某小型相控阵雷达波束控制系统设计

邢志强

摘 要：根据某小型相控阵雷达对波束控制系统的集成化要求，设计一种具有波束控制，定时控制和配电转换功能的波控系统。重点介绍系统的组成原理，硬件平台和软件流程，以及配电方案的设计。该设计具有结构简单紧凑、多功能一体化，灵活性与可靠性高等优点。

关键词：相控阵雷达；波束控制；电源分配

中图分类号： TN958.92 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）17-143-2

0 引言

某相控阵雷达天馈线结构紧凑，阵面由两个一维正交线阵构成。波控系统通过控制两个一维线阵阵面共96路T/R组件，实现在方位和俯仰方向上的波束扫描。同时结合天线的机械扫描，可实现雷达的全空域立体扫描，具有很高的灵活性。由于雷达天馈线阵面空间较小，波控系统在保证准确快速布相的同时，需要进行集成化轻小型设计，节省系统资源并提高稳定性[1]。

本文提出一种基于FPGA+DSP架构的集成式波控系统方案，在满足相位控制、同步控制、数据传输和自检信号处理等功能的基础上，还将雷达工作必需的定时控制和电源转换分配部分集成在一起，以实现结构紧凑，轻重量，高可靠性的一体化要求。

1 波控系统方案设计

从系统功能模块划分来看，主要由波控、定时控制和电源转换分配三个模块组成，如图1所示。波控系统接收雷达微波源提供的时钟基准信号，完成雷达整机定时控制；接收上位机的信息中心控制指令及数据，实现T/R组件波束布相控制，同时向上位机反馈T/R组件状态及温度数据和故障信息；DC-DC电源转换分配，为雷达其他各分系统或模块提供低压DC电源。

由天线阵面结构可知，波控系统安装在十字型天线体内，空间较为紧凑。综合考虑系统的物理结构和布相时间，该系统设计为由波控1、波控2（对应方位线阵）、波控3和波控4（对应俯仰线阵）四部分电路共同完成系统功能。为降低电路成本和增加系统可靠性，该系统采用设备量少、维修方便、可靠性高的集中与分布式相结合运算、分布式驱动体系。其中波控1模块基于DSP+FPGA方案设计，波控2～波控4电路由FPGA独立控制。

在波控1的电路中，DSP根据方位波束指向角，俯仰波束指向角，工作频率等信息，分别计算出线阵所有单元方位、俯仰方向的馈相梯度，公式如下：

式中θ、γ分别表示方位、俯仰线阵的波束指向角，dx、dy分别表示方位和俯仰线阵相邻移相器之间的距离。

在波控1～波控4电路中的FPGA根据从DSP传来的馈相梯度及事先存放在各自RAM中的对应单元的相位补偿码，依据各个单元的排列顺序按照公式（3）、（4）计算出每个单元的布相码，完成波束的控制。

式中m、n为阵面单元相对坐标原点的位置坐标，Δ?、Δ?为各种因素下引入的总相位误差的相位补偿码[2]。

定时控制模块接收上位机输入的控制命令，采用频率合成单元输出的基准源时钟信号作为基准，分别产生系统所需的方位触发脉冲与俯仰触发脉冲等定时信号。设计中，定时控制模块与波控1模块一起位于方位1波控分路电路板上，共享一片FPGA资源。

1.1 硬件设计

波控和配电系统的电路设计在4块印制板上。波控1电路主要由FPGA控制模块、DSP计算模块、高速串口通信电路、时钟管理模块、电平转换电路以及外围驱动电路组成，波控2～波控4电路相同，与波控1电路区别在于没有DSP模块，波控原理框图如图2所示：

所有外部接口的输入/输出均通过FPGA进行通信。FPGA接收上位机送来的控制命令和方位波束指向角，俯仰波束指向角，工作频率的数据信息，将其送至DSP，DSP通过32位数据总线和地址总线与FPGA相连，DSP根据方位波束指向角，俯仰波束指向角，工作频率计算出馈相梯度，并将结果送回FPGA，FPGA接收DSP的馈相梯度数据，根据各移相单元在阵面中的坐标位置计算移相码，最后与该状态下的相位补偿码相加并将结果存入内部存储器中，按照T/R组件的时序要求通过接口驱动电路送至各移相单元。

1.2 软件设计

本波控系统采用集中-分布式计算的波束控制方法。在程序开始时，首先对波控系统端口进行自检，根据自检结果判断系统是否能正常工作。如果检测结果不正常，则在检测命令收到后将检测信息上报上位机，同时端口对组件的控制端口以保护组件。如果检测结果一切正常，则将波控对组件端口配置为初态下，然后系统进入等待，等待雷达控制指令。

波控算法是本波控系统的一个重点控制过程。雷达系统的控制指令和数据传递通过高速串口完成。响应中断后，接收来自雷达控制的全部波控指令，根据指令字中的模式判断进入不同的工作状态。

在波控运算模式下，首先从RAM中根据频点读取相应的移向补偿，衰减补偿，然后根据波控控算法计算相应组件的移向值、衰减值，最后将计算结果送组件根据定时进行控制。

波控置数模式是组件检测的特殊方式，在这种模式下，首先从上位机命令字中直接获得指定组件移向、衰减、开关状态等数据送给组件进行控制，然后能够将波控送出的数据读回上位计算机。

在波控自检模式下，首先将组件端口状态读回，端口状态与波控内部设定的存储器结果比较，判断波控对组件的控制状态，检测完成将检测结果上报给上位机。

2 配电系统设计

整个系统集成了雷达整机的电源分配系统。该配电系统采取两级变换，中心分配设计理念。50Hz380V的工业级电源输入，经过配电箱完成滤波、分路、DC-DC转换，产生DC300V供给波控板上的电源转换分配单元；电源转换分配模块部署于四块分路板上，将DC300V电源转换成多路低压DC电源，送给雷达其他各用电单元。

DC300V输入电源按9千瓦考虑，波控1板除了为T/R组件和自身供电外，还需对微波源、接收系统、上位机供电；波控2除了为T/R组件和自身供电外，还需为伺服、风机等系统供电；波控3与波控4则只需为T/R组件和自身供电。

3 结束语

本文结合相控阵雷达的特点及实际工程需求，给出了基于FPGA+DSP架构的某型雷达波控系统设计方案。本设计在满足高速、实时性相位控制功能基础上，将雷达工作必需的定时控制和电源转换分配部分以电路形式集成在一起，具有结构简单紧凑、多功能一体化，灵活性与可靠性高的特点，为雷达的高机动、小型化和通用化发展趋势提供了技术保障。

参 考 文 献

[1] 陈琛，张宇驰.基于FPGA的机载波控系统设计[J].现代雷达，2010（05）.

[2] 陈伯孝.现代雷达系统分析与设计[M].西安：西安电子科技大学出版社，2012.