小型机载高集成波控系统设计

赵 婧

(中国电子科技团公司第三十八研究所，合肥 230088)

【光学工程与电子技术】

小型机载高集成波控系统设计

赵 婧

(中国电子科技团公司第三十八研究所，合肥 230088)

针对小型机载相控阵雷达波束控制系统重量轻、体积小、波束控制高实时性的特点，提出了在复杂电磁环境下设计高集成波控系统的技术难点，通过对T/R组件的布相实时性、抗辐照设计、防电磁干扰、热设计等关键技术的分析，给出了具体解决方法，获得了满意的实验效果。

波控数据；小型化机载；高集成；复杂电磁环境

相控阵雷达是通过对数字式移相器的控制实现对天线波束的定向扫描，控制移相器的相位改变可在瞬间完成(微秒级)，天线波束在空间的扫描几乎是无惯性的，具有很大的灵活性。充分利用天线波束扫描的灵活性和快速性，使相控阵雷达具有边扫描边跟踪等许多新功能。采用吊舱式相控阵天线的小型机载雷达，结构紧凑，阵面空间较小。整个阵面由超过100个T/R组件构成。这就要求在保证高可靠性的同时严格控制波控系统的设备量，完成快速布相的功能。从波束控制系统的基本原理、影响波控系统设计的关键因素出发，为改善系统的运算速度、信号传输、小型化等性能,提出了解决波控设计关键技术的方法并验证适用效果。

1 工作原理

根据天线波束所应指向的空间位置，波控计算机计算出相应的方位及仰角初始相位值，然后再计算出阵列线中每个单元移相器所需的相位值，求出阵列中各个移相器需要的波束控制码，打入相应的寄存器使移相器移相，从而使天线波束指向预定的搜索空域。波控系统的功能就是按照雷达系统送来的方位及仰角初始布相量，应用某种布相算法来完成天线配相运算和实时输出。平面相控阵天线单元如图1所示。

图1 平面相控阵天线示意图

为了在(θ，φ)方向上获得波束能量最大值，应有：

φ

(1)

(2)

其中，λ为雷达射频信号的波长；dx、dy为阵列天线方位向和距离向的单元间距；θ、φ为天线波束指向角度。对于第(i,k)个阵元相对于第(0,0)个天线阵元的阵内相位差为

Δφ=iβ+kα

(3)

C(i，k)=iβ+kα

(4)

由式(4)计算出平面相控阵天线中每个阵元的波控数码，将波控数码按照特定时序发送给每个阵元的移相器，就能够让天线的波束指向特定的角度。

2 系统实现

根据波束控制系统中要实现的功能，常规相控阵雷达的波控系统包括：计算系统(计算各单元的相移)、存储系统、单元相位控制系统和自检系统。一个基本的相位控制系统框图如图2所示。由于要满足机载雷达高空高速、小型化要求，所以该波控系统是将波控接口单元和波控计算机单元通过可编程逻辑器件FPGA， 达到在一块印制板上实现系统所要求的全部功能。进行系统设计时，在满足电性能的前提下要重点解决系统可靠性问题，以满足高可靠、长寿命、低功耗和轻重量的要求；充分考虑电磁兼容性设计，以适应工作时苛刻的电磁环境；硬件结构加固处理，以满足高空高速机载平台的装载要求和飞行时残酷的力学环境。在设计时应解决几个关键技术；波控数据的产生方式；高速和实时布相；波控数码的传输方式；抗辐照和防电磁兼容设计；热设计。

图2 波控系统构成

2.1 波控数据的产生方式

从提高波控系统的布相速度出发，可以采用软件查表法减轻波控计算机的运算量，提高波控计算机的布相速度，将一些较复杂的、运算量较大的计算放在波控计算机外处理，把移相码和衰减码的实时计算变为查表获取，按照已获得的波控代码或按照一定的波控代码算法将相扫范围内全部校正后的波束控制代码形成阵列表，存在计算机存储器之中，整机通过网络通信将频率点和波控指令送给波束控制系统。波控计算机收到指令后，计算第一个移相器的起始地址，然后通过地址递增顺序读出所对应的各移相器的相位代码，完成一个波束驻留过程。雷达将依据实际环境特点，在方位(0～360°)上划分若干个扇区，根据每个扇区的目标特性定义相对应的一种工作模式，然后由波控计算机产生所有扇区与工作模式相对应的波束驻留时间表，根据时间表自动调度雷达波束扫描。

为了增加雷达系统的抗干扰能力，雷达系统通常有多个跳频点，而每个频率点又有多种波束指向工作方式，每种工作方式下要控制多个移相器的移相码。为了查表方便，在存储器中数据的排序遵循如下规则：频率点从小到大、工作波束按即定顺序(如工作模式、波束位置等)、移相器编号从小到大。将所获得的波控代码有序地送至各个移相器，控制天线波束扫描。

为了实现波束控制系统高速度、高可靠性和高灵活性的要求，本系统软件开发平台选用了嵌入式VxWorks 操作系统，具有高实时性、多任务管理、内核小、能够进行远程调试等优点。

2.2 高速和实时布相

目前，在波束控制系统设计中普遍采用二级缓存同步布相，即提前将下一波束的布相数据计算好并依次锁存在一级缓存中，当波束进行切换时由波位切换信号将一级缓存中的布相数据同步打入到二级缓存中，二级缓存中的数据将直接控制T/R组件。二级缓存工作示意图如图3。为了达到高速和实时布相，在硬件上采取基于Xilinx嵌入式FPGA设计，在FPGA内使用嵌入式PowerPC440 CPU核作为处理器，配合CPU主频可达800 MHz的控制计算机，在FPGA内进行高速布相和并串转换设计，通过设置串口控制和FLASH接口进行串口通信控制，实现FLASH控制器功能。可以最少占用逻辑资源、减少延迟、优化性能。

2.3 波控数码的传输方式

波控系统控制T/R组件的主要信号有6位接收移相码、6位发射移相码、6位数控衰减码、6位开关控制信号、收发选择信号等，同时还有T/R组件回送给波控系统的故障回馈信息等。光是此处的电缆就是一个不小的数量。波控数据的传输目前有并行和串行，并行传输速度快，但是线缆数量多，串行传输最大的优势就是线缆数量少。在满足实时性要求的前提下采用了“内并行外串行”的方法大大地减少设备的重量。当通过查表法得到波控数据后，计算机将并行波控数据发送给FPGA，通过FPGA转换成串行数据后送往T/R组件，如图4所示。

图3 二级缓存工作示意图

图4 多点传输串行法示意图

2.4 抗辐照和防电磁兼容设计

辐射环境是制约微电子和光电器在航天工程中应用的重要因素。由于工作环境恶劣、电磁环境复杂，在强辐射条件下电路会发生锁定效应、信号传输会有很多毛刺，所以必须采取有效的防护措施。主要有以下几个方面：

1) 元器件的选择和物理防护。尽量选择具有RHA等级的抗辐射元器件。在核心器件以及抗辐射要求高的器件上涂防护漆、防护膜等物理措施。

2) 电子线路级要采取加固措施。 首先，将电路输入端和输出端设置嵌位电路和限流措施，确保输入电压和输出电压的稳定性；其次要在集成电路电源输入端加去耦电路，防止集成电路电源端产生瞬态高压，防止损坏器件。

3) 隔离的电源、地。供给T/R组件与波控单元的电源、地是相互隔离的，波控单元控制T/R组件的信号都经过接口芯片或隔离电路，最后整机电源共地。

4) 多层电路板电磁兼容。多层电路板布线直接影响系统运行的稳定性，布板时应首先考虑电磁兼容，比如电源平面应靠近地平面，对辐射电流起到屏蔽作用；把数字电路和模拟电路分开，时钟电路和高频电路一定要单独安排，远离敏感电路；电路板的最外两层设计为大面积屏蔽层，有效保护内部电路免受干扰。

2.5 热设计

由于雷达腔体小，为有效地控制外热阻和热环境，降低集成电路失效率，应进行可靠性热设计。大功率集成电路应安装具有多个间距足够大肋片并且导热系数高的散热器，散热器进行外表面处理(比如黑色)，增强辐射散热。

在系统工作时，元器件所发出的热量传导的正确途径为：元器件→电路板→支架→机壳→热管(或散热片)。

3 小结

在复杂电磁环境下采用满足实时布相、小型化、高集成的波控系统设计方法，已成功应用于某小型SAR雷达的设计中，获得良好的验证效果。本文的设计方法和设计原则可推广应用于其他小型机载相控阵雷达。

[1] 张光义.相控阵雷达技术[M].北京，国防工业出版社，2009：1-100.

[2] 陈之涛.控阵雷达高速布相的设计与实现[J].雷达科学与技术,2003，1(3)：153-155.

[3] 段玲琳,段晓超.星载大型相控阵雷达波控系统设计研究[J].合肥工业大学学报(自然科学版)，2014,37(3)：319-322.

[4] 车明阳.基于FPGA的相控阵雷达波束控制系统设计[D].长春：长春理工大学，2014:24-35.

[5] 许大进.一种机载相控阵雷达波控系统设计[J].雷达科学与技术，2015(6)：572-575.

[6] 刘焱，汤海燕，唐东.基于场路协同仿真的机载设备电磁干扰分析[J].火控雷达技术，2013，42(3)：82-87.

[7] 左小琼.浅谈解决电子产品电磁兼容问题的实用技巧[C]//教育部中南地区高等学校电子电气基础课教学研究会第二十届学术年会会议论文集(下册)，2010：38-42.

[8] 王帅杰，何俊，王斌，等.基于改进模糊层次分析法的相控阵雷达效能评估[J].火力与指挥控制，2015(2):90-93.

(责任编辑杨继森)

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

赵婧(1971—)，女，高级工程师，主要从事雷达终端、监控系统研究。

10.11809/scbgxb2017.01.027

赵婧.小型机载高集成波控系统设计[J].兵器装备工程学报，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

A