一種用于天線(xiàn)近場(chǎng)測(cè)試的波束控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

周 云,張啟帆,周一帆

(中國(guó)船舶集團(tuán)公司第八研究院,江蘇 南京 211153)

0 引言

隨著高性能天線(xiàn)的發(fā)展,對(duì)天線(xiàn)的要求也越來(lái)越高,這對(duì)天線(xiàn)的近場(chǎng)測(cè)量帶來(lái)了許多挑戰(zhàn)。綜合考慮當(dāng)前主流天線(xiàn)的發(fā)展趨勢(shì),傳統(tǒng)的測(cè)量方法已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足相控陣天線(xiàn)生產(chǎn)裝配的需要。單頻點(diǎn)單波位測(cè)量方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)天線(xiàn)測(cè)量,但測(cè)試效率極其低下。每一次更換天線(xiàn)測(cè)量頻點(diǎn)和波位都需要大量的時(shí)間,并且在不同頻點(diǎn)測(cè)試過(guò)程中,人為的誤差會(huì)帶來(lái)許多不必要的麻煩,所以開(kāi)展對(duì)相控陣天線(xiàn)快速測(cè)試的研究已經(jīng)非常重要[1]。

為了解決這一難題,本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于天線(xiàn)近場(chǎng)測(cè)試的多頻點(diǎn)多波位同時(shí)控制的波束控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在測(cè)試過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)快速切換頻點(diǎn)和波位,不僅提升了天線(xiàn)測(cè)試的效率,還保證了測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與可靠。

1 波束控制系統(tǒng)原理簡(jiǎn)介

波束控制系統(tǒng)主要由一個(gè)共用信號(hào)分配模塊、8個(gè)十六合一移相模塊、一個(gè)串口服務(wù)器和若干功分合成網(wǎng)絡(luò)組成,由主控計(jì)算機(jī)通過(guò)共用信號(hào)分配模塊進(jìn)行統(tǒng)一控制,其組成原理如圖1所示。

圖1 波束控制系統(tǒng)組成原理

先進(jìn)行預(yù)配置操作,串口服務(wù)器預(yù)先通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收主控計(jì)算機(jī)的波位表配置,并通過(guò)RS485總線(xiàn)向32個(gè)十六合一移相模塊按地址編碼順序串行轉(zhuǎn)發(fā)。波位表最大128個(gè)波位×32個(gè)模塊×16移相器×1字節(jié)(布相碼)×2字節(jié)(地址)。十六合一移相模塊接收到波位表后,按順序進(jìn)行保存。共用信號(hào)分配模塊產(chǎn)生十六合一移相模塊工作所需的時(shí)鐘信號(hào)、電源信號(hào)。

預(yù)配置完成后,開(kāi)始正式的天線(xiàn)測(cè)試流程:主控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)通過(guò)RS485串口向波束控制器發(fā)送移相同步脈沖觸發(fā)個(gè)數(shù)和周期信息;波束控制器的控制模塊計(jì)算時(shí)序參數(shù);時(shí)序控制器接收天線(xiàn)掃描架的觸發(fā)脈沖,通過(guò)RS485發(fā)送給共用信號(hào)分配模塊。共用信號(hào)分配模塊生成移相同步脈沖信號(hào)實(shí)時(shí)輸出至十六合一移相模塊。十六合一移相模塊收到移相同步脈沖信號(hào)后,按照波位表存儲(chǔ)順序及移相器工作要求的時(shí)序向16個(gè)移相器分別發(fā)送串行的布相碼及控制信號(hào)[2]。整個(gè)系統(tǒng)的波束切換時(shí)間包括2部分,系統(tǒng)流程時(shí)序如圖2所示。

圖2 波束控制系統(tǒng)工作時(shí)序

(1)1個(gè)移相碼從移相控制模塊傳輸?shù)揭葡嗥鲿r(shí)間移相模塊與移相器之間速率為10 Mbps等于1.25 MB/s,根據(jù)1.25 MB/s計(jì)算,傳輸1個(gè)移相器控制字(按照1字節(jié)計(jì)算),從移相模塊到移相器的時(shí)間約為0.8 μs;

(2)移相器布相時(shí)間:1 μs。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件構(gòu)成

結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)盡量輕便,參考尺寸為650 mm×400 mm×400 mm。其中水平方向各個(gè)十六合一移相模塊間隔為50 mm。垂直方向SMA接頭共16個(gè)。十六合一移相模塊通過(guò)插槽及軌道形式安裝到各自位置。為方便使用和搬動(dòng),將框架設(shè)計(jì)成10個(gè)16合1模塊一個(gè)單獨(dú)的框架,使用時(shí)按照端口數(shù)的多少,進(jìn)行框架的組合。

在十六合一移相模塊后端設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)件用于安裝一級(jí)和二級(jí)功分器,串口交換機(jī)及共用信號(hào)分配模塊,系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

2.2 共用信號(hào)分配模塊

共用信號(hào)分配單元將時(shí)序控制器送過(guò)來(lái)的485電平脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL信號(hào),并分配到32個(gè)十六合一移相模塊。同時(shí)共用信號(hào)分配模塊將晶振產(chǎn)生的時(shí)鐘分配到每個(gè)模塊。共用信號(hào)分配模塊內(nèi)包含一個(gè)開(kāi)關(guān)電源模塊,為本模塊內(nèi)的電路供電,同時(shí)通過(guò)接口為多只十六合一移相模塊供電。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 共用信號(hào)分配模塊結(jié)構(gòu)

圖5 十六合一移相模塊結(jié)構(gòu)

2.3 十六合一移相模塊

系統(tǒng)包含眾多移相器模塊,將移相器模塊分別裝在各十六合一移相器模塊[3],方便系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。每個(gè)十六合一移相器模塊包含16個(gè)移相器和2個(gè)八合一功分器,同時(shí)包含一塊控制板,系統(tǒng)組成如圖 5所示。十六合一移相器模塊接收串口服務(wù)器的配置命令,將128個(gè)波位的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到模塊內(nèi)。在共用信號(hào)分配模塊送來(lái)的同步脈沖同步下按照配置的波位切換時(shí)間對(duì)16個(gè)移相器進(jìn)行配置。系統(tǒng)主控采用Spartan-6系列FPGA,綜合接口、存儲(chǔ),選用XC6SLX9-TQ144芯片,其主時(shí)鐘頻率為24 MHz,FLASH為 128 MB,RAM為6 MB,具有2路串口。Spartan-6系列具有較高的性?xún)r(jià)比,同時(shí)資源可以滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的需要。在FPGA內(nèi)設(shè)計(jì)軟件完成移相態(tài)接收,控制命令的接收。同時(shí)響應(yīng)共用信號(hào)分配模塊的脈沖信號(hào)并對(duì)移相器進(jìn)行配置[4]。十六合一移相模塊采用單+5 V供電,由模塊內(nèi)電路變換出一路-5 V給移相器供電。移相器數(shù)據(jù)時(shí)鐘以10 MHz計(jì),移相碼為6 bit,單個(gè)移相器布相時(shí)間為0.1 μs×6=0.6 μs,單個(gè)模塊共16個(gè)移相器,所需時(shí)間為0.6 μs×16=9.6 μs,十六合一移相模塊為并行處理,所需時(shí)間與單個(gè)模塊的時(shí)間相同,滿(mǎn)足2 ms的切換時(shí)間要求。可切換波束數(shù)為128,要求系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間為128×6 bit×16=1 536 byte,系統(tǒng)存儲(chǔ)空間6 Mbyte,滿(mǎn)足存儲(chǔ)要求。

3 應(yīng)用驗(yàn)證

系統(tǒng)構(gòu)建完成后,將某波段天線(xiàn)架設(shè)在暗室中,利用該系統(tǒng)進(jìn)行天線(xiàn)測(cè)試,以驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性及準(zhǔn)確性。本文進(jìn)行了天線(xiàn)波束指向測(cè)試參數(shù)的測(cè)試,結(jié)果如表1所示。表中可以看出自動(dòng)測(cè)試結(jié)果與理論值基本一致,誤差滿(mǎn)足系統(tǒng)預(yù)定指標(biāo)。

表1 天線(xiàn)波束指向測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種搭配天線(xiàn)近場(chǎng)測(cè)量使用、可多波束測(cè)量的波束控制系統(tǒng)。通過(guò)系統(tǒng)搭建實(shí)現(xiàn)了對(duì)天線(xiàn)近場(chǎng)的快速測(cè)量,并在測(cè)試過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)快速切換頻點(diǎn)和波位,大大縮短了天線(xiàn)的測(cè)試時(shí)間。自動(dòng)測(cè)試結(jié)果與理論值基本一致,誤差滿(mǎn)足系統(tǒng)預(yù)定指標(biāo)。系統(tǒng)主要由硬件與軟件以及機(jī)箱構(gòu)成,各部分開(kāi)發(fā)均需要準(zhǔn)確的輸入。作為一個(gè)工程應(yīng)用類(lèi)項(xiàng)目,該系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的過(guò)程和思路為后面天線(xiàn)快速測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、升級(jí)提供了思路。