有源相控陣天線波控系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

王興偉 馮欣

摘 ?要：伴隨射頻與數(shù)字集成電路兩種技術(shù)的不斷發(fā)展，使得有源相控陣天線研發(fā)成本獲得有效控制，在此同時(shí)有源相控陣天線波控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)大。而其中的波控制系統(tǒng)是整個(gè)有源相控陣天線波控系統(tǒng)中非常重的構(gòu)成部分，會(huì)對(duì)系統(tǒng)波速指向的準(zhǔn)確度與響應(yīng)速度產(chǎn)生直接影響。為此對(duì)有源相控陣天線波控系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行充分的分析便顯得特別重要和有意義。

關(guān)鍵詞：有源相控陣;波控系統(tǒng);陣列天線

有源相控陣其主要特點(diǎn)便是在天線陣未出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，天線波速能夠在大空域范圍內(nèi)，完成高效并且精準(zhǔn)的掃描。但是波束指向所具備的控制性功能，基本都是通過相控陣波束系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，其在整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中所發(fā)揮的功能與傳統(tǒng)機(jī)械式掃描雷達(dá)系統(tǒng)非常相似，但卻又有很多優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)機(jī)械雷達(dá)系統(tǒng)所不具備的。

1.波控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)總體框架

波控系統(tǒng)中有兩個(gè)非常重要的模塊即波控母板與波控子板。其中上位機(jī)利用網(wǎng)口，結(jié)合TCP/IP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)將數(shù)據(jù)發(fā)送到波控盒。波控盒具備信號(hào)轉(zhuǎn)換功能，把上位機(jī)所發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換后會(huì)與波控串口協(xié)議信號(hào)形式相匹配。波控盒與波控母板間使用的是雙工同步串口來實(shí)施通信服務(wù)的。

對(duì)于天線波控系統(tǒng)來說，其主要使用的是波控模塊結(jié)構(gòu)，主要功能是實(shí)施波控命令接收、解碼和發(fā)布，由此完成天線工作狀態(tài)、待機(jī)狀態(tài)、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)、自檢狀態(tài)與測(cè)試狀態(tài)等控制，同時(shí)還可實(shí)施數(shù)字電源控制、溫度狀態(tài)信息的采集及處理、狀態(tài)的檢測(cè)等。

然而波控模塊其功能主要是接收由雷達(dá)信號(hào)處理（或總控計(jì)算機(jī)）設(shè)備所發(fā)出的波速指令，天線單元幅相信號(hào)的解算與發(fā)布，完成天線波束的空間合成及天線工作模式與標(biāo)準(zhǔn)模式相互間的轉(zhuǎn)換，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)溫度采集、狀態(tài)回傳和天線模塊電源的有效控制等功能。波控模塊主要是由四個(gè)部分所構(gòu)成，其中包括波控子板、波控母板、控制軟件、連接電纜四部分。①波控子板具備接收由母板發(fā)來的指令，并完成解碼計(jì)算和DA讀寫及電源的調(diào)控和溫度讀取等功能。②波控母板具備接收處理機(jī)命令，同時(shí)把指令分別發(fā)送到波控子板，并且把波控板所傳回的命令反饋到信號(hào)的處理機(jī)處。

1.2母板設(shè)計(jì)

波控模塊是由波控子板與波控母板系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)所完成的，波控母板的工作任務(wù)是完成指令接收和轉(zhuǎn)發(fā)，工作任務(wù)相對(duì)比較簡(jiǎn)單。（功能框圖如下圖所示）

1.3子板設(shè)計(jì)

波控子板的功能主要是接收波控母板的指令，之后再完成解算、DA讀寫、溫控、電源調(diào)整、電源優(yōu)化、控制模塊收發(fā)、脈沖收發(fā)與切換、接收和發(fā)射脈沖選通。（子板控制流程如下圖所示）

2.波控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)軟件框圖

波控母板主要功能是接收上位機(jī)的控制命令，例如波束指向、溫度情況、電源控制命令等，同時(shí)把這些命令發(fā)送到子板，之后接收由子板反饋的數(shù)據(jù)，并同時(shí)將這一信息傳送到上位機(jī)處。波控子板屬于整個(gè)系統(tǒng)中非常主要的一個(gè)模塊，不但可以實(shí)時(shí)計(jì)算出子陣內(nèi)各陣元移相量，同時(shí)形成各種控制指令碼，對(duì)DA進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使移相器生成移相量，而且還可以對(duì)整體有源相控陣系統(tǒng)進(jìn)行工作模塊與工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，例如，對(duì)前端T/R電源進(jìn)行控制和天線的收發(fā)，同時(shí)對(duì)前端T/R溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并同時(shí)在溫度高過標(biāo)準(zhǔn)以后，智能的開啟T/R組件風(fēng)扇。整體系統(tǒng)的控制流程如下圖所示。

一般正常狀態(tài)下，是由上位機(jī)來對(duì)所對(duì)應(yīng)的控制模塊發(fā)布控制指令，例如，角度模塊發(fā)送角度指向的相關(guān)控制指令，主要是上位機(jī)利用網(wǎng)口通信模塊，把指令發(fā)送至波控盒，再由波控盒轉(zhuǎn)發(fā)這一指令至波控母板中。波控母板接收控制指令以后，把指令轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)子板上。這時(shí)子板在接收到相應(yīng)指令以后，結(jié)合角度具體指令的實(shí)際控制流程，通過相位解算、存儲(chǔ)器的讀寫、移相器驅(qū)動(dòng)等各模塊，來最終完成角度控制指令。

在具體調(diào)試期間可以看出，上位機(jī)程序調(diào)試要比FPGA程序的調(diào)試簡(jiǎn)單。為了對(duì)前期的FPGA解算結(jié)果和后期波束賦形數(shù)據(jù)及加權(quán)效果進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)置了上位機(jī)解算的模式?；谶@一模式，陣面各陣元的移相量計(jì)算與控制指令均由上位機(jī)來實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)向波控發(fā)送DA控制指令，這時(shí)波控子板再完成移相器驅(qū)動(dòng)操作便可以。如此能夠保證波控子板程序的簡(jiǎn)單性，同時(shí)還可在子板程序調(diào)試未成功的時(shí)候，對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)與別的相關(guān)硬件功能進(jìn)行調(diào)試?；谏衔粰C(jī)解算模塊，系統(tǒng)控制流程如下圖所示。

2.2上機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序主要采用C#語言實(shí)施具體的編程。C#語言是由微軟公司所研發(fā)的一種計(jì)算機(jī)語言，這種語言主要是為.NET格式的應(yīng)用而研發(fā)的，屬于相對(duì)安全并面向?qū)ο蟮囊环N程序設(shè)計(jì)類語言。其具備C++、JAVA及VB等計(jì)算機(jī)語言的相應(yīng)勢(shì)，匯集現(xiàn)代程序設(shè)計(jì)的全新功能與技術(shù)。C#語言的特征與C語言有相同之處，并且也延續(xù)了C++語言的一些編程特點(diǎn)，如此使得C#編程語言的轉(zhuǎn)變更加簡(jiǎn)單，在此情況下程序設(shè)計(jì)人員也可以及時(shí)高效的適應(yīng)這種語言特性。然而，C#語言與C++語言相比，優(yōu)化了很多;C#語言所應(yīng)用的是.NET類數(shù)據(jù)庫，并且應(yīng)用語言的公共庫來實(shí)施代碼托管，如此使其與C++語言相比，在程序上會(huì)相對(duì)更為安全可靠，而且在不同平臺(tái)中的程序可移植性非常優(yōu)秀。在C#程序設(shè)計(jì)語言中，并不存在多重繼承性，如此防止在類的層次結(jié)構(gòu)當(dāng)中，因?yàn)槎嘀乩^承所產(chǎn)生的不良結(jié)果。

3.結(jié)語

總體來說，在有源相控陣天線的快速發(fā)展形勢(shì)下，波控系統(tǒng)作為其系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分，受到相關(guān)行業(yè)的高度關(guān)注。所以本文重點(diǎn)對(duì)有源相控天線波控系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)單的闡述，主要對(duì)波控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，完成上位機(jī)程序的設(shè)計(jì)，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)波控系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與工作模式的控制。

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