某相控陣雷達射頻功率監控模塊設計

朱文松 吉宗海

【關鍵詞】雷達 頻率源 RF功率測量 監控

相控陣雷達由大量可以獨立控制的收發單元組成，通過控制每個收發單元的發射波的相位不同，可以在空間合成不同指向的波束，具有敏捷的波束掃描和捷變能力，可以實現多目標的截獲、跟蹤、自適應等優點，同時由于基于電子掃描方式而非傳統的機械轉動天線的方式控制波束，相較于傳統雷達，其波束調度速度、多目標跟蹤能力、目標更新速率、分辨率、多功能、電子對抗能力具有巨大的優勢。現在先進的相控陣雷達多采用有源全數字體制，可以充分發揮相控陣雷達體制的優勢，整體性能更強。

1 頻率源及分配網絡

現代雷達頻率源分機的時鐘和本振信號一般不能直接送給雷達陣面每個收發單元使用，一般需要經過分配網絡，在分配網絡各個節點進行精確放大、功分和濾波后，送給每個收發單元使用。由于分配網絡分布在雷達的整個陣面，節點數多，任何一個節點出現問題都會導致與該節點相關的雷達陣面無法正常工作，因此需要按照規劃對節點進行監控，主要監控時鐘和本振信號功率的大小。本文主要介紹該監控模塊的設計和實現。

2 射頻功率監控模塊設計

2.1 模塊整體框圖

模塊框圖包括六路RF信號輸入、一路系統時鐘、以FPGA作為主控制器、模塊配置了大容量的FLASH和SRAM、數十路 TTL IO控制口、溫度傳感器、光纖鏈路口、網口和RS422通信接口等。根據雷達總體對射頻功率監控模塊要求，射頻功率監控模塊主要功能：在雷達同步觸發時序下，對各個節點的時鐘和本振信號的功率進行量化，并分別通過光纖、網口、RS422送給后端信號處理分機。同時解析光纖發過來的協議，根據時序送出TTL控制信號給節點其他模塊。

2.2 LTC5587

LTC5587是一款低功耗的射頻功率測量芯片，集成了高精度RMS探測器和ADC為一體，具有體積小、低功耗和高性能的特性。可以測量10MHZ～6GHZ范圍內的RF信號功率，該芯片具有大的動態范圍特性，對于2.14GHZ的RF信號，可以測量-34dBm～6dBm的信號。RMS探測器將輸入RF信號轉換為脈沖直流信號，經過濾波處理后送給片內ADC（最高速度500kHz）量化，量化值與RF功率成線性關系（功率以dbm為單位）。

2.3 主控制器

模塊使用FPGA作為主控制器，選用Altera 公司推出的stratix IV系列FPGA，型號為EP4SGX180。該器材已在多個項目和課題中選用，成熟可靠，有效降低開發時間和設計風險。Stratix IV FPGA基于臺積電 （TSMC）40-nm工藝技術研制的高端FPGA，同時具備了邏輯密度高、高速收發器數量多以及功耗低的特點。

2.4 通信接口

模塊設計了三種通訊接口，分別為基于GXB高速光通信鏈路口、基于W5100的網口和基于MAX491EESD的RS422串口，這三個通訊口實際工作時分別與雷達其他分系統連接。

2.4.1 光通信口

FPGA的高速GXB與光模塊構成了光通信口，模塊選用的光模塊最高可以支持10G Gbps的速率，具備體積小、單電源供電、工作溫范圍寬、穩定可靠等特點。實際使用中，因為FPGA需要解析光通信口的協議，并根據協議嚴格按照時序發出控制信號給外部其他受控模塊，經過計算和實驗，目前光通信口工作在6Gbps的速率下，為了達到一定的容物糾錯能力，模塊設計了兩路光通信口，正常使用一路，如果其中一路出現誤碼或其他錯誤，會自動啟動備份的另外一個光通信口。

2.4.2 網口

模塊的網口是基于W5100開發的。W5100 是一款廉價成熟的網絡接口芯片，目前應用較廣泛。在沒有操作系統的應用中，利用W5100也可以完成網絡的連接。

2.4.3 RS422串口

模塊選用MAX491EESD作為串口收發芯片，使用異步通訊方式，RS422傳輸距離較遠。RS422的工作時鐘基于模塊自身配置的晶振而不是外送的系統同步時鐘，當外送系統時鐘失效時，依然可以通過RS422往雷達的監控分系統報告模塊監控到的雷達狀態。

3 FPGA設計

FPGA程序主要完成幾個功能：完成對LTC5587的配置和數據讀取、完成溫度傳感器的配置和讀取、完成對光通信口、網口、RS422串口三個接口協議的解析、根據解析得到的參數和時序完成對TTL和差分控制信號的控制。另外還要實現光通訊口的容錯糾錯功能。因為有三個通信接口，FPGA邏輯工作在多個時鐘域，邏輯涉及多個跨時鐘域的處理。

4 結果與分析

射頻功率監控模塊，實際的調試和系統聯調表明該模塊設計達到任務要求，經過溫沖、振動、濕度等實驗后，該模塊對RF功率的測量準確可靠，各通訊口與雷達其他分系統通訊穩定，整體設計滿足整機需求。

5 結束語

本文闡述了某相控陣雷達射頻功率監控模塊設計，由于該模塊采用了集成的RF功率測量芯片，而不是傳統的分離器件搭建的測量系統，因為體積小，成本低、結構簡單，穩定可靠，模塊配置多種通訊接口，使得雷達整機不同的分系統都可以直接與該模塊通信，實時監測整機運行情況。實際的運行結果表明該設計方案可行、可靠。對類似的項目具有一定的借鑒意義。

參考文獻

[1]高見芳，高金定，張建軍.基于對數檢測法的射頻功率測量電路設計[J].現代電子技術，2011，34（19）：130-132.

[2]LT.datasheet of LTC5587.http：//www.linear.com.cn/product/ltc5587.