理軟件模塊、數(shù)據(jù)傳輸軟件模塊；監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)接口與資源管理計(jì)算機(jī)通訊，通過鍵盤鼠標(biāo)完成與操縱員的人機(jī)交互；監(jiān)控計(jì)算機(jī)接收操縱員通過鍵盤鼠標(biāo)的操作錄入，根據(jù)操縱員人工選擇的手動(dòng)/自動(dòng)校正選項(xiàng)，使用顯示控制軟件模塊完成識(shí)別，生成操作選擇結(jié)果，使用命令解析軟件模塊完成選擇結(jié)果的解析，結(jié)合校正值生成校正指令，使用數(shù)據(jù)傳輸軟件模塊打包成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議報(bào)文通過網(wǎng)絡(luò)接口輸出；數(shù)據(jù)傳輸軟件模塊通過網(wǎng)絡(luò)接口獲取幅相數(shù)據(jù)報(bào)文，得到校正結(jié)果。

資源管理計(jì)算機(jī)為CPCI計(jì)算機(jī)，包含計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)、PCIE接口卡和資源管理軟件，資源管理軟件包括：參數(shù)分解軟件模塊、資源調(diào)度軟件模塊、指令下發(fā)軟件模塊、幅相數(shù)據(jù)處理軟件模塊；資源管理計(jì)算機(jī)可根據(jù)監(jiān)控計(jì)算機(jī)的指令分解參數(shù)和任務(wù)，分別生成頻率源、數(shù)字T/R組件、數(shù)字波束合成DBF分機(jī)的控制指令并下發(fā)，獲取頻率源的發(fā)射幅相校正數(shù)據(jù)和數(shù)字波束合成DBF分機(jī)的接收幅相校正數(shù)據(jù)編碼回傳監(jiān)控計(jì)算機(jī)。

頻率源為嵌入式板卡，硬件包含現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、直接數(shù)字式頻率合成器DDS、模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD、串行存儲(chǔ)器EPCS、LC濾波器、放大器、開關(guān)濾波器組、晶振、倍頻器、混頻器、光收發(fā)模塊，軟件包含頻率源嵌入式軟件，頻率源嵌入式軟件包括：通訊處理軟件模塊、DDS指令生成軟件模塊、AD采樣軟件模塊、時(shí)序生成軟件模塊。頻率源通過光收發(fā)模塊接收資源管理計(jì)算機(jī)的頻率源的控制參數(shù)報(bào)文，經(jīng)通訊處理軟件模塊解析后，生成DDS控制信號(hào)、采樣控制信號(hào)、時(shí)序控制信號(hào)。時(shí)序產(chǎn)生軟件模塊接收晶振產(chǎn)生的全機(jī)時(shí)鐘，根據(jù)時(shí)序控制信號(hào)產(chǎn)生同步信號(hào)和時(shí)序；DDS指令生成軟件模塊接收DDS控制信號(hào)和時(shí)序，生成DDS指令信號(hào)；DDS接收DDS指令信號(hào)、基準(zhǔn)時(shí)鐘，產(chǎn)生三路中頻信號(hào)，晶振輸出的基準(zhǔn)時(shí)鐘經(jīng)倍頻器倍頻、LC濾波器濾波后輸出固定本振信號(hào)，DDS產(chǎn)生的三路中頻信號(hào)分別與固定本振信號(hào)混頻、放大，并經(jīng)過開關(guān)濾波器濾波后，生成一路基準(zhǔn)信號(hào)、一路測試信號(hào)、一路變本振。晶振產(chǎn)生的基準(zhǔn)時(shí)鐘經(jīng)放大器、LC濾波器后產(chǎn)生同步時(shí)鐘輸出。兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD同時(shí)接收一路發(fā)射激勵(lì)耦合信號(hào)、一路基準(zhǔn)信號(hào)并采樣，AD采樣軟件模塊根據(jù)時(shí)序信號(hào)對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行處理，輸出幅相數(shù)據(jù)；通訊處理軟件模塊對(duì)幅相數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼打包后通過光收發(fā)模塊輸出，回傳資源管理計(jì)算機(jī)。

陣面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)為信號(hào)分發(fā)器，硬件包含同步信號(hào)一分十功分器、同步時(shí)鐘一分十功分器、變本振一分十功分器、測試信號(hào)一分十功分器、光功分器及若干連接頻率源與數(shù)字T/R組件的射頻電纜。陣面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)通過射頻電纜與頻率源連接，接收頻率源的同步時(shí)鐘、同步信號(hào)、變本振、測試信號(hào)，分別通過一分十功分器完成無源功分，輸出十組同步時(shí)鐘、同步信號(hào)、變本振、測試信號(hào)到十個(gè)數(shù)字T/R組件；陣面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)通過光纖接收數(shù)字T/R組件控制參數(shù)光信號(hào)，通過光功分器完成無源光功分，輸出十個(gè)數(shù)字T/R組件的控制參數(shù)光信號(hào)到十個(gè)數(shù)字T/R組件；十個(gè)數(shù)字T/R組件根據(jù)控制切換開關(guān)，通過測試信號(hào)通道回傳發(fā)射激勵(lì)耦合信號(hào)，陣面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)接收發(fā)射激勵(lì)耦合信號(hào)，經(jīng)一分十功分器回傳頻率源。

數(shù)字T/R組件為基于直接數(shù)字式頻率合成器DDS的數(shù)字T/R組件，硬件包含帶通濾波器、限幅器、電子開關(guān)、發(fā)射模塊、接收模塊、數(shù)字模塊；其中發(fā)射模塊包括：前級(jí)功放、末級(jí)功放、耦合器、環(huán)行器；接收模塊包括：選頻濾波、放大，數(shù)控衰減控制；數(shù)字模塊的硬件包括：現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、直接數(shù)字式頻率合成器DDS、模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)芯片、串行存儲(chǔ)器EPCS、光收發(fā)模塊，數(shù)字模塊的軟件包含數(shù)字T/R組件嵌入式軟件，數(shù)字T/R組件嵌入式軟件包括：通訊控制軟件模塊、DDS控制軟件模塊、AD控制軟件模塊、導(dǎo)前解碼軟件模塊、時(shí)序產(chǎn)生軟件模塊；數(shù)字T/R組件接收控制指令，控制DDS產(chǎn)生發(fā)射激勵(lì)耦合信號(hào)，對(duì)回波端口輸入的信號(hào)進(jìn)行AD采樣，依次經(jīng)過濾波、插值、抽取后得到接收幅相數(shù)據(jù)并打包回傳至數(shù)字波束合成DBF分機(jī)；數(shù)字T/R組件測試信號(hào)與發(fā)射激勵(lì)耦合信號(hào)回傳共用一個(gè)通道和線路，通過電子開關(guān)切換。

數(shù)字T/R組件為基于直接數(shù)字式頻率合成器DDS的數(shù)字T/R組件，硬件包含帶通濾波器、限幅器、電子開關(guān)、發(fā)射模塊、接收模塊、數(shù)字模塊。其中發(fā)射模塊包括：前級(jí)功放、末級(jí)功放、耦合器、環(huán)行器；接收模塊包括：選頻濾波、放大，數(shù)控衰減控制；數(shù)字模塊的硬件包括：現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、直接數(shù)字式頻率合成器DDS、模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)芯片、串行存儲(chǔ)器EPCS、光收發(fā)模塊，數(shù)字模塊的軟件包含數(shù)字T/R組件嵌入式軟件模塊，數(shù)字T/R組件嵌入式軟件模塊包括：通訊控制軟件模塊、DDS控制軟件模塊、AD控制軟件模塊、導(dǎo)前解碼軟件模塊、時(shí)序產(chǎn)生軟件模塊。數(shù)字T/R組件通過數(shù)字模塊的光收發(fā)模塊接收陣面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)分發(fā)的數(shù)字T/R組件的控制參數(shù)光信號(hào)，完成光電轉(zhuǎn)換后輸出到現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的通訊控制軟件模塊，通訊控制軟件模塊完成對(duì)數(shù)字T/R組件的控制參數(shù)的分解，輸出采樣控制信號(hào)、時(shí)序控制信號(hào)、DDS控制信號(hào)。數(shù)字模塊的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)芯片接收陣面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)分發(fā)的同步時(shí)鐘信號(hào)，完成信號(hào)的有源功分，為模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD、時(shí)序產(chǎn)生軟件模塊、導(dǎo)前解碼軟件模塊提供同步時(shí)鐘；導(dǎo)前解碼軟件模塊接收同步時(shí)鐘、同步信號(hào)，解碼輸出導(dǎo)前；時(shí)序產(chǎn)生軟件模塊接收導(dǎo)前、時(shí)序控制信號(hào)，產(chǎn)生各模塊所需時(shí)序信號(hào)；DDS控制軟件模塊接收時(shí)序、DDS控制信號(hào)，產(chǎn)生DDS指令，DDS根據(jù)DDS指令產(chǎn)生中頻信號(hào)，與變本振在混頻器中完成混頻，依次經(jīng)過放大器放大、開關(guān)濾波器組濾波，進(jìn)入前級(jí)功放進(jìn)行第一次信號(hào)放大，將其中一路耦合信號(hào)輸出到電子開關(guān)，按照時(shí)序控制的切換通過電子開關(guān)輸出，將另一路信號(hào)送末級(jí)功放，進(jìn)行第二次放大，再經(jīng)過耦合器、環(huán)形器后輸出發(fā)射信號(hào)，經(jīng)帶通濾波器濾波后輸出。帶通濾波器接收回波信號(hào)，依次經(jīng)限幅器輸出到電子開關(guān)。電子開關(guān)接收時(shí)序控制、測試信號(hào)、回波信號(hào)，按照時(shí)序控制切換開關(guān)，在不同時(shí)刻將測試信號(hào)或回波信號(hào)輸出到選頻濾波，再依次經(jīng)過放大、數(shù)控?cái)?shù)衰減控制輸出到AD進(jìn)行采樣，采樣結(jié)果經(jīng)AD控制軟件模塊處理后輸出幅相數(shù)據(jù)到通訊控制軟件模塊，通訊處理軟件模塊對(duì)幅相數(shù)據(jù)進(jìn)行打包編碼，經(jīng)光收發(fā)模塊完成電光轉(zhuǎn)換后輸出。

數(shù)字波束合成DBF分機(jī)包括底板、光纖數(shù)傳插件、處理插件、電源插件；其中，光纖數(shù)傳插件的硬件包括：現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、串行存儲(chǔ)器EPCS、光收發(fā)模塊、晶振，光纖數(shù)傳插件的軟件包括：數(shù)據(jù)接收軟件模塊、數(shù)據(jù)對(duì)齊軟件模塊、數(shù)據(jù)打包軟件模塊；處理插件的硬件包括：現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、串行存儲(chǔ)器EPCS、光收發(fā)模塊、晶振，處理插件的軟件包括：數(shù)據(jù)合成軟件模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送軟件模塊；數(shù)字波束合成DBF分機(jī)負(fù)責(zé)接收經(jīng)數(shù)字T/R組件處理后的幅相數(shù)據(jù)，并將幅相數(shù)據(jù)提取并打包回傳至資源管理計(jì)算機(jī)。

2 幅相校正方法

2.1 發(fā)射幅相校正

發(fā)射幅相校正流程圖如圖2所示。

圖2 發(fā)射幅相校正流程圖

監(jiān)控計(jì)算機(jī)根據(jù)人機(jī)界面人工/自動(dòng)選項(xiàng)的選擇結(jié)果，轉(zhuǎn)換為以字節(jié)為單位的控制指令，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給資源管理計(jì)算機(jī)；資源管理計(jì)算機(jī)接收監(jiān)控計(jì)算機(jī)的控制指令，完成控制指令分解后，分別發(fā)送針對(duì)頻率源、數(shù)字T/R組件的控制指令；頻率源接收資源管理計(jì)算機(jī)的控制指令，產(chǎn)生同步信號(hào)、同步時(shí)鐘、變本振和基準(zhǔn)信號(hào)；陣面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)接收資源管理計(jì)算機(jī)的控制指令、頻率源的同步信號(hào)、同步時(shí)鐘、變本振信號(hào)，完成信號(hào)的功分與轉(zhuǎn)發(fā)；數(shù)字T/R組件接收控制指令、同步信號(hào)、同步時(shí)鐘、變本振信號(hào)，數(shù)字T/R組件被測試通道根據(jù)指令要求產(chǎn)生發(fā)射激勵(lì)耦合信號(hào)；陣面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)將被測試數(shù)字T/R組件的發(fā)射激勵(lì)耦合信號(hào)通過測試信號(hào)通道回傳至頻率源；頻率源接收發(fā)射激勵(lì)耦合信號(hào)，通過頻率源內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD對(duì)自身基準(zhǔn)信號(hào)與發(fā)射激勵(lì)耦合信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采樣，依次經(jīng)過濾波、插值、抽取后得到幅相數(shù)據(jù)并打包回傳至資源管理計(jì)算機(jī)；資源管理計(jì)算機(jī)接收幅相數(shù)據(jù)，并回傳給監(jiān)控計(jì)算機(jī)，監(jiān)控計(jì)算機(jī)接收被測試通道和基準(zhǔn)信號(hào)的幅相數(shù)據(jù)，將被測試通道幅相與基準(zhǔn)幅相做比值計(jì)算得到誤差值，判斷被測試發(fā)射通道幅相與基準(zhǔn)通道幅相誤差是否超出門限范圍，并根據(jù)判別情況更新發(fā)射幅相誤差數(shù)據(jù)表，在后續(xù)周期向數(shù)字T/R組件發(fā)送新的發(fā)射通道相位補(bǔ)償值；監(jiān)控計(jì)算機(jī)依次切換被測試通道，通過巡檢的方式完成所有通道所有頻點(diǎn)的發(fā)射幅相校正，人機(jī)交互界面負(fù)責(zé)對(duì)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行綜合處理后顯示。

2.2 接收幅相校正

接收幅相校正流程圖如圖3所示。

圖3 接收幅相校正流程圖

監(jiān)控計(jì)算機(jī)根據(jù)人機(jī)界面人工/自動(dòng)選項(xiàng)的選擇結(jié)果，轉(zhuǎn)換為以字節(jié)為單位的控制指令，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給資源管理計(jì)算機(jī)；資源管理計(jì)算機(jī)接收監(jiān)控計(jì)算機(jī)控制指令，完成分解，分別發(fā)送針對(duì)頻率源、數(shù)字T/R組件、數(shù)字波束合成DBF分機(jī)的控制指令；頻率源接收資源管理計(jì)算機(jī)的控制指令，產(chǎn)生模擬同步信號(hào)、同步時(shí)鐘、變本振和測試信號(hào)；陣面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)接收資源管理計(jì)算機(jī)的控制指令、頻率源的同步信號(hào)、同步時(shí)鐘、變本振和測試信號(hào)，完成信號(hào)的功分與轉(zhuǎn)發(fā)。

數(shù)字T/R組件接收控制指令、同步信號(hào)、同步時(shí)鐘、變本振和測試信號(hào)，被測試數(shù)字T/R組件根據(jù)指令要求切換開關(guān)，使測試信號(hào)經(jīng)過接收通道，并使用數(shù)字T/R組件的內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD對(duì)接收區(qū)信號(hào)進(jìn)行采樣，依次經(jīng)過濾波、插值、抽取后得到幅相數(shù)據(jù)并打包回傳；數(shù)字波束合成DBF分機(jī)接收當(dāng)前頻點(diǎn)參數(shù)下所有數(shù)字T/R組件的幅相數(shù)據(jù)，提取數(shù)據(jù)，根據(jù)控制指令處理并打包回傳；資源管理計(jì)算機(jī)接收數(shù)字波束合成DBF分機(jī)回傳的幅相數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控計(jì)算機(jī)，監(jiān)控計(jì)算機(jī)設(shè)定校正的幅度、相位基準(zhǔn)值，將通道幅相數(shù)據(jù)做比值運(yùn)算得到幅相校正比值，并將幅相校正比值和校正參數(shù)生成控制指令，依次通過資源管理計(jì)算機(jī)、陣面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給數(shù)字T/R組件，數(shù)字T/R組件根據(jù)控制指令完成接收幅相數(shù)據(jù)的校正； 監(jiān)控計(jì)算機(jī)依次切換測試頻點(diǎn)參數(shù)，通過巡檢的方式完成所有頻點(diǎn)的發(fā)送接收幅相校正，人機(jī)交互界面負(fù)責(zé)對(duì)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行綜合處理后顯示。

3 結(jié)論

該相控陣?yán)走_(dá)數(shù)字T/R組件幅相校正裝置，通過監(jiān)控計(jì)算機(jī)人機(jī)交互界面自動(dòng)發(fā)送校正指令，完成頻點(diǎn)和通道的切換；幅相校正使用的陣面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)與正常工作所需的網(wǎng)絡(luò)為合二為一，正常工作所需的控制指令、同步信號(hào)、同步時(shí)鐘、變本振和測試信號(hào)，與幅相校正所需的控制指令、同步信號(hào)、同步時(shí)鐘、變本振、測試信號(hào)、發(fā)射激勵(lì)耦合信號(hào)使用的是同一套網(wǎng)絡(luò)，減少校正誤差環(huán)節(jié)，從而極大減小幅相校正誤差；資源管理計(jì)算機(jī)獲取校正數(shù)據(jù)后，通過監(jiān)控計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算補(bǔ)償值并生成校正指令，使得完成幅相校正總耗時(shí)控制在秒級(jí)，徹底避免長時(shí)間校正所產(chǎn)生溫度漂移帶來的不良影響。幅相校正一致性好，極大提高校正效率，切實(shí)保證數(shù)字T/R組件高效運(yùn)行。解決了現(xiàn)有幅相校正必須配置專用儀表和設(shè)備，因設(shè)備硬件通道差異，每次校正完畢還需人工測量誤差并對(duì)校正結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，不僅校正效率低，耗費(fèi)時(shí)間長，且無法校正因長時(shí)間校正溫度變化引起的差異，極大影響幅相校正的一致性，嚴(yán)重降低數(shù)字T/R組件工作性能的問題。