一种用于天线近场测试的波束控制系统设计方法

周 云,张启帆,周一帆

(中国船舶集团公司第八研究院,江苏 南京 211153)

0 引言

随着高性能天线的发展,对天线的要求也越来越高,这对天线的近场测量带来了许多挑战。综合考虑当前主流天线的发展趋势,传统的测量方法已经无法满足相控阵天线生产装配的需要。单频点单波位测量方法虽然能够实现天线测量,但测试效率极其低下。每一次更换天线测量频点和波位都需要大量的时间,并且在不同频点测试过程中,人为的误差会带来许多不必要的麻烦,所以开展对相控阵天线快速测试的研究已经非常重要[1]。

为了解决这一难题,本文设计了一种应用于天线近场测试的多频点多波位同时控制的波束控制系统。该系统在测试过程中能够实现快速切换频点和波位,不仅提升了天线测试的效率,还保证了测量数据的准确与可靠。

1 波束控制系统原理简介

波束控制系统主要由一个共用信号分配模块、8个十六合一移相模块、一个串口服务器和若干功分合成网络组成,由主控计算机通过共用信号分配模块进行统一控制,其组成原理如图1所示。

图1 波束控制系统组成原理

先进行预配置操作,串口服务器预先通过网络接收主控计算机的波位表配置,并通过RS485总线向32个十六合一移相模块按地址编码顺序串行转发。波位表最大128个波位×32个模块×16移相器×1字节(布相码)×2字节(地址)。十六合一移相模块接收到波位表后,按顺序进行保存。共用信号分配模块产生十六合一移相模块工作所需的时钟信号、电源信号。

预配置完成后,开始正式的天线测试流程:主控系统计算机通过RS485串口向波束控制器发送移相同步脉冲触发个数和周期信息;波束控制器的控制模块计算时序参数;时序控制器接收天线扫描架的触发脉冲,通过RS485发送给共用信号分配模块。共用信号分配模块生成移相同步脉冲信号实时输出至十六合一移相模块。十六合一移相模块收到移相同步脉冲信号后,按照波位表存储顺序及移相器工作要求的时序向16个移相器分别发送串行的布相码及控制信号[2]。整个系统的波束切换时间包括2部分,系统流程时序如图2所示。

图2 波束控制系统工作时序

(1)1个移相码从移相控制模块传输到移相器时间移相模块与移相器之间速率为10 Mbps等于1.25 MB/s,根据1.25 MB/s计算,传输1个移相器控制字(按照1字节计算),从移相模块到移相器的时间约为0.8 μs;

(2)移相器布相时间:1 μs。

2 系统设计及实现

2.1 硬件构成

结构框架设计尽量轻便,参考尺寸为650 mm×400 mm×400 mm。其中水平方向各个十六合一移相模块间隔为50 mm。垂直方向SMA接头共16个。十六合一移相模块通过插槽及轨道形式安装到各自位置。为方便使用和搬动,将框架设计成10个16合1模块一个单独的框架,使用时按照端口数的多少,进行框架的组合。

在十六合一移相模块后端设计结构件用于安装一级和二级功分器,串口交换机及共用信号分配模块,系统框架如图3所示。

图3 系统框架结构

2.2 共用信号分配模块

共用信号分配单元将时序控制器送过来的485电平脉冲信号转换成TTL信号,并分配到32个十六合一移相模块。同时共用信号分配模块将晶振产生的时钟分配到每个模块。共用信号分配模块内包含一个开关电源模块,为本模块内的电路供电,同时通过接口为多只十六合一移相模块供电。其结构如图4所示。

图4 共用信号分配模块结构

图5 十六合一移相模块结构

2.3 十六合一移相模块

系统包含众多移相器模块,将移相器模块分别装在各十六合一移相器模块[3],方便系统的实现。每个十六合一移相器模块包含16个移相器和2个八合一功分器,同时包含一块控制板,系统组成如图 5所示。十六合一移相器模块接收串口服务器的配置命令,将128个波位的数据存储到模块内。在共用信号分配模块送来的同步脉冲同步下按照配置的波位切换时间对16个移相器进行配置。系统主控采用Spartan-6系列FPGA,综合接口、存储,选用XC6SLX9-TQ144芯片,其主时钟频率为24 MHz,FLASH为 128 MB,RAM为6 MB,具有2路串口。Spartan-6系列具有较高的性价比,同时资源可以满足本设计的需要。在FPGA内设计软件完成移相态接收,控制命令的接收。同时响应共用信号分配模块的脉冲信号并对移相器进行配置[4]。十六合一移相模块采用单+5 V供电,由模块内电路变换出一路-5 V给移相器供电。移相器数据时钟以10 MHz计,移相码为6 bit,单个移相器布相时间为0.1 μs×6=0.6 μs,单个模块共16个移相器,所需时间为0.6 μs×16=9.6 μs,十六合一移相模块为并行处理,所需时间与单个模块的时间相同,满足2 ms的切换时间要求。可切换波束数为128,要求系统的存储空间为128×6 bit×16=1 536 byte,系统存储空间6 Mbyte,满足存储要求。

3 应用验证

系统构建完成后,将某波段天线架设在暗室中,利用该系统进行天线测试,以验证系统的可靠性及准确性。本文进行了天线波束指向测试参数的测试,结果如表1所示。表中可以看出自动测试结果与理论值基本一致,误差满足系统预定指标。

表1 天线波束指向测试结果

4 结语

本文设计了一种搭配天线近场测量使用、可多波束测量的波束控制系统。通过系统搭建实现了对天线近场的快速测量,并在测试过程中能够实现快速切换频点和波位,大大缩短了天线的测试时间。自动测试结果与理论值基本一致,误差满足系统预定指标。系统主要由硬件与软件以及机箱构成,各部分开发均需要准确的输入。作为一个工程应用类项目,该系统开发的过程和思路为后面天线快速测试系统设计、开发、升级提供了思路。