基于FPGA的相控阵天线波束控制算法优化研究

高 嵩，胥剑涛

(成都理工大学 信息科学与技术学院(网络安全学院、牛津布鲁克斯学院)，四川 成都 610059)

0 引言

相控阵天线是相控阵雷达的重要组成部分，其天线阵面上排列着许多天线阵元[1]。每一个天线阵元后都配置有移相器来改变阵元通道间的相位关系。在波束控制(下称“波控”)系统的控制下，改变天线阵元通道之间的幅度和相位关系可以快速地改变天线波束的形状以及波束的指向[2]，波控系统的优良与否是衡量相控阵性能的重要标准之一[3-4]。

对于要求安全快速布相的产品来说，能够快速并行运算的FPGA 芯片是设计波控系统最好的选择[5]。但FPGA 存在难以实现浮点运算的问题[6]，对于波控算法中三角函数的计算很不方便，现FPGA 实现波控算法的方式通常有两种：一是通过调用IP core CORDIC 计算的方法；二是通过查表的方法。以上两种方法中，方法一在FPGA中实现比较困难，在调用CORDIC 运算前，需要先将输入角度转换为16 bit 量化的相位值，且相位值需满足θ∈[-π，π]，并且输出值的小数也难以直接代入公式计算，这种方法不仅浪费资源而且耗时长。而单一的查表法虽然结构简单，工作稳定，波束形成快速，但如若阵元数目过多或指向角精度要求过高，需要存储的码值太多，数据量太大，也难以实现在大型阵列高指向精度的场合[7]。张延曹等人使用直接查表法实现了对16 通道相控阵天线系统的控制[8]。但单一的查表法只对这种阵元数目少，指向精度不高的场合适用[9]。随后郭立俊提出了一种查表法与实时计算相结合的方法，这种方法虽然规避了FPGA 难以实现浮点运算的缺陷，但在设计中生成了多个ROM 表，增加了FPGA 资源占用率的同时也增加了系统功耗。……