一种便携式相控阵雷达波控系统设计

汪永军，张宏财，宣 浩

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230031)

一种便携式相控阵雷达波控系统设计

汪永军，张宏财，宣 浩

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230031)

便携式相控阵雷达波控系统要求低功耗、轻重量、高度集成设计。雷达上电工作时，信号处理单元数字信号处理(DSP)模块完成波控码的计算，得到的波控码保存在波控单元现场可编程门阵列(FPGA)内部随机存取存储器(RAM)。需要改变波束指向时，波控单元根据波束控制命令得到频点和波位号，计算RAM的起始地址，基于RAM查找表的方式获得相应的波控码，达到快速布相要求。该设计方法在试验中得到验证。

便携式相控阵雷达；波控系统；现场可编程门阵列；查表法

0 引 言

相控阵雷达是一种采用相控阵天线实现电子扫描的雷达，具有扫描灵活、快捷的特点，而天线波束的指向和控制是通过波束控制系统实现。波束控制系统不仅要快速精确地计算出各个阵面单元移相器的波束控制数码，对天线单元之间的幅度和相位误差进行修正补偿，使天线快速准确地指向预定的空间方向，且需要对移相器的工作状态、故障等信息进行监测和控制，在工程实践中还要满足在天线测试状态下能够灵活单独地控制每一个移相器的波束控制数码和工作状态，完成天线的测试[1]。

相控阵雷达搜索时，波控系统根据天线波束指向的空间位置，计算出相应的方位或仰角初始相位值，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，并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。在天线的扫描过程中，整个天线系统保持相对固定，即天线本身不做任何机械运动，而是由波控系统通过控制阵列天线中各个单元中移相器的幅度和相位，得到所需要的波束指向，实现控制电磁波束的扫描。

1 系统架构

1.1 系统架构描述

便携式相控阵雷达一般在野外战地使用，由充电蓄电池供电，要求低功耗、轻重量，便于携带，是单兵侦察的主要装备之一。该雷达系统采用一维相控阵体制，结构较简单，波束控制系统需要完成对6个四通道发射/接收(T/R)组件的相位控制，控制的T/R组件数量较少。波控系统完整的链路如图1所示，波控码的计算功能不需要单独的CPU或数字信号处理(DSP)承担，将此功能放置在信号处理单元中实现，利用信号处理单元中的DSP资源完成波控码运算，然后通过串行方式将所有T/R组件波控码数据发送给波控单元，波控单元再将数据分解成6组，并行对6个T/R组件进行布相。因此，波控单元的功能得到简化，可以实现小尺寸、低功耗设计。整个波控链路也做到高度集成，降低了整个雷达数字处理系统的功耗。

1.2 系统工作流程

波控系统布相通常有4种方法：(1)基于端口控制的布相法；(2)基于存储器查表的硬件布相法；(3)基于内存映射的布相法；(4)基于坐标分离的布相法。各种算法有各自的特点，适应的对象也不一样。

便携式相控阵雷达T/R组件数量少，所有频点下所有波位的波控数据总量只有135 kbit，可以在现场可编程门阵列(FPGA)内部寄存，无需外加存储器。因此，适合采用基于存储器查表的硬件布相法。为了达到雷达的快速布相时间要求，在每次上电开机时，信号处理单元中的DSP完成所有波控码的计算，包括5个工作频率点、35个波位、24个T/R组件通道的移相码和衰减码。然后串行发送至波控单元，波控单元利用FPGA内部存取存储器(RAM)资源，建立2个128 k的双口随机RAM，位宽16 bit，分别保存发射移相衰减码和接收移相衰减码。

当波束指向需改变时，只需要信号处理单元通过波束控制命令将工作频点、波位号串行发送给波控单元，波控单元即可从FPGA的RAM中快速提取数据，按照T/R组件的数据格式打入，避免了DSP实时计算和向波控单元传输大量波控码的时间，实现快速布相。

2 功能模块实现

2.1 波控码计算

根据天线阵波束扫描原理，阵中相邻馈电相位按一定规律变化可使天线阵辐射波束按相应规律扫描，波束扫描角度与相邻单元之间相位差的关系为：

Δφ=2πdsinθ/λ

(1)

如图2所示，相邻阵元之间的间距为d，可见扫描角度越大，需要的Δφ越大，第n阵元的移相量为：

P(n)=(n-1)·2πdsinθ/λ

(2)

将λ=c/f代入上式，得到：

P(n)=(n-1)·(2πdsinθ·f/c)+Δp

(3)

式中：c为光速；f为收发信号的频率；Δp为天线阵面上相对参考点单元在工作波长为λ的相移修正量(包括初相补偿、频率补偿、温度补偿和随机码补偿)[2]。

本系统采用6位数字式移相器，移相器所能达到的最小移相量为Δφ=2π/26，第n个阵元的移相码为：

C(n)=[((n-1)·(2πdsinθ·f/c)+Δp)·26/2π]

(4)

信号处理模块中的DSP根据公式(4)计算出所有频点、所有波位下的波控码，然后按照自定义协议串行发送给波控单元。

2.2 波控单元FPGA模块

波控单元主要由FPGA+接口驱动电路组成，所有功能都在FPGA内部实现，FPGA内部的数据流框图如图3所示，主要由接收模块、2个双口RAM模块、命令解析/数据编码模块、串行数据发送模块组成。

(1) 接收模块

接收模块串行接收信号处理单元发送的发射移相衰减码、接收移相衰减码和波束控制命令。3种数据类型通过不同的字头区分，发射移相衰减码采用“FFFF+AA55+数据”的传输格式；接收移相衰减码采用“FFFF+55AA+数据”传输格式；数据按照频点、波位号、T/R通道号顺序编排，每次完成16 bit的数据接收后，产生RAM的写地址和写时序，将数据打入RAM保存。

波束控制命令采用“FFFF+0000+数据”，数据长度共16 bit，包含工作模式、频率点、脉宽、波位等信息，然后将波束控制命令数据发送给命令解析模块处理。完整的命令格式为：FFFF+0000+work_mode[2..0]+FM_mode[2..0]+pulse_width[2..0]+beam_num[5..0]+‘1’。

(2) 命令解析/数据编码模块

命令解析和数据编码模块首先解析波束控制命令，根据频率点、波位号产生RAM读地址和读时序，读地址公式为：Addr=(FM_mode·35+ beam_num)·24。

从2个RAM模块中分别读取每个T/R通道的发射移相衰减、接收移相衰减数据，按照T/R组件的数据格式要求，组合成32 bit的数据，因为T/R组件为四通道，再按照四通道组件数据格式要求编码成128 bit的数据。每次接收到波束控制命令都从RAM中读取24个T/R通道的数据，组合成6组，每组128 bit，分别对应6个T/R组件。

根据命令解析模块得到work_mode参数，可以产生正常模式、增程模式、发射校正模式和接收校正模式等工作时序，根据解析得到pulse_width的参数，可以调整发射脉冲宽度。

(3) 串行码发送模块

串行码发送模块将并行的128 bit数据转换成串行数据，同时匹配128个时钟，频率2.5 MHz，将波控码发送给T/R组件。打码结束后，发送打码结束标志脉冲，最后发送刷新波束指向脉冲。

3 试验结果

便携式相控阵雷达波控系统完成设计后，通过DSP模块发送测试数据，对波控单元FPGA功能模块进行验证。接收模块时序验证如图4所示，每次完成16 bit的数据接收后，产生RAM的写地址和写时序，将数据打入RAM保存。

串行码发送模块时序验证如图5所示，将128 bit数据输出至T/R组件后，输出结束和波位刷新脉冲，完成波束指向的改变。

[1] 弓晓颜.小阵面相控阵雷达波束控制系统的实现[J].电子科技,2015,28(6):155-157.

[2] 廖昌明.基于查找表法的波控系统的设计与实现[J].电子工程师,2008,34(4):7-9.

ADesignofBeamControlSystemforPortablePhasedArrayRadar

WANG Yong-jun,ZHANG Hong-cai,XUAN Hao

(China Electronics Technology Group Corporation 38th Research Institute,Hefei 230031,China)

The beam control system for portable phased array radar requires the design of low power consumption,low weight and high integration.When radar begins to work,the digital signal processing (DSP) module computes all beam control code,and the beam control code from DSP is stored in the random access memory (RAM) of beam control unit field programmable gate array (FPGA).When the beam direction should be changed,the beam control unit gets the frequency point and beam number according to the beam control command，and then calculates the origin address of RAM,and the corresponding beam control code is got through the method of RAM lookup table,thereby the goal changing beam direction rapidly is achieved.The design method is validated in the test.

portable phased array radar;beam control system;field programmable gate array;method of lookup table;

TN958.92

：A

：CN32-1413(2017)04-0016-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.04.005

2017-04-17