小型機(jī)載高集成波控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙 婧

(中國電子科技團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088)

【光學(xué)工程與電子技術(shù)】

小型機(jī)載高集成波控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙 婧

(中國電子科技團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088)

針對小型機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)波束控制系統(tǒng)重量輕、體積小、波束控制高實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，提出了在復(fù)雜電磁環(huán)境下設(shè)計(jì)高集成波控系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)，通過對T/R組件的布相實(shí)時(shí)性、抗輻照設(shè)計(jì)、防電磁干擾、熱設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)的分析，給出了具體解決方法，獲得了滿意的實(shí)驗(yàn)效果。

波控?cái)?shù)據(jù)；小型化機(jī)載；高集成；復(fù)雜電磁環(huán)境

相控陣?yán)走_(dá)是通過對數(shù)字式移相器的控制實(shí)現(xiàn)對天線波束的定向掃描，控制移相器的相位改變可在瞬間完成(微秒級)，天線波束在空間的掃描幾乎是無慣性的，具有很大的靈活性。充分利用天線波束掃描的靈活性和快速性，使相控陣?yán)走_(dá)具有邊掃描邊跟蹤等許多新功能。采用吊艙式相控陣天線的小型機(jī)載雷達(dá)，結(jié)構(gòu)緊湊，陣面空間較小。整個(gè)陣面由超過100個(gè)T/R組件構(gòu)成。這就要求在保證高可靠性的同時(shí)嚴(yán)格控制波控系統(tǒng)的設(shè)備量，完成快速布相的功能。從波束控制系統(tǒng)的基本原理、影響波控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素出發(fā)，為改善系統(tǒng)的運(yùn)算速度、信號傳輸、小型化等性能,提出了解決波控設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)的方法并驗(yàn)證適用效果。

1 工作原理

根據(jù)天線波束所應(yīng)指向的空間位置，波控計(jì)算機(jī)計(jì)算出相應(yīng)的方位及仰角初始相位值，然后再計(jì)算出陣列線中每個(gè)單元移相器所需的相位值，求出陣列中各個(gè)移相器需要的波束控制碼，打入相應(yīng)的寄存器使移相器移相，從而使天線波束指向預(yù)定的搜索空域。波控系統(tǒng)的功能就是按照雷達(dá)系統(tǒng)送來的方位及仰角初始布相量，應(yīng)用某種布相算法來完成天線配相運(yùn)算和實(shí)時(shí)輸出。平面相控陣天線單元如圖1所示。

圖1 平面相控陣天線示意圖

為了在(θ，φ)方向上獲得波束能量最大值，應(yīng)有：

φ

(1)

(2)

其中，λ為雷達(dá)射頻信號的波長；dx、dy為陣列天線方位向和距離向的單元間距；θ、φ為天線波束指向角度。對于第(i,k)個(gè)陣元相對于第(0,0)個(gè)天線陣元的陣內(nèi)相位差為

Δφ=iβ+kα

(3)

C(i，k)=iβ+kα

(4)

由式(4)計(jì)算出平面相控陣天線中每個(gè)陣元的波控?cái)?shù)碼，將波控?cái)?shù)碼按照特定時(shí)序發(fā)送給每個(gè)陣元的移相器，就能夠讓天線的波束指向特定的角度。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)波束控制系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)的功能，常規(guī)相控陣?yán)走_(dá)的波控系統(tǒng)包括：計(jì)算系統(tǒng)(計(jì)算各單元的相移)、存儲系統(tǒng)、單元相位控制系統(tǒng)和自檢系統(tǒng)。一個(gè)基本的相位控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。由于要滿足機(jī)載雷達(dá)高空高速、小型化要求，所以該波控系統(tǒng)是將波控接口單元和波控計(jì)算機(jī)單元通過可編程邏輯器件FPGA， 達(dá)到在一塊印制板上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所要求的全部功能。進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足電性能的前提下要重點(diǎn)解決系統(tǒng)可靠性問題，以滿足高可靠、長壽命、低功耗和輕重量的要求；充分考慮電磁兼容性設(shè)計(jì)，以適應(yīng)工作時(shí)苛刻的電磁環(huán)境；硬件結(jié)構(gòu)加固處理，以滿足高空高速機(jī)載平臺的裝載要求和飛行時(shí)殘酷的力學(xué)環(huán)境。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)解決幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)；波控?cái)?shù)據(jù)的產(chǎn)生方式；高速和實(shí)時(shí)布相；波控?cái)?shù)碼的傳輸方式；抗輻照和防電磁兼容設(shè)計(jì)；熱設(shè)計(jì)。

圖2 波控系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 波控?cái)?shù)據(jù)的產(chǎn)生方式

從提高波控系統(tǒng)的布相速度出發(fā)，可以采用軟件查表法減輕波控計(jì)算機(jī)的運(yùn)算量，提高波控計(jì)算機(jī)的布相速度，將一些較復(fù)雜的、運(yùn)算量較大的計(jì)算放在波控計(jì)算機(jī)外處理，把移相碼和衰減碼的實(shí)時(shí)計(jì)算變?yōu)椴楸慝@取，按照已獲得的波控代碼或按照一定的波控代碼算法將相掃范圍內(nèi)全部校正后的波束控制代碼形成陣列表，存在計(jì)算機(jī)存儲器之中，整機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)通信將頻率點(diǎn)和波控指令送給波束控制系統(tǒng)。波控計(jì)算機(jī)收到指令后，計(jì)算第一個(gè)移相器的起始地址，然后通過地址遞增順序讀出所對應(yīng)的各移相器的相位代碼，完成一個(gè)波束駐留過程。雷達(dá)將依據(jù)實(shí)際環(huán)境特點(diǎn)，在方位(0～360°)上劃分若干個(gè)扇區(qū)，根據(jù)每個(gè)扇區(qū)的目標(biāo)特性定義相對應(yīng)的一種工作模式，然后由波控計(jì)算機(jī)產(chǎn)生所有扇區(qū)與工作模式相對應(yīng)的波束駐留時(shí)間表，根據(jù)時(shí)間表自動調(diào)度雷達(dá)波束掃描。

為了增加雷達(dá)系統(tǒng)的抗干擾能力，雷達(dá)系統(tǒng)通常有多個(gè)跳頻點(diǎn)，而每個(gè)頻率點(diǎn)又有多種波束指向工作方式，每種工作方式下要控制多個(gè)移相器的移相碼。為了查表方便，在存儲器中數(shù)據(jù)的排序遵循如下規(guī)則：頻率點(diǎn)從小到大、工作波束按即定順序(如工作模式、波束位置等)、移相器編號從小到大。將所獲得的波控代碼有序地送至各個(gè)移相器，控制天線波束掃描。

為了實(shí)現(xiàn)波束控制系統(tǒng)高速度、高可靠性和高靈活性的要求，本系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺選用了嵌入式VxWorks 操作系統(tǒng)，具有高實(shí)時(shí)性、多任務(wù)管理、內(nèi)核小、能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 高速和實(shí)時(shí)布相

目前，在波束控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中普遍采用二級緩存同步布相，即提前將下一波束的布相數(shù)據(jù)計(jì)算好并依次鎖存在一級緩存中，當(dāng)波束進(jìn)行切換時(shí)由波位切換信號將一級緩存中的布相數(shù)據(jù)同步打入到二級緩存中，二級緩存中的數(shù)據(jù)將直接控制T/R組件。二級緩存工作示意圖如圖3。為了達(dá)到高速和實(shí)時(shí)布相，在硬件上采取基于Xilinx嵌入式FPGA設(shè)計(jì)，在FPGA內(nèi)使用嵌入式PowerPC440 CPU核作為處理器，配合CPU主頻可達(dá)800 MHz的控制計(jì)算機(jī)，在FPGA內(nèi)進(jìn)行高速布相和并串轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)，通過設(shè)置串口控制和FLASH接口進(jìn)行串口通信控制，實(shí)現(xiàn)FLASH控制器功能。可以最少占用邏輯資源、減少延遲、優(yōu)化性能。

2.3 波控?cái)?shù)碼的傳輸方式

波控系統(tǒng)控制T/R組件的主要信號有6位接收移相碼、6位發(fā)射移相碼、6位數(shù)控衰減碼、6位開關(guān)控制信號、收發(fā)選擇信號等，同時(shí)還有T/R組件回送給波控系統(tǒng)的故障回饋信息等。光是此處的電纜就是一個(gè)不小的數(shù)量。波控?cái)?shù)據(jù)的傳輸目前有并行和串行，并行傳輸速度快，但是線纜數(shù)量多，串行傳輸最大的優(yōu)勢就是線纜數(shù)量少。在滿足實(shí)時(shí)性要求的前提下采用了“內(nèi)并行外串行”的方法大大地減少設(shè)備的重量。當(dāng)通過查表法得到波控?cái)?shù)據(jù)后，計(jì)算機(jī)將并行波控?cái)?shù)據(jù)發(fā)送給FPGA，通過FPGA轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)后送往T/R組件，如圖4所示。

圖3 二級緩存工作示意圖

圖4 多點(diǎn)傳輸串行法示意圖

2.4 抗輻照和防電磁兼容設(shè)計(jì)

輻射環(huán)境是制約微電子和光電器在航天工程中應(yīng)用的重要因素。由于工作環(huán)境惡劣、電磁環(huán)境復(fù)雜，在強(qiáng)輻射條件下電路會發(fā)生鎖定效應(yīng)、信號傳輸會有很多毛刺，所以必須采取有效的防護(hù)措施。主要有以下幾個(gè)方面：

1) 元器件的選擇和物理防護(hù)。盡量選擇具有RHA等級的抗輻射元器件。在核心器件以及抗輻射要求高的器件上涂防護(hù)漆、防護(hù)膜等物理措施。

2) 電子線路級要采取加固措施。 首先，將電路輸入端和輸出端設(shè)置嵌位電路和限流措施，確保輸入電壓和輸出電壓的穩(wěn)定性；其次要在集成電路電源輸入端加去耦電路，防止集成電路電源端產(chǎn)生瞬態(tài)高壓，防止損壞器件。

3) 隔離的電源、地。供給T/R組件與波控單元的電源、地是相互隔離的，波控單元控制T/R組件的信號都經(jīng)過接口芯片或隔離電路，最后整機(jī)電源共地。

4) 多層電路板電磁兼容。多層電路板布線直接影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，布板時(shí)應(yīng)首先考慮電磁兼容，比如電源平面應(yīng)靠近地平面，對輻射電流起到屏蔽作用；把數(shù)字電路和模擬電路分開，時(shí)鐘電路和高頻電路一定要單獨(dú)安排，遠(yuǎn)離敏感電路；電路板的最外兩層設(shè)計(jì)為大面積屏蔽層，有效保護(hù)內(nèi)部電路免受干擾。

2.5 熱設(shè)計(jì)

由于雷達(dá)腔體小，為有效地控制外熱阻和熱環(huán)境，降低集成電路失效率，應(yīng)進(jìn)行可靠性熱設(shè)計(jì)。大功率集成電路應(yīng)安裝具有多個(gè)間距足夠大肋片并且導(dǎo)熱系數(shù)高的散熱器，散熱器進(jìn)行外表面處理(比如黑色)，增強(qiáng)輻射散熱。

在系統(tǒng)工作時(shí)，元器件所發(fā)出的熱量傳導(dǎo)的正確途徑為：元器件→電路板→支架→機(jī)殼→熱管(或散熱片)。

3 小結(jié)

在復(fù)雜電磁環(huán)境下采用滿足實(shí)時(shí)布相、小型化、高集成的波控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，已成功應(yīng)用于某小型SAR雷達(dá)的設(shè)計(jì)中，獲得良好的驗(yàn)證效果。本文的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)原則可推廣應(yīng)用于其他小型機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)。

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(責(zé)任編輯楊繼森)

Beem-Controller System Design of Small Airborne High Integration

ZHAO Jing

(No.38 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Hefei 230088, China)

According to the characteristics of small airborne phased array radar beam-controller system for light weight and small volume and instantaneity of beam control, we put forward technical difficulties of high integrated beam-controller system design in the complex electromagnetic environment, and through analyzing of the T/R components of the phase distribution of real-time, anti-radiation, anti-electromagnetic interference design, thermal design and other key technologies, we gave the specific method, and obtained a satisfactory experimental results.

beam-controller data; mini airborne radar; high integration; complex electromagnetic environment

2016-08-21；

2016-09-12

趙婧(1971—)，女，高級工程師，主要從事雷達(dá)終端、監(jiān)控系統(tǒng)研究。

10.11809/scbgxb2017.01.027

趙婧.小型機(jī)載高集成波控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(1):116-118.

format:ZHAO Jing.Beem-Controller System Design of Small Airborne High Integration [J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(1):116-118.

TN958

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