某小型相控陣?yán)走_(dá)波束控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邢志強(qiáng)

摘 要：根據(jù)某小型相控陣?yán)走_(dá)對波束控制系統(tǒng)的集成化要求，設(shè)計(jì)一種具有波束控制，定時控制和配電轉(zhuǎn)換功能的波控系統(tǒng)。重點(diǎn)介紹系統(tǒng)的組成原理，硬件平臺和軟件流程，以及配電方案的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、多功能一體化，靈活性與可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：相控陣?yán)走_(dá)；波束控制；電源分配

中圖分類號： TN958.92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）17-143-2

0 引言

某相控陣?yán)走_(dá)天饋線結(jié)構(gòu)緊湊，陣面由兩個一維正交線陣構(gòu)成。波控系統(tǒng)通過控制兩個一維線陣陣面共96路T/R組件，實(shí)現(xiàn)在方位和俯仰方向上的波束掃描。同時結(jié)合天線的機(jī)械掃描，可實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的全空域立體掃描，具有很高的靈活性。由于雷達(dá)天饋線陣面空間較小，波控系統(tǒng)在保證準(zhǔn)確快速布相的同時，需要進(jìn)行集成化輕小型設(shè)計(jì)，節(jié)省系統(tǒng)資源并提高穩(wěn)定性[1]。

本文提出一種基于FPGA+DSP架構(gòu)的集成式波控系統(tǒng)方案，在滿足相位控制、同步控制、數(shù)據(jù)傳輸和自檢信號處理等功能的基礎(chǔ)上，還將雷達(dá)工作必需的定時控制和電源轉(zhuǎn)換分配部分集成在一起，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊，輕重量，高可靠性的一體化要求。

1 波控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

從系統(tǒng)功能模塊劃分來看，主要由波控、定時控制和電源轉(zhuǎn)換分配三個模塊組成，如圖1所示。波控系統(tǒng)接收雷達(dá)微波源提供的時鐘基準(zhǔn)信號，完成雷達(dá)整機(jī)定時控制；接收上位機(jī)的信息中心控制指令及數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)T/R組件波束布相控制，同時向上位機(jī)反饋T/R組件狀態(tài)及溫度數(shù)據(jù)和故障信息；DC-DC電源轉(zhuǎn)換分配，為雷達(dá)其他各分系統(tǒng)或模塊提供低壓DC電源。

由天線陣面結(jié)構(gòu)可知，波控系統(tǒng)安裝在十字型天線體內(nèi)，空間較為緊湊。綜合考慮系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)和布相時間，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)為由波控1、波控2（對應(yīng)方位線陣）、波控3和波控4（對應(yīng)俯仰線陣）四部分電路共同完成系統(tǒng)功能。為降低電路成本和增加系統(tǒng)可靠性，該系統(tǒng)采用設(shè)備量少、維修方便、可靠性高的集中與分布式相結(jié)合運(yùn)算、分布式驅(qū)動體系。其中波控1模塊基于DSP+FPGA方案設(shè)計(jì)，波控2～波控4電路由FPGA獨(dú)立控制。

在波控1的電路中，DSP根據(jù)方位波束指向角，俯仰波束指向角，工作頻率等信息，分別計(jì)算出線陣所有單元方位、俯仰方向的饋相梯度，公式如下：

式中θ、γ分別表示方位、俯仰線陣的波束指向角，dx、dy分別表示方位和俯仰線陣相鄰移相器之間的距離。

在波控1～波控4電路中的FPGA根據(jù)從DSP傳來的饋相梯度及事先存放在各自RAM中的對應(yīng)單元的相位補(bǔ)償碼，依據(jù)各個單元的排列順序按照公式（3）、（4）計(jì)算出每個單元的布相碼，完成波束的控制。

式中m、n為陣面單元相對坐標(biāo)原點(diǎn)的位置坐標(biāo)，Δ?、Δ?為各種因素下引入的總相位誤差的相位補(bǔ)償碼[2]。

定時控制模塊接收上位機(jī)輸入的控制命令，采用頻率合成單元輸出的基準(zhǔn)源時鐘信號作為基準(zhǔn)，分別產(chǎn)生系統(tǒng)所需的方位觸發(fā)脈沖與俯仰觸發(fā)脈沖等定時信號。設(shè)計(jì)中，定時控制模塊與波控1模塊一起位于方位1波控分路電路板上，共享一片F(xiàn)PGA資源。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

波控和配電系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)在4塊印制板上。波控1電路主要由FPGA控制模塊、DSP計(jì)算模塊、高速串口通信電路、時鐘管理模塊、電平轉(zhuǎn)換電路以及外圍驅(qū)動電路組成，波控2～波控4電路相同，與波控1電路區(qū)別在于沒有DSP模塊，波控原理框圖如圖2所示：

所有外部接口的輸入/輸出均通過FPGA進(jìn)行通信。FPGA接收上位機(jī)送來的控制命令和方位波束指向角，俯仰波束指向角，工作頻率的數(shù)據(jù)信息，將其送至DSP，DSP通過32位數(shù)據(jù)總線和地址總線與FPGA相連，DSP根據(jù)方位波束指向角，俯仰波束指向角，工作頻率計(jì)算出饋相梯度，并將結(jié)果送回FPGA，F(xiàn)PGA接收DSP的饋相梯度數(shù)據(jù)，根據(jù)各移相單元在陣面中的坐標(biāo)位置計(jì)算移相碼，最后與該狀態(tài)下的相位補(bǔ)償碼相加并將結(jié)果存入內(nèi)部存儲器中，按照T/R組件的時序要求通過接口驅(qū)動電路送至各移相單元。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

本波控系統(tǒng)采用集中-分布式計(jì)算的波束控制方法。在程序開始時，首先對波控系統(tǒng)端口進(jìn)行自檢，根據(jù)自檢結(jié)果判斷系統(tǒng)是否能正常工作。如果檢測結(jié)果不正常，則在檢測命令收到后將檢測信息上報(bào)上位機(jī)，同時端口對組件的控制端口以保護(hù)組件。如果檢測結(jié)果一切正常，則將波控對組件端口配置為初態(tài)下，然后系統(tǒng)進(jìn)入等待，等待雷達(dá)控制指令。

波控算法是本波控系統(tǒng)的一個重點(diǎn)控制過程。雷達(dá)系統(tǒng)的控制指令和數(shù)據(jù)傳遞通過高速串口完成。響應(yīng)中斷后，接收來自雷達(dá)控制的全部波控指令，根據(jù)指令字中的模式判斷進(jìn)入不同的工作狀態(tài)。

在波控運(yùn)算模式下，首先從RAM中根據(jù)頻點(diǎn)讀取相應(yīng)的移向補(bǔ)償，衰減補(bǔ)償，然后根據(jù)波控控算法計(jì)算相應(yīng)組件的移向值、衰減值，最后將計(jì)算結(jié)果送組件根據(jù)定時進(jìn)行控制。

波控置數(shù)模式是組件檢測的特殊方式，在這種模式下，首先從上位機(jī)命令字中直接獲得指定組件移向、衰減、開關(guān)狀態(tài)等數(shù)據(jù)送給組件進(jìn)行控制，然后能夠?qū)⒉厮统龅臄?shù)據(jù)讀回上位計(jì)算機(jī)。

在波控自檢模式下，首先將組件端口狀態(tài)讀回，端口狀態(tài)與波控內(nèi)部設(shè)定的存儲器結(jié)果比較，判斷波控對組件的控制狀態(tài)，檢測完成將檢測結(jié)果上報(bào)給上位機(jī)。

2 配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個系統(tǒng)集成了雷達(dá)整機(jī)的電源分配系統(tǒng)。該配電系統(tǒng)采取兩級變換，中心分配設(shè)計(jì)理念。50Hz380V的工業(yè)級電源輸入，經(jīng)過配電箱完成濾波、分路、DC-DC轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生DC300V供給波控板上的電源轉(zhuǎn)換分配單元；電源轉(zhuǎn)換分配模塊部署于四塊分路板上，將DC300V電源轉(zhuǎn)換成多路低壓DC電源，送給雷達(dá)其他各用電單元。

DC300V輸入電源按9千瓦考慮，波控1板除了為T/R組件和自身供電外，還需對微波源、接收系統(tǒng)、上位機(jī)供電；波控2除了為T/R組件和自身供電外，還需為伺服、風(fēng)機(jī)等系統(tǒng)供電；波控3與波控4則只需為T/R組件和自身供電。

3 結(jié)束語

本文結(jié)合相控陣?yán)走_(dá)的特點(diǎn)及實(shí)際工程需求，給出了基于FPGA+DSP架構(gòu)的某型雷達(dá)波控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。本設(shè)計(jì)在滿足高速、實(shí)時性相位控制功能基礎(chǔ)上，將雷達(dá)工作必需的定時控制和電源轉(zhuǎn)換分配部分以電路形式集成在一起，具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、多功能一體化，靈活性與可靠性高的特點(diǎn)，為雷達(dá)的高機(jī)動、小型化和通用化發(fā)展趨勢提供了技術(shù)保障。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 陳琛，張宇馳.基于FPGA的機(jī)載波控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2010（05）.

[2] 陳伯孝.現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2012.