有源相控阵天线波控系统设计分析

王兴伟 冯欣

摘  要：伴随射频与数字集成电路两种技术的不断发展，使得有源相控阵天线研发成本获得有效控制，在此同时有源相控阵天线波控制系统的应用领域在不断扩大。而其中的波控制系统是整个有源相控阵天线波控系统中非常重的构成部分，会对系统波速指向的准确度与响应速度产生直接影响。为此对有源相控阵天线波控系统设计进行充分的分析便显得特别重要和有意义。

关键词：有源相控阵;波控系统;阵列天线

有源相控阵其主要特点便是在天线阵未出现转动时，天线波速能够在大空域范围内，完成高效并且精准的扫描。但是波束指向所具备的控制性功能，基本都是通过相控阵波束系统来实现的，其在整个系统当中所发挥的功能与传统机械式扫描雷达系统非常相似，但却又有很多优势是传统机械雷达系统所不具备的。

1.波控系统硬件设计

1.1系统总体框架

波控系统中有两个非常重要的模块即波控母板与波控子板。其中上位机利用网口，结合TCP/IP协议标准将数据发送到波控盒。波控盒具备信号转换功能，把上位机所发送的数据经过转换后会与波控串口协议信号形式相匹配。波控盒与波控母板间使用的是双工同步串口来实施通信服务的。

对于天线波控系统来说，其主要使用的是波控模块结构，主要功能是实施波控命令接收、解码和发布，由此完成天线工作状态、待机状态、标准状态、自检状态与测试状态等控制，同时还可实施数字电源控制、温度状态信息的采集及处理、状态的检测等。

然而波控模块其功能主要是接收由雷达信号处理（或总控计算机）设备所发出的波速指令，天线单元幅相信号的解算与发布，完成天线波束的空间合成及天线工作模式与标准模式相互间的转换，同时还可实现温度采集、状态回传和天线模块电源的有效控制等功能。波控模块主要是由四个部分所构成，其中包括波控子板、波控母板、控制软件、连接电缆四部分。①波控子板具备接收由母板发来的指令，并完成解码计算和DA读写及电源的调控和温度读取等功能。②波控母板具备接收处理機命令，同时把指令分别发送到波控子板，并且把波控板所传回的命令反馈到信号的处理机处。

1.2母板设计

波控模块是由波控子板与波控母板系统的硬件与软件设计所完成的，波控母板的工作任务是完成指令接收和转发，工作任务相对比较简单。（功能框图如下图所示）

1.3子板设计

波控子板的功能主要是接收波控母板的指令，之后再完成解算、DA读写、温控、电源调整、电源优化、控制模块收发、脉冲收发与切换、接收和发射脉冲选通。（子板控制流程如下图所示）

2.波控系统软件设计

2.1系统软件框图

波控母板主要功能是接收上位机的控制命令，例如波束指向、温度情况、电源控制命令等，同时把这些命令发送到子板，之后接收由子板反馈的数据，并同时将这一信息传送到上位机处。波控子板属于整个系统中非常主要的一个模块，不但可以实时计算出子阵内各阵元移相量，同时形成各种控制指令码，对DA进行驱动，使移相器生成移相量，而且还可以对整体有源相控阵系统进行工作模块与工作状态的监测，例如，对前端T/R电源进行控制和天线的收发，同时对前端T/R温度进行监测，并同时在温度高过标准以后，智能的开启T/R组件风扇。整体系统的控制流程如下图所示。

一般正常状态下，是由上位机来对所对应的控制模块发布控制指令，例如，角度模块发送角度指向的相关控制指令，主要是上位机利用网口通信模块，把指令发送至波控盒，再由波控盒转发这一指令至波控母板中。波控母板接收控制指令以后，把指令转发至相应子板上。这时子板在接收到相应指令以后，结合角度具体指令的实际控制流程，通过相位解算、存储器的读写、移相器驱动等各模块，来最终完成角度控制指令。

在具体调试期间可以看出，上位机程序调试要比FPGA程序的调试简单。为了对前期的FPGA解算结果和后期波束赋形数据及加权效果进行验证，设置了上位机解算的模式。基于这一模式，阵面各阵元的移相量计算与控制指令均由上位机来实现，上位机向波控发送DA控制指令，这时波控子板再完成移相器驱动操作便可以。如此能够保证波控子板程序的简单性，同时还可在子板程序调试未成功的时候，对系统数据与别的相关硬件功能进行调试。基于上位机解算模块，系统控制流程如下图所示。

2.2上机程序设计

上位机程序主要采用C#语言实施具体的编程。C#语言是由微软公司所研发的一种计算机语言，这种语言主要是为.NET格式的应用而研发的，属于相对安全并面向对象的一种程序设计类语言。其具备C++、JAVA及VB等计算机语言的相应势，汇集现代程序设计的全新功能与技术。C#语言的特征与C语言有相同之处，并且也延续了C++语言的一些编程特点，如此使得C#编程语言的转变更加简单，在此情况下程序设计人员也可以及时高效的适应这种语言特性。然而，C#语言与C++语言相比，优化了很多;C#语言所应用的是.NET类数据库，并且应用语言的公共库来实施代码托管，如此使其与C++语言相比，在程序上会相对更为安全可靠，而且在不同平台中的程序可移植性非常优秀。在C#程序设计语言中，并不存在多重继承性，如此防止在类的层次结构当中，因为多重继承所产生的不良结果。

3.结语

总体来说，在有源相控阵天线的快速发展形势下，波控系统作为其系统的重要构成部分，受到相关行业的高度关注。所以本文重点对有源相控天线波控系统设计进行简单的阐述，主要对波控系统的硬件设计与软件设计进行了分析，完成上位机程序的设计，由此实现对波控系统状态的监测与工作模式的控制。

参考文献

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