一種機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)波控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

相控陣技術(shù)廣泛地應(yīng)用于軍事民用的各個(gè)領(lǐng)域,其主要特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)就是天線系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速靈活的波束掃描,為雷達(dá)系統(tǒng)更好地完成對(duì)目標(biāo)的搜索與跟蹤提供了必要的條件。波控系統(tǒng)不僅要為天線掃描提供正確的相位碼,還要滿足波束轉(zhuǎn)換的速度要求,做到迅速精確地布相,同時(shí)還要具有陣面監(jiān)視與狀態(tài)控制能力,因此相控陣?yán)走_(dá)波束控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞,對(duì)整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)其強(qiáng)大的功能是至關(guān)重要的[1]。本文介紹了一種機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)波控系統(tǒng)的設(shè)計(jì),具有小型高速、可靠性高與靈活性高等特點(diǎn),適用于中型及大規(guī)模相控陣?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

1.1 波控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

波控設(shè)備是安裝在載機(jī)平臺(tái)的艙外天線單元內(nèi)部,根據(jù)雷達(dá)任務(wù)要求,需要完成1 000多個(gè)T/R組件的數(shù)據(jù)和時(shí)序控制任務(wù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),考慮到波控的計(jì)算任務(wù)量不是很大,可由雷達(dá)綜合處理單元中的時(shí)序監(jiān)控模塊完成波控碼的計(jì)算,這樣可以省去計(jì)算機(jī)模塊的設(shè)備量。另外根據(jù)總體要求,對(duì)天線陣面上的波控接口、T/R組件及組件調(diào)制電源進(jìn)行一體化設(shè)計(jì),形成通用SAM多功能板模塊,既減少了單元之間的電纜連接,又有利于信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)了波控及整個(gè)天線設(shè)備的小型化設(shè)計(jì)要求。

鑒于前述幾個(gè)方面的考慮,波控設(shè)計(jì)采用分級(jí)架構(gòu),從上至下各層級(jí)分別為運(yùn)算層、驅(qū)動(dòng)分配層、數(shù)據(jù)分發(fā)層和協(xié)議轉(zhuǎn)換層,具體框圖如圖1所示。

圖1 雷達(dá)陣面波控分級(jí)架構(gòu)

運(yùn)算層設(shè)備是指雷達(dá)任務(wù)電子的綜合處理單元,該單元包括時(shí)序監(jiān)控模塊和任務(wù)管理模塊等,波控的移相碼運(yùn)算功能就是嵌入在時(shí)序監(jiān)控模塊中。時(shí)序監(jiān)控模塊收到任務(wù)管理模塊的控制指令后,提前一個(gè)波位周期計(jì)算出所有1 000多個(gè)T/R組件的移相碼值,然后將這些數(shù)據(jù)打包,通過光纖高速線送給波控。時(shí)序監(jiān)控模塊同時(shí)產(chǎn)生整機(jī)的時(shí)序觸發(fā),并轉(zhuǎn)發(fā)給波控。

驅(qū)動(dòng)分配層設(shè)備是由數(shù)據(jù)分配器實(shí)現(xiàn),主要完成大容量數(shù)據(jù)的分發(fā)任務(wù)。數(shù)據(jù)分配器位于天線陣面,接收時(shí)序監(jiān)控模塊送來的光纖打包數(shù)據(jù),在FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列)內(nèi)部對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后,再根據(jù)數(shù)據(jù)去向,重新生成48路子模塊光纖信號(hào),定向送至陣面48個(gè)SAM多功能板模塊中的波控接口。數(shù)據(jù)分配器還從打包數(shù)據(jù)中解析出陣面延遲組件和矩陣開關(guān)的控制數(shù)據(jù)和時(shí)序信號(hào),送至延遲放大組件和矩陣開關(guān)。另外數(shù)據(jù)分配器還負(fù)責(zé)采集陣面電源及組件的BIT信息,回傳給時(shí)序監(jiān)控模塊。

數(shù)據(jù)分發(fā)層設(shè)備由48個(gè)波控接口組成。波控接口位于48塊一體化設(shè)計(jì)可擴(kuò)充SAM多功能板模塊的內(nèi)部,每個(gè)波控接口負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分配器送來的子模塊打包數(shù)據(jù),解析為32路串行數(shù)據(jù)信號(hào)和時(shí)序信號(hào),同步發(fā)送給多功能板模塊內(nèi)的32個(gè)T/R組件。波控接口完成對(duì)48組T/R組件的移相碼分配和時(shí)序控制。

協(xié)議轉(zhuǎn)換層設(shè)備指位于T/R組件內(nèi)部的ASIC芯片,數(shù)量為48個(gè),可以將波控接口送來的同步串行信號(hào)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù),用來控制T/R組件內(nèi)部的移相器、衰減器和多路開關(guān),這部分功能由T/R組件設(shè)計(jì)自行完成。

1.2 移相碼設(shè)計(jì)

波控系統(tǒng)根據(jù)天線波束指向信息,首先計(jì)算相應(yīng)方位、仰角上的相位初始值,再根據(jù)初始值計(jì)算天線陣列中每個(gè)移相器單元的相位,最后控制驅(qū)動(dòng)移相器移相,使天線波束指向規(guī)定的方向,實(shí)現(xiàn)天線在方位角φ和仰角θ這兩個(gè)方向上的任意掃描[2]。

根據(jù)雷達(dá)總體要求,波控系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)二維天線陣面的移相控制。整個(gè)陣面在XY平面上,共有16×72個(gè)天線單元,天線單元間距分別為dx(X軸方向)和dy(Y軸方向)。二維相控陣天線陣面天線單元排序及陣面坐標(biāo)定義如圖2所示。

圖2 天線陣面天線單元排序及坐標(biāo)圖

在上述N行M列的相控陣天線中,若取陣面中心為坐標(biāo)原點(diǎn),當(dāng)要求波束指向?yàn)棣菳和φB時(shí),依據(jù)二維分離布相法則,則第n行的相位值為

第m列的相位值為

式(1)和式(2)中,

第n行第m列單元的相位值為

式(6)中相關(guān)參數(shù)dx,dy,N,M是確定的,n=1,2,…,16;m=1,2,…,72。

根據(jù)確定的波束指向和陣面參數(shù),可以計(jì)算出陣面布相所需的單元相位值φm,φn和

實(shí)際掃描工作時(shí),天線系統(tǒng)為了獲得較低副瓣的天線波束,在由天線近場(chǎng)測(cè)試得出各天線單元的波程校正后,通過改變波控碼來進(jìn)行相位修正,使天線相位誤差變?yōu)榱?。因此上式還應(yīng)疊加上相位值Z(n,m),Z(n,m)為陣面中第(n,m)單元的移相器本身的校正同波程校正之和(該值為固定值,由天線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定)[4]。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,波控移相碼的計(jì)算任務(wù)是嵌入在時(shí)序監(jiān)控模塊的軟件處理中。時(shí)序監(jiān)控模塊在完成某個(gè)波束指向的移相碼計(jì)算后,通過光纖數(shù)據(jù)通道,將移相碼連同時(shí)序觸發(fā)打包送給波控的數(shù)據(jù)分配器單元。

1.3 系統(tǒng)單元電路設(shè)計(jì)

依據(jù)分級(jí)架構(gòu)設(shè)計(jì)思想,波控系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)1個(gè)數(shù)據(jù)分配器和48個(gè)波控接口板。

1)數(shù)據(jù)分配器設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)分配器接收時(shí)序監(jiān)控送來的波控碼和波形碼,經(jīng)過數(shù)據(jù)解析和重新編碼后,分發(fā)給波控接口板。數(shù)據(jù)分配器還收集波控接口的BIT信息,回傳給時(shí)序監(jiān)控模塊,并產(chǎn)生2路陣面電源控制、以及4路延遲放大模塊和1路矩陣開關(guān)的控制時(shí)序。數(shù)據(jù)分配器的功能框圖如圖3所示。其主要設(shè)計(jì)包括多路光纖收發(fā)模塊和FPGA電路。

(1)多路光纖模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)分配器分發(fā)的光纖通道有48路,為了實(shí)現(xiàn)功能及滿足小型化和環(huán)境適應(yīng)性等的要求,多路光纖模塊選用中航光電的HTA8528/8529型12路并行光模塊。多路光纖模塊共4組,用于數(shù)據(jù)分配器向波控接口板發(fā)送T/R相位碼和時(shí)序信號(hào)等。模塊的中心波長(zhǎng)為850 nm,提供總速率達(dá)75 GB/s的數(shù)據(jù)傳輸。單個(gè)光模塊使用集成的MT式尾纖接口,大大減小互聯(lián)尺寸,封裝形式為L(zhǎng)CC48,有12個(gè)獨(dú)立并行通道。

(2)FPGA電路設(shè)計(jì)

圖3 數(shù)據(jù)分配器功能框圖

設(shè)計(jì)使用的主控制選用Xilinx公司XC7VX485T芯片。該器件擁有485K個(gè)邏輯單元、8000Kb內(nèi)核RAM、56個(gè)高速GTP(高速串行收發(fā)器),最大700個(gè)I/O等資源,可以滿足系統(tǒng)48路光纖通道的設(shè)計(jì)需要。電路設(shè)計(jì)中最主要的任務(wù)是GTP模塊設(shè)計(jì)和光纖數(shù)據(jù)分發(fā)傳輸設(shè)計(jì),編程工具是ISE14.7。

①GTP模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)分配器調(diào)用芯片自帶的軟核GTP模塊來實(shí)現(xiàn)光纖數(shù)據(jù)的處理,軟核的配置應(yīng)用依據(jù)廠家提供的手冊(cè)進(jìn)行。設(shè)計(jì)使用的GTP軟核數(shù)量有49個(gè),其中1個(gè)用于接收時(shí)序監(jiān)控模塊傳來的指令數(shù)據(jù),另外48路用于數(shù)據(jù)分發(fā)。設(shè)計(jì)的GTP模塊數(shù)據(jù)寬度為16 bit,經(jīng)8B/10B編碼后,并行數(shù)據(jù)寬度為20 bit,采用2.5 GB/s的速率傳輸。

② 光纖數(shù)據(jù)分發(fā)傳輸設(shè)計(jì)

從時(shí)序監(jiān)控模塊傳來的大容量數(shù)據(jù)和指令,經(jīng)過解碼和緩存后,首先按照指定規(guī)則存入雙口RAM,而后根據(jù)時(shí)序要求順序從RAM中讀出。讀出的數(shù)據(jù)先進(jìn)行分組,再重新編碼,經(jīng)電光轉(zhuǎn)換后發(fā)送至不同的波控接口。分發(fā)傳輸控制的邏輯圖如圖4所示。

電路中使用的雙口RAM是一種可提供2組獨(dú)立的控制線、地址線和數(shù)據(jù)線的存儲(chǔ)器序列,其端口允許對(duì)存儲(chǔ)器任一單元單獨(dú)進(jìn)行讀/寫訪問,設(shè)計(jì)時(shí)RAM讀操作快于寫操作,保證了光纖數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間要求。

圖4 分發(fā)傳輸控制的邏輯圖

分組后的子模塊數(shù)據(jù)還需通過特定的編碼才能發(fā)給波控接口板,最終輸出的子模塊光纖數(shù)據(jù)包中除了有移相碼、包頭、包尾等信息外,還有采樣頻率、帶寬等與數(shù)據(jù)處理有關(guān)的信息。表1就是數(shù)據(jù)分配器與波控接口板的子模塊光纖數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

表1 子模塊光纖數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

2)波控接口板設(shè)計(jì)

波控接口板共設(shè)計(jì)為48塊,位于SAM多功能板內(nèi)部。每個(gè)波控接口板都通過1路光纖高速串行線,接收數(shù)據(jù)分配器送來的區(qū)段波控碼和波形碼,實(shí)現(xiàn)的功能有:解析SAM模塊內(nèi)每路T/R組件需要的移相碼和衰減碼,并將移相數(shù)據(jù)通過并串轉(zhuǎn)換送至T/R的接口芯片;產(chǎn)生每路T/R組件需要的時(shí)序信號(hào)和開關(guān)信號(hào),并將它們變換驅(qū)動(dòng)后送至T/R的接口芯片;匯集每路T/R組件的BIT信息,打包后通過光纖回送給數(shù)據(jù)分配器。

(1)波控接口FPGA電路設(shè)計(jì)

波控接口板的主控制芯片選用了Xilinx公司XC7A200T型FPGA來進(jìn)行設(shè)計(jì)。該型FPGA擁有200K的邏輯單元、2000Kb RAM、16個(gè)高速GTP收發(fā)器,最大500個(gè)I/O資源,配合外圍的電平轉(zhuǎn)換電路,可以滿足數(shù)據(jù)處理和信號(hào)傳輸設(shè)計(jì)要求。

波控接口板中FPGA設(shè)計(jì)主要包含GTP收模塊、GTP發(fā)模塊和時(shí)序產(chǎn)生模塊。GTP收模塊解析數(shù)據(jù)分配器發(fā)送的光纖32路組件的相位碼,并對(duì)它們進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換。GTP發(fā)模塊將SAM模塊內(nèi)部T/R組件回饋的BIT(機(jī)內(nèi)信息檢測(cè))信息以及自身的BIT信息,通過光纖回送給數(shù)據(jù)分配器。時(shí)序產(chǎn)生模塊根據(jù)接收到的波形碼和導(dǎo)前信號(hào),產(chǎn)生每路T/R組件需要的時(shí)序信號(hào)和開關(guān)信號(hào)。

(2)組件保護(hù)電路設(shè)計(jì)

T/R組件是天線系統(tǒng)中的關(guān)重件,其自保護(hù)能力比較弱,需要對(duì)它進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì),波控對(duì)組件的保護(hù)主要通過以下方式實(shí)現(xiàn)。

① 功率電源開關(guān)控制

T/R組件的功率開關(guān)電源的打開時(shí)機(jī),需要波控判斷好其他系統(tǒng)狀態(tài)都正常以后,才能由波控接口板執(zhí)行電源的開關(guān)控制。

② 硬件時(shí)序保護(hù)控制

波控接口根據(jù)系統(tǒng)的工作模式,對(duì)T/R組件的功率開關(guān)脈寬進(jìn)行限制,避免組件功率過高而損壞器件。

③ 上電過程電平保護(hù)

T/R組件對(duì)控制信號(hào)中最敏感的就是發(fā)射調(diào)制TRT信號(hào),該信號(hào)要求在波控上電初始化的時(shí)候不能是高電平,否則組件會(huì)因功率過高而損壞。但由于波控的主控制FPGA芯片在上電配置期間,其IO輸出的狀態(tài)為不穩(wěn)定態(tài),所以必須要對(duì)其進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí),首先將FPGA配置I/O電平控制PUDC接高電平,使配置期間所有的I/O處于浮空狀態(tài),然后將TRT的驅(qū)動(dòng)芯片使能端接上拉電阻,輸出接下拉電阻,確保配置期間TRT為低。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

波控系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)是多路光纖傳輸技術(shù)。為滿足小型化設(shè)計(jì)、一體化設(shè)計(jì)以及技術(shù)指標(biāo)等的要求,波控設(shè)計(jì)使用了多組12合1光纖收發(fā)模塊,實(shí)現(xiàn)了大容量數(shù)據(jù)的分發(fā)處理及時(shí)序控制任務(wù)。多路光纖傳輸技術(shù)的難度主要體現(xiàn)在大容量數(shù)據(jù)分發(fā)傳輸設(shè)計(jì)、多路高速通道布板設(shè)計(jì)、系統(tǒng)電源和時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)等方面。

1)大容量數(shù)據(jù)分發(fā)傳輸設(shè)計(jì)

波控設(shè)備中的光纖通道達(dá)48路,每路又分為收通道和發(fā)通道。高速通道中每個(gè)波位的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度達(dá)43 008 bit,這組數(shù)據(jù)中包含了多種模式、狀態(tài)、頻點(diǎn)、指向、帶寬、移相碼、位置、BIT等信息,其分發(fā)傳輸非常復(fù)雜,時(shí)序要求很高。波控在設(shè)計(jì)時(shí),借助GTP軟核,對(duì)多通道高速數(shù)據(jù)進(jìn)行了編解碼控制、相位對(duì)齊、串并轉(zhuǎn)換、時(shí)鐘激勵(lì)、阻抗和電平匹配等措施,實(shí)現(xiàn)了快速準(zhǔn)確的布相任務(wù)。

2)多路高速通道布板設(shè)計(jì)

由于設(shè)計(jì)中使用了大量的高速信號(hào),波控在電路布板時(shí),除了要進(jìn)行信號(hào)分層設(shè)計(jì)外,還要對(duì)各路高速信號(hào)線進(jìn)行屏蔽,充分考慮信號(hào)的走線,取最優(yōu)最短的路徑,并且避免信號(hào)間相互干擾。另外由于系統(tǒng)要求電源、微波、數(shù)字、光纖信號(hào)等進(jìn)行一體化集成設(shè)計(jì),設(shè)備電磁環(huán)境變得復(fù)雜,布局布線難度加大。在進(jìn)行布板時(shí),運(yùn)用了多組電容、電感的濾波和信號(hào)屏蔽措施,滿足了電磁兼容性要求。

3)電源和時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

由于可編程電路及多種驅(qū)動(dòng)電路芯片的大量應(yīng)用,波控的電源達(dá)6個(gè)品種,全部由波控自己產(chǎn)生,為了保證電路的穩(wěn)定性,電源設(shè)計(jì)時(shí),不僅要考慮電源的帶載能力,還要考慮不同電源的上電順序、紋波要求、隔離要求,濾波電容和磁珠的使用位置、數(shù)量和容量等。另外由于高速數(shù)據(jù)通道多,時(shí)鐘設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意不同芯片之間的匹配電阻、電容和電平要求,其走線路徑和屏蔽要求也非常嚴(yán)格。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用分級(jí)架構(gòu)設(shè)計(jì)的波控是實(shí)現(xiàn)中型及大規(guī)模相控陣?yán)走_(dá)波控的有效途經(jīng)之一。設(shè)計(jì)中采用光纖互聯(lián)高速數(shù)據(jù)編解碼控制技術(shù),既實(shí)現(xiàn)了快速布相任務(wù),又簡(jiǎn)化了陣面的走線,滿足了快速靈活及小型化設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)分配器單元的外形同SAM多功能板模塊的外形大致相同,有利于陣面的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。筆者依此思想設(shè)計(jì)的一套控制1 000多個(gè)移相單元的波控系統(tǒng),經(jīng)過一年多的驗(yàn)證,性能穩(wěn)定可靠,完成了天線近場(chǎng)測(cè)試及雷達(dá)系統(tǒng)的外場(chǎng)聯(lián)試,實(shí)現(xiàn)了對(duì)空中目標(biāo)的觀察。對(duì)于更大規(guī)模的天線陣面波控設(shè)計(jì),只需要增加數(shù)據(jù)分配器單元及波控接口單元的數(shù)量即可,滿足武器裝備模塊化的設(shè)計(jì)要求。

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