现代相控阵雷达天线波控技术研究

摘要：本文介绍了相控阵雷达天线波控系统的功能、原理、特点。并根据雷达技术的 发展介绍了一种典型的现代相控阵波控系统的方案，同时汇总了一些在工程上会出现的难题 并给出了相应的解决办法，最后指出了波控技术的发展趋势。

关键词：相控阵雷达：波控系统；移相器：布相

l 引言

相控阵雷达通过波控系统控制阵列天线中各单元的相位，完成天线波束的电控扫描， 具有扫描快捷、灵活的特点。波控系统作为相控阵雷达控制波束指向的核心系统，起着至 关重要的作用。一般波束控制系统应该具备的功能有：①相位控制：②同步控制；⑨数 据传输；④BITE(故障检测)。随着雷达技术的不断创新和发展，根据具体需要可以扩展 一些辅助功能，比如随机馈相、天馈线相位误差校正、捷变频以后天线的波束指向修正、对 移相器工作相位和波束形状变化的检测、近场测试等。相控阵雷达对于波控系统的设计要 求有：①能完成系统给予的功能；②满足天线波束快速扫描的要求；③体积小，重量 轻，所用器件尽可能少：④信号连接简单等。

2波控的基本原理

相控阵雷达天线分为线阵相控阵天线和平面相控阵天线：线阵相控阵是指天线单元分 布在一条直线上，其波束可在方位(或俯仰)一个方向进行相控扫描的阵列天线；平面相 控阵天线是指天线单元分布在一个平面上，天线波束在方位与俯仰两个方向均可进行相控 扫描的阵列天线。二维相控阵雷达一般采用平面相控阵天线。这种阵面排列方式一般采取 坐标分离的方式实现其相位控制。所谓坐标分离技术就是将天线波束指向在水平和俯仰两 个方向上进行正交分解，分别计算天线单元在两个方向上的需要变化的相位值，然后求其 代数和即为天线单元需要改变的相位值，天线单元相位的改变可由移相器实现。设天线单 元按等间距矩形格阵排列如图1所示。 图1中阵列在yoz平面上共有M×N个天线单元，每个天线单元都有一个移相器。天 线单元间距分别为d2和dl。设目标所在方向以方向余弦表示，为(cos‰cos‰，cos0Lz)，则 相邻单元之间的“空间相位差”沿y轴(水平)和z轴(垂直)方向分别为：

设天线a、B分别为在水平方向和垂直方向上相邻天线单元的相位值增量，则各天线 单元的相移值为C(i，k)=i时kp。这样每一个天线单元的相位改变值都不一样，需要提供 M×N个波束控制数码。如果只要求波控完成其基本功能，即波束控制数码只是按波束指 向来决定。则波束控制系统就可以简化。如图2所示的在方位和仰角上分别进行馈相的二 维相控阵天线，由各个单元移相器的波束控制数码C(k，i)组成的波束控制数码矩阵 【C(k'i)】M×N可分解为两个分别对应方位与仰角上相位扫描的子矩阵之和。

        这就意味着在图2中增加一层移相器后，波束控制系统通过计算要产生的波束控制数 码便由M×N个降低到了(M+N)个。这使计算工作量大为简化。由于每一行或每一列的 移相器具有相同的相移量，因而图2所示的波束控制信号寄存器数目也可能降低，只要波 束控制信号的功率放大器的电流足够大，就可以使一个驱动器带动多个移相器，从而使波 束控制系统的设备量降低。

3系统设计

由于波控系统运算量比较大，各种控制信号、定时信号比较多，软硬件接口也较为复 杂，所以一般采用波控计算机来完成主要的波控功能。对于天线相位的控制，首先需要一 个存储器来存储通过测试得出的每个天线单元因为各种原因(如天线加工的误差、馈电网 络形成的误差等)造成的相位初始零值的误差校正值与频率、温度构成的三维初始相位表 (以下简称初始相位表)。由雷达中央计算机发送相应的频率代码、波位代码、波束展宽 代码等给波控机，配合移相器附近温度传感器感应的温度信息，波控机通过综合计算得出 各个天线单元需要改变的相位值，再将得出的此相位值与初始相位值做相加处理，最终将 结果转换成二进制代码并进行锁存。等到中央计算机发出移相指令后，将锁存的结果打入 每个天线单元的移相器完成一次布相。

3．1波控设计的方案

        波控设计的方案主要有集中式波控和分布式波控两种。传统相控阵雷达多采用集中式 波控方案，其组成框图如图3。该方案由一个波控机对阵面各单元的相位进行统一运算， 然后将数据分路传给阵面上的每个单元。这种方案的特点是：设备量少。适合单元数比较 少的相控阵雷达。而对于阵面单元较多时其运算速度往往过长，严重影响了波束扫描的速 度。

        平面相控阵天线往往含有数目较多的天线单元，对于这种情况，需要采取分布式波控 的方案，将整个天线阵面划分成若干个子阵，每一个子阵用一个波控机专门进行该子阵中 天线单元相移量的运算和故障检测，其组成框图如图4。这样可以大大减少运算时间，满 足天线波束快速扫描的要求。

3．2波控系统的硬件设计

        波控系统的硬件可由波控计算机、外存储器、通信电路、BITE(机内检测)电路等组成。

3．2．1波控计算机

        波控计算机的主要功能为：通过接收中央计算机发送的频率、波位、展宽等代码，配 合天线阵面温度传感器传送的温度信息代码等信息进行综合运算得出其所控子阵每个天 线单元的相移值并发送给每个天线单元移相器的激励器进行移相。根据需要可以选用多个 嵌入式计算机来完成子阵的移相，以达到控制整个天线波束的目的。

3．2．2外存储器

        很多嵌入式计算机都支持外存储器扩展例如FLASH盘等，可使用此模块完成对初始 相位表、波束展宽相位表、随机馈相数据等的存储。

3．2．3通信电路

        通信电路的功能是将中央计算机的控制指令以一定的通信协议传递给每个子阵的波 控机完成布相，对于某些对工作时间要求比较苛刻的雷达来说，必须采用高速布相的通信 方式。 以太网的出现和普及为这一问题的解决提供了一个新的方法：用以太网传递数据和指 令，把硬件接口变为软件接口，所有发送和接收都遵照TCP／IP协议的约定，避免了硬件 接口的种种弊端，且目前以太网速度可达到千兆数量级，大大提高了数据传输的速率。中 央计算机通过以太网把指令和数据传送给各个波控计算机，由于波控系统有多个节点，需 要同时收到指令，所以指令采用广播方式发送。波控系统各节点通过点对点方式把需要上 报的信息(例如故检信息)回送给中央计算机。

3．2．4 BITE电路

        BITE技术是雷达系统中广泛应用的一种自动化监测与维修的手段。其电路检测的信息有波控码、各天线单元激励器的状态信号、定时信号、定时控制信号和激励器电源输出值 等。 通过对检测到的信息、比较要对以下几点作出判断：①波控码是否正确；②激励器 接收到的波控数码是否有误码；③是否有激励器定时控制信号，状态是否正确；④激励 器是否空载(与阵面移相器连接是否通)；⑤激励器电源工作是否正常。 最后将故障检测信息记录存储，待阵面所有单元一次检测全部完成后，整理故障信息， 按雷达系统要求的故障判别原则，确定故障类别和等级，并以编码形式发送给雷达中央计 算机，便于定期维修。 3．3波控系统的软件设计 按照波控机完成相控阵天线配相运算和实时输出的功能，其软件可以划分相位生成 模块、接口模块和BIT模块三各部分。模块功能结构图如图5所示。

3．3．1相位值生成模块

        该模块是整个波控模块的核心部分，由相位值生成软件模块、初始相位表、温度，波束 展宽等信息采集器、地址转换器等组成。它的功能是根据波控指令生成阵面各单元相位值。 相位值生成软件模块的功能是将在规定相扫范围内可能出现的方位及仰角初始布相 量(表的总页数)，按照一定的布相算法，以阵面总单元为一页。顺序递增地逐页计算出 阵面各单元所对应的相位值，生成数据文件，并固化成初始相位表。 初始相位表的总页数(段地址)就是波束展宽或不展宽情况下，在不同温度环境下方 位／1中角的初始布相量二进制位数的总和(符号位不计在内)。 整个波控机模块都是在控制器发出的信号控制下运行的。其功能包括方位及仰角初始 布相量的符号判别、数据选通、给接口模块提供时序控制信号等。

3．3．2接口模块

        其功能是为数字激励器提供大量的波束控制信号(相位值)，并接收和发送故障检测 信息。它由发送、接收数据的封包、解封模块，相位值寄存器地址产生模块、移相数字驱 动模块和故障信息的接收和发送模块组成。

3．3．3 BIT模块

         BIT模块是波控机软件对自检信息的处理模块。波控机接收到从天线单元反馈回来的 故障信息后，将其汇总并以二进制代码的形式发送给中央计算机，由于相控阵天线本身的 特点，个别天线单元出现问题不会影响到整个天线阵面的方向图，所以波控机给中央计算 机发送故障信息后，仍然会正常工作。中央计算机根据所有波控机发送的故障信息进行判 决，最终决定雷达的下_步工作安排(是正常工作还是停止工作进行故障检查)，并将此 指令发送给波控机。

3．3．4波控分机的软件流程

根据雷达工作的需要，波控分机的软件流程图如图6所示。

4、波控系统实现的几个问题

4．1波控系统硬件的安装 波控系统的控制部分应就近安装在其所控天线子阵阵面附近框架上，这样做是为了有 效的缩短控制线缆的距离，提高系统的可靠性。同时尽量不要和雷达其他分系统的模块、 器件共用一块印制板，·以避免干扰。

4．2高速布相的实现 实现高速布相的途径比较多，其主要途径分为：①选用响应时间较快的移相器提高布 相速度。这种方法适合于移相器种类有较多选择的情况：②将各移相基码对应的阵面单 元移相量存于存储器中，采用查表方法代替实时运算来提高布相速度，这种方法存储的数 据文件巨大，尤其是加上展宽信息和温度信息以后，存储的数据量将会非常是惊人的；③ 采用实时性较强的操作系统代替普通操作系统提高布相速度；④采用高速通信方法(如 以太网或光纤)代替普通的通信方式来提高布相速度等。

4．3可互换性原则 不同波控机的硬件完全一致，软件也完全一致，可以在波控板上加一个识别端子，控 制计算机可以从识别端子读出识别码，以区分不同的波控板，这样就可以实现波控机单元 的直接互换，提高产品的可维修性。

4．4子阵波控机的同步 由于采用了分布式波控的方式，由多个波控计算机共同完成天线波束的指向的控制， 对雷达工作周期时间要求不高的雷达来说，不同波控机之间不同步可能不会造成太大的影 响，但对于快速相位扫描的雷达来说，波控的不同步有可能会造成波束的错误指向，导致 雷达检测到错误的信息。解决的办法有选用一个稳定度比较高的时钟源，作为所有波控计 算机的同步时钟源，也可由中央计算机发出同步信号来控制所有波控机状态以达到同步的 目的。

4．5电磁兼容考虑 相控阵雷达阵面集中了大量的数字电路、移相器和微波器件，同时也是电缆密集的地 方。因此电磁兼容设计对波控系统稳定性至关重要。所有电路都应该采取有效的屏蔽措施： 系统需可靠接地；对于微波辐射较严重的单元和对射频信号敏感的器件应加以隔离，数据 和控制信号的传输也应该考虑其抗干扰性能。

5结束语

        相控阵雷达的应用越来越广泛，对阵面设备的运算量、体积、功耗要求使得对阵面集 成电路的选择也变得苛刻，控制电路的选择已经从EPLD+单片机发展到FPGA+DSP，单 片电路的集成度从几千门向几十万门过渡。对于军用相控阵雷达来说，阵面波控电路使用 条件严酷，且使用量较大，芯片的购买和成本常会发生问题。鉴于此因素，研制波控专用 ASIC芯片已经成为很必要的措施，目前国内已经出现并且开始大批生产波控专用ASIC芯片，对于大型相控阵雷达来说，这是一种降低成本的理想途径。另外随着软件无线电的快 速发展，DBF技术的出现使得雷达|：具有自适应形成多个波束的能力，运用该项技术后，波 控系统无需再为天线接收波束配相(其接收波束的移相功能可在信号处理中实现)。而采 用直接数字合成(DDS)技术可以用数字的方式控制所产生雷达信号的频率、幅度、相位。 波控系统则无需再为天线移相器(发射波束)配相。当这两种技术随着数字讯组件的出 现结合在一起时，传统的波控系统就发生了变化，移相器被数字化的器件所取代。实际上 已经与雷达信号的产生和雷达数据的处理融合在了一起。这种组合技术必将在相控阵雷达 中得到广泛应用。

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