一种机载雷达小型化波控设备设计

许大进，李 琳

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

一种机载雷达小型化波控设备设计

许大进，李 琳

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

机载相控阵雷达波控设备通过简化设计及大规模集成电路应用，利用光纤收发模块设计、数据缓存及编码控制模块设计、分发及并串控制模块设计等措施，实现了256个天线单元的布相和时序控制任务，满足了系统布相时间要求，该设计具有小型、高速、可靠性与灵活性高等特点，可广泛应用于中小型地面、机载、星载相控阵雷达的波控设计。

小型化波控设备；机载雷达；光纤

0 引 言

雷达在军事领域发挥着举足轻重的作用，为适应人造地球卫星及机载预警等领域的探测要求，相控阵雷达技术获得了飞速发展[1]。相控阵雷达具有快速改变天线波束指向和波束形状能力、易于形成多个发射接收波束、可在空间实现信号合成等特点，使其具备稳定跟踪多批高速运动目标的能力，能获得较大的辐射功率，加大雷达作用距离，提高雷达测量精度和有效对抗各种杂波。波控设备是相控阵天线的重要部件，不仅要为天线扫描提供正确的相位码,还要满足波束转换的速度要求, 做到迅速精确地布相，同时还要具有阵面监视与状态控制能力,波控系统设计的好坏,对整个雷达系统能否实现其强大的功能至关重要[2-3]。

1 功能原理

根据雷达的任务要求，波控完成的主要功能是移相码运算、阵面布相、时序控制及阵面监控，其控制对象是天线模块、延迟放大组件、矩阵开关、射频单元等[4]。为了减小设备量，系统将移相码的运算功能放在任务管理模块中进行。波控设计的原理如图1所示。

图1 波控原理框图

系统上电后，任务管理模块根据雷达工作模式，先完成阵面所有组件单元的移相码运算，而后在波控统一时序控制下，通过波分复用模块将大容量波控移相码和光纤指令参数发送给阵面波控。波控接收到光纤指令和控制参数后，通过内部现场可编程门阵列(FPGA)功能电路，对大容量的串行数据进行缓存和解析，再根据系统时序要求，通过分发及并串控制模块电路，并行完成对8路馈电网络的串行移相码及参数控制，产生延迟组件、矩阵开关以及阵面设备工作必须的移相控制时序、导前重复频率和波位(BW)信号等。

波控还负责射频光模块、波分复用、延迟放大组件、矩阵开关、射频单元以及阵面电源等的机内测试(BIT)，通过状态编码，将故障BIT的检测结果输出给雷达系统的监控显示[5]。

2 工程设计

波控设备的工程设计包括光纤收发模块设计、FPGA电路设计、电源电路设计和接口电路设计等，FPGA电路的设计主要包括数据缓存及编码控制模块设计和分发及并串控制模块设计。另外，根据总体对安全性的设计要求，波控还要考虑对组件模块的安全性和小型化设计等。

2.1 主控FPGA模块选型

通过对资源及功能等因素的考虑，波控使用的主控制芯片，选用Xilinx公司的XC7A200T型FPGA来进行设计。该型FPGA拥有4路光纤接口、13 Mb内核随机存储器(RAM)、285个I/O以及丰富的逻辑单元等资源。

根据任务总体对阵面发射移相数据量的总要求，单个频点单个指向的数据量为64×4×32=8 192 bit，远小于FPGA的RAM容量指标。波控的指令参数和状态回馈信号是通过1路双向的光纤信号传输实现，数据率2.5 Gb，XC7A200T具有4路双向光模块处理能力，数据率为3.125 Gb，能满足任务要求。另外，波控控制信号输出主要有8路DATA信号及其它控制几十路信号，总的信号数量约100路，小于FPGA的285个I/O管脚数量，使用XC7A200T型FPGA可以满足系统的设计需要。

2.2 光发射/接收模块设计

光模块实现波控与任务管理模块之间的数据传输。设计时使用国产模块型号为BW-SOM22T11M，中心波长为850 nm，通道可提供2.5 Gbps典型传输速率，使用3.3 V电源供电。

2.3 电源电路设计

波控电路中使用了大规模集成芯片、光纤模块驱动器、多型接口芯片等器件，这些器件的工作电压包括5 V、3.3 V、1.8 V、1.2 V、1.0 V等。为了适应系统电源供给只有5 V，且能满足不同芯片的电压和电流的要求，电源电路使用凌特公司LTM4616电源芯片完成主控电源3.3 V和内核1.0 V的设计，配置电路需要的1.8 V电源和光模块电路需要的1.2 V电源由LT3209电源芯片产生。

2.4 数据缓存及编码控制模块设计

数据缓存及编码控制模块的主要任务是完成阵面波控数据的预存，并实现对阵面波控码的调取和分配。为实现数据的有效控制，对串行移相数据、模式指令等进行了严格的控制。表1是自定义的光纤数据传输协议。

表1 自定义的光纤数据传输协议

2.5 分发及并串控制模块设计

波控的分发及并串控制模块，实现对数据缓存、编码模块的全阵面控制数据和参数重新组合及控制，并在自己产生的整机时序触发控制下，将缓存RAM中的并行数据按照约定的协议分发给8个馈电网络实时寄存器、2个延迟组件实时寄存器、1个矩阵开关实时寄存器。图2是馈电网络数据分发传输示意图。

图2 馈电网络数据分发传输示意图

2.6 组件安全性设计

波控对组件的安全保护主要通过3个方面：首先，进行了硬件时序参数保护设计；其次，对功率开关输出脉宽进行了限制，避免参数异常时控制脉冲过宽而损坏器件；另外，波控对芯片上电配置期间的接口信号进行了保护设计，利用对驱动芯片使能端的控制，确保上电期间电路中功率调制信号的输出为低。

2.7 小型化设计

由于机载平台对雷达的重量限制，天线阵面对波控设备的小型化设计提出了很高的要求。波控的小型化设计通过以下几个方面实现：

(1) 大规模集成电路应用

现场可编程逻辑器件FPGA的技术应用，使得波控设备体积大大缩小，并且可靠性和信号质量也大大改善。由前面的分析可知，实现波控大容量数据缓存的存储器以及系统的逻辑控制都可以在FPGA内部实现，大大节省了使用器件数量。

(2) 简化设计

波控设计时，考虑到其计算任务量不是很大，可由雷达综合信息处理单元中的时序监控模块完成波控码的计算，省去了计算模块的设备量，简化了设计。

(3) 整合信号类型

波控与综合馈电网络以及组件互联的通道数量很多，信号类别也很多。设计这些信号时，除了对每路串行信号(SD)进行单独控制外，其余信号可以进行同源设计，然后再通过驱动形成多路输出。将信号类型整合，可以减小FPGA芯片的使用IO管脚数及外围驱动器的数量。

(4) 合理布局印制板电路

波控的功能电路主要包括FPGA电路及其配置电路、电源电路、接口电路、电源电路等。设计时，合理布局功能电路及印制板上器件的摆放位置，使得电路性能更加稳定可靠。最终形成的布局如图3所示。

图3 印制板布局示意图

3 关键指标分析

波控的关键指标就是布相时间。布相时间主要包括相位码的计算时间、任务管理模块到波控的指令数据传输时间、波控到馈电网络模块的分发传输时间。

(1) 相位码计算时间

相位码的计算在任务管理模块中实现，根据系统任务量要求，整个阵面布相数据的运算时间在40 μs以内。

(2) 指令数据传输时间

指令数据传输是通过光纤实现的，每个波位周期的指令数据不超过2 000字节，使用2.5 Gb的传输速率，总共时间不超过12 μs。

(3) 分发数据传输时间

T/R组件的每个通道数据为32 bit，每个四通道组件共128 bit，一个综合馈电模块内布相数据为1 024 bit，考虑到信号传输数据的稳定性，波控传输数据率为5 Mb/s，8个T/R组件的数据采用1路组合传输，则分发数据传输时间为249.6 μs。详细的数据传输时间见表2。

表2 详细的数据传输时间

总布相时间小于40+12+249.6=301.6 μs，满足系统波控码更新时间小于400 μs的指标要求。

4 结束语

本文设计的机载相控阵雷达波控设备，实现了256个天线单元的布相和时序控制要求，具有小型、高速、可靠性高与灵活性高等特点，可广泛应用于中小型地面、机载、星载相控阵雷达的波控设计。

[1] 李涛，晏开华.一种T/R组件波控电路测试方案的设计与实现[J].微电子学,2014(4):273-276.

[2] 段晓超，段玲琳，黄翌.T/R组件的安全控制策略研究[J].火控雷达技术,2016(6):61-63.

[3] 陈俊，冯武.现代相控阵雷达天线波控技术研究[J].数字技术与应用,2014(2):64-67.

[4] 郑清.相控阵雷达波控系统技术研究[J].现代雷达,2006(4):53-55.

[5] 许大进，李琳，宣浩.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):572-576.

DesignofAMiniatureBeamControlEquipmentforAirborneRadar

XU Da-jin,LI Lin

(No.38 Research Institute of CETC，Hefei 230088，China)

By simplifying the design of airborne phased array radar beam control equipment and applying large scale integrated circuit,this paper uses the designs such as optical fiber transceiver module,data buffer memory and coding control module,distribution and parallel-serial control module,etc.to realize the phase distribution and sequence control tasks of 256 antenna units,which satisfies the time requirement of system phase distribution.The design has the characteristics of miniaturization,high-speed,high reliability and flexibility,etc.,can be widely used for beam control equipments of small-sized,medium-sized,ground,airborne,satellite-borne phased array radar.

miniature beam control equipment;airborne radar;fiber-optical

TN957

B

CN32-1413(2017)05-0102-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.05.023

2017-05-12