一種機(jī)載雷達(dá)小型化波控設(shè)備設(shè)計(jì)

許大進(jìn)，李 琳

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

一種機(jī)載雷達(dá)小型化波控設(shè)備設(shè)計(jì)

許大進(jìn)，李 琳

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

機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)波控設(shè)備通過簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)及大規(guī)模集成電路應(yīng)用，利用光纖收發(fā)模塊設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)緩存及編碼控制模塊設(shè)計(jì)、分發(fā)及并串控制模塊設(shè)計(jì)等措施，實(shí)現(xiàn)了256個(gè)天線單元的布相和時(shí)序控制任務(wù)，滿足了系統(tǒng)布相時(shí)間要求，該設(shè)計(jì)具有小型、高速、可靠性與靈活性高等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于中小型地面、機(jī)載、星載相控陣?yán)走_(dá)的波控設(shè)計(jì)。

小型化波控設(shè)備；機(jī)載雷達(dá)；光纖

0 引 言

雷達(dá)在軍事領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用，為適應(yīng)人造地球衛(wèi)星及機(jī)載預(yù)警等領(lǐng)域的探測(cè)要求，相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)獲得了飛速發(fā)展[1]。相控陣?yán)走_(dá)具有快速改變天線波束指向和波束形狀能力、易于形成多個(gè)發(fā)射接收波束、可在空間實(shí)現(xiàn)信號(hào)合成等特點(diǎn)，使其具備穩(wěn)定跟蹤多批高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的能力，能獲得較大的輻射功率，加大雷達(dá)作用距離，提高雷達(dá)測(cè)量精度和有效對(duì)抗各種雜波。波控設(shè)備是相控陣天線的重要部件，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,波控系統(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)大的功能至關(guān)重要[2-3]。

1 功能原理

根據(jù)雷達(dá)的任務(wù)要求，波控完成的主要功能是移相碼運(yùn)算、陣面布相、時(shí)序控制及陣面監(jiān)控，其控制對(duì)象是天線模塊、延遲放大組件、矩陣開關(guān)、射頻單元等[4]。為了減小設(shè)備量，系統(tǒng)將移相碼的運(yùn)算功能放在任務(wù)管理模塊中進(jìn)行。波控設(shè)計(jì)的原理如圖1所示。

圖1 波控原理框圖

系統(tǒng)上電后，任務(wù)管理模塊根據(jù)雷達(dá)工作模式，先完成陣面所有組件單元的移相碼運(yùn)算，而后在波控統(tǒng)一時(shí)序控制下，通過波分復(fù)用模塊將大容量波控移相碼和光纖指令參數(shù)發(fā)送給陣面波控。波控接收到光纖指令和控制參數(shù)后，通過內(nèi)部現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)功能電路，對(duì)大容量的串行數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存和解析，再根據(jù)系統(tǒng)時(shí)序要求，通過分發(fā)及并串控制模塊電路，并行完成對(duì)8路饋電網(wǎng)絡(luò)的串行移相碼及參數(shù)控制，產(chǎn)生延遲組件、矩陣開關(guān)以及陣面設(shè)備工作必須的移相控制時(shí)序、導(dǎo)前重復(fù)頻率和波位(BW)信號(hào)等。

波控還負(fù)責(zé)射頻光模塊、波分復(fù)用、延遲放大組件、矩陣開關(guān)、射頻單元以及陣面電源等的機(jī)內(nèi)測(cè)試(BIT)，通過狀態(tài)編碼，將故障BIT的檢測(cè)結(jié)果輸出給雷達(dá)系統(tǒng)的監(jiān)控顯示[5]。

2 工程設(shè)計(jì)

波控設(shè)備的工程設(shè)計(jì)包括光纖收發(fā)模塊設(shè)計(jì)、FPGA電路設(shè)計(jì)、電源電路設(shè)計(jì)和接口電路設(shè)計(jì)等，F(xiàn)PGA電路的設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)緩存及編碼控制模塊設(shè)計(jì)和分發(fā)及并串控制模塊設(shè)計(jì)。另外，根據(jù)總體對(duì)安全性的設(shè)計(jì)要求，波控還要考慮對(duì)組件模塊的安全性和小型化設(shè)計(jì)等。

2.1 主控FPGA模塊選型

通過對(duì)資源及功能等因素的考慮，波控使用的主控制芯片，選用Xilinx公司的XC7A200T型FPGA來進(jìn)行設(shè)計(jì)。該型FPGA擁有4路光纖接口、13 Mb內(nèi)核隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)、285個(gè)I/O以及豐富的邏輯單元等資源。

根據(jù)任務(wù)總體對(duì)陣面發(fā)射移相數(shù)據(jù)量的總要求，單個(gè)頻點(diǎn)單個(gè)指向的數(shù)據(jù)量為64×4×32=8 192 bit，遠(yuǎn)小于FPGA的RAM容量指標(biāo)。波控的指令參數(shù)和狀態(tài)回饋信號(hào)是通過1路雙向的光纖信號(hào)傳輸實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)率2.5 Gb，XC7A200T具有4路雙向光模塊處理能力，數(shù)據(jù)率為3.125 Gb，能滿足任務(wù)要求。另外，波控控制信號(hào)輸出主要有8路DATA信號(hào)及其它控制幾十路信號(hào)，總的信號(hào)數(shù)量約100路，小于FPGA的285個(gè)I/O管腳數(shù)量，使用XC7A200T型FPGA可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。

2.2 光發(fā)射/接收模塊設(shè)計(jì)

光模塊實(shí)現(xiàn)波控與任務(wù)管理模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)計(jì)時(shí)使用國(guó)產(chǎn)模塊型號(hào)為BW-SOM22T11M，中心波長(zhǎng)為850 nm，通道可提供2.5 Gbps典型傳輸速率，使用3.3 V電源供電。

2.3 電源電路設(shè)計(jì)

波控電路中使用了大規(guī)模集成芯片、光纖模塊驅(qū)動(dòng)器、多型接口芯片等器件，這些器件的工作電壓包括5 V、3.3 V、1.8 V、1.2 V、1.0 V等。為了適應(yīng)系統(tǒng)電源供給只有5 V，且能滿足不同芯片的電壓和電流的要求，電源電路使用凌特公司LTM4616電源芯片完成主控電源3.3 V和內(nèi)核1.0 V的設(shè)計(jì)，配置電路需要的1.8 V電源和光模塊電路需要的1.2 V電源由LT3209電源芯片產(chǎn)生。

2.4 數(shù)據(jù)緩存及編碼控制模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)緩存及編碼控制模塊的主要任務(wù)是完成陣面波控?cái)?shù)據(jù)的預(yù)存，并實(shí)現(xiàn)對(duì)陣面波控碼的調(diào)取和分配。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效控制，對(duì)串行移相數(shù)據(jù)、模式指令等進(jìn)行了嚴(yán)格的控制。表1是自定義的光纖數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

表1 自定義的光纖數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

2.5 分發(fā)及并串控制模塊設(shè)計(jì)

波控的分發(fā)及并串控制模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)緩存、編碼模塊的全陣面控制數(shù)據(jù)和參數(shù)重新組合及控制，并在自己產(chǎn)生的整機(jī)時(shí)序觸發(fā)控制下，將緩存RAM中的并行數(shù)據(jù)按照約定的協(xié)議分發(fā)給8個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)寄存器、2個(gè)延遲組件實(shí)時(shí)寄存器、1個(gè)矩陣開關(guān)實(shí)時(shí)寄存器。圖2是饋電網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分發(fā)傳輸示意圖。

圖2 饋電網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分發(fā)傳輸示意圖

2.6 組件安全性設(shè)計(jì)

波控對(duì)組件的安全保護(hù)主要通過3個(gè)方面：首先，進(jìn)行了硬件時(shí)序參數(shù)保護(hù)設(shè)計(jì)；其次，對(duì)功率開關(guān)輸出脈寬進(jìn)行了限制，避免參數(shù)異常時(shí)控制脈沖過寬而損壞器件；另外，波控對(duì)芯片上電配置期間的接口信號(hào)進(jìn)行了保護(hù)設(shè)計(jì)，利用對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片使能端的控制，確保上電期間電路中功率調(diào)制信號(hào)的輸出為低。

2.7 小型化設(shè)計(jì)

由于機(jī)載平臺(tái)對(duì)雷達(dá)的重量限制，天線陣面對(duì)波控設(shè)備的小型化設(shè)計(jì)提出了很高的要求。波控的小型化設(shè)計(jì)通過以下幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)：

(1) 大規(guī)模集成電路應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件FPGA的技術(shù)應(yīng)用，使得波控設(shè)備體積大大縮小，并且可靠性和信號(hào)質(zhì)量也大大改善。由前面的分析可知，實(shí)現(xiàn)波控大容量數(shù)據(jù)緩存的存儲(chǔ)器以及系統(tǒng)的邏輯控制都可以在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，大大節(jié)省了使用器件數(shù)量。

(2) 簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

波控設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到其計(jì)算任務(wù)量不是很大，可由雷達(dá)綜合信息處理單元中的時(shí)序監(jiān)控模塊完成波控碼的計(jì)算，省去了計(jì)算模塊的設(shè)備量，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。

(3) 整合信號(hào)類型

波控與綜合饋電網(wǎng)絡(luò)以及組件互聯(lián)的通道數(shù)量很多，信號(hào)類別也很多。設(shè)計(jì)這些信號(hào)時(shí)，除了對(duì)每路串行信號(hào)(SD)進(jìn)行單獨(dú)控制外，其余信號(hào)可以進(jìn)行同源設(shè)計(jì)，然后再通過驅(qū)動(dòng)形成多路輸出。將信號(hào)類型整合，可以減小FPGA芯片的使用IO管腳數(shù)及外圍驅(qū)動(dòng)器的數(shù)量。

(4) 合理布局印制板電路

波控的功能電路主要包括FPGA電路及其配置電路、電源電路、接口電路、電源電路等。設(shè)計(jì)時(shí)，合理布局功能電路及印制板上器件的擺放位置，使得電路性能更加穩(wěn)定可靠。最終形成的布局如圖3所示。

圖3 印制板布局示意圖

3 關(guān)鍵指標(biāo)分析

波控的關(guān)鍵指標(biāo)就是布相時(shí)間。布相時(shí)間主要包括相位碼的計(jì)算時(shí)間、任務(wù)管理模塊到波控的指令數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間、波控到饋電網(wǎng)絡(luò)模塊的分發(fā)傳輸時(shí)間。

(1) 相位碼計(jì)算時(shí)間

相位碼的計(jì)算在任務(wù)管理模塊中實(shí)現(xiàn)，根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)量要求，整個(gè)陣面布相數(shù)據(jù)的運(yùn)算時(shí)間在40 μs以內(nèi)。

(2) 指令數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間

指令數(shù)據(jù)傳輸是通過光纖實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)波位周期的指令數(shù)據(jù)不超過2 000字節(jié)，使用2.5 Gb的傳輸速率，總共時(shí)間不超過12 μs。

(3) 分發(fā)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間

T/R組件的每個(gè)通道數(shù)據(jù)為32 bit，每個(gè)四通道組件共128 bit，一個(gè)綜合饋電模塊內(nèi)布相數(shù)據(jù)為1 024 bit，考慮到信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，波控傳輸數(shù)據(jù)率為5 Mb/s，8個(gè)T/R組件的數(shù)據(jù)采用1路組合傳輸，則分發(fā)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間為249.6 μs。詳細(xì)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間見表2。

表2 詳細(xì)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間

總布相時(shí)間小于40+12+249.6=301.6 μs，滿足系統(tǒng)波控碼更新時(shí)間小于400 μs的指標(biāo)要求。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)波控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了256個(gè)天線單元的布相和時(shí)序控制要求，具有小型、高速、可靠性高與靈活性高等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于中小型地面、機(jī)載、星載相控陣?yán)走_(dá)的波控設(shè)計(jì)。

[1] 李濤，晏開華.一種T/R組件波控電路測(cè)試方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微電子學(xué),2014(4):273-276.

[2] 段曉超，段玲琳，黃翌.T/R組件的安全控制策略研究[J].火控雷達(dá)技術(shù),2016(6):61-63.

[3] 陳俊，馮武.現(xiàn)代相控陣?yán)走_(dá)天線波控技術(shù)研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2014(2):64-67.

[4] 鄭清.相控陣?yán)走_(dá)波控系統(tǒng)技術(shù)研究[J].現(xiàn)代雷達(dá),2006(4):53-55.

[5] 許大進(jìn)，李琳，宣浩.一種機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)波控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2015(6):572-576.

DesignofAMiniatureBeamControlEquipmentforAirborneRadar

XU Da-jin,LI Lin

(No.38 Research Institute of CETC，Hefei 230088，China)

By simplifying the design of airborne phased array radar beam control equipment and applying large scale integrated circuit,this paper uses the designs such as optical fiber transceiver module,data buffer memory and coding control module,distribution and parallel-serial control module,etc.to realize the phase distribution and sequence control tasks of 256 antenna units,which satisfies the time requirement of system phase distribution.The design has the characteristics of miniaturization,high-speed,high reliability and flexibility,etc.,can be widely used for beam control equipments of small-sized,medium-sized,ground,airborne,satellite-borne phased array radar.

miniature beam control equipment;airborne radar;fiber-optical

TN957

B

CN32-1413(2017)05-0102-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.05.023

2017-05-12