有源相控陣天線波控系統設計分析

王興偉 馮欣

摘 ?要：伴隨射頻與數字集成電路兩種技術的不斷發展，使得有源相控陣天線研發成本獲得有效控制，在此同時有源相控陣天線波控制系統的應用領域在不斷擴大。而其中的波控制系統是整個有源相控陣天線波控系統中非常重的構成部分，會對系統波速指向的準確度與響應速度產生直接影響。為此對有源相控陣天線波控系統設計進行充分的分析便顯得特別重要和有意義。

關鍵詞：有源相控陣;波控系統;陣列天線

有源相控陣其主要特點便是在天線陣未出現轉動時，天線波速能夠在大空域范圍內，完成高效并且精準的掃描。但是波束指向所具備的控制性功能，基本都是通過相控陣波束系統來實現的，其在整個系統當中所發揮的功能與傳統機械式掃描雷達系統非常相似，但卻又有很多優勢是傳統機械雷達系統所不具備的。

1.波控系統硬件設計

1.1系統總體框架

波控系統中有兩個非常重要的模塊即波控母板與波控子板。其中上位機利用網口，結合TCP/IP協議標準將數據發送到波控盒。波控盒具備信號轉換功能，把上位機所發送的數據經過轉換后會與波控串口協議信號形式相匹配。波控盒與波控母板間使用的是雙工同步串口來實施通信服務的。

對于天線波控系統來說，其主要使用的是波控模塊結構，主要功能是實施波控命令接收、解碼和發布，由此完成天線工作狀態、待機狀態、標準狀態、自檢狀態與測試狀態等控制，同時還可實施數字電源控制、溫度狀態信息的采集及處理、狀態的檢測等。

然而波控模塊其功能主要是接收由雷達信號處理（或總控計算機）設備所發出的波速指令，天線單元幅相信號的解算與發布，完成天線波束的空間合成及天線工作模式與標準模式相互間的轉換，同時還可實現溫度采集、狀態回傳和天線模塊電源的有效控制等功能。波控模塊主要是由四個部分所構成，其中包括波控子板、波控母板、控制軟件、連接電纜四部分。①波控子板具備接收由母板發來的指令，并完成解碼計算和DA讀寫及電源的調控和溫度讀取等功能。②波控母板具備接收處理機命令，同時把指令分別發送到波控子板，并且把波控板所傳回的命令反饋到信號的處理機處。

1.2母板設計

波控模塊是由波控子板與波控母板系統的硬件與軟件設計所完成的，波控母板的工作任務是完成指令接收和轉發，工作任務相對比較簡單。（功能框圖如下圖所示）

1.3子板設計

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讀寫、溫控、電源調整、電源優化、控制模塊收發、脈沖收發與切換、接收和發射脈沖選通。（子板控制流程如下圖所示）

2.波控系統軟件設計

2.1系統軟件框圖

波控母板主要功能是接收上位機的控制命令，例如波束指向、溫度情況、電源控制命令等，同時把這些命令發送到子板，之后接收由子板反饋的數據，并同時將這一信息傳送到上位機處。波控子板屬于整個系統中非常主要的一個模塊，不但可以實時計算出子陣內各陣元移相量，同時形成各種控制指令碼，對DA進行驅動，使移相器生成移相量，而且還可以對整體有源相控陣系統進行工作模塊與工作狀態的監測，例如，對前端T/R電源進行控制和天線的收發，同時對前端T/R溫度進行監測，并同時在溫度高過標準以后，智能的開啟T/R組件風扇。整體系統的控制流程如下圖所示。

一般正常狀態下，是由上位機來對所對應的控制模塊發布控制指令，例如，角度模塊發送角度指向的相關控制指令，主要是上位機利用網口通信模塊，把指令發送至波控盒，再由波控盒轉發這一指令至波控母板中。波控母板接收控制指令以后，把指令轉發至相應子板上。這時子板在接收到相應指令以后，結合角度具體指令的實際控制流程，通過相位解算、存儲器的讀寫、移相器驅動等各模塊，來最終完成角度控制指令。

在具體調試期間可以看出，上位機程序調試要比FPGA程序的調試簡單。為了對前期的FPGA解算結果和后期波束賦形數據及加權效果進行驗證，設置了上位機解算的模式。基于這一模式，陣面各陣元的移相量計算與控制指令均由上位機來實現，上位機向波控發送DA控制指令，這時波控子板再完成移相器驅動操作便可以。如此能夠保證波控子板程序的簡單性，同時還可在子板程序調試未成功的時候，對系統數據與別的相關硬件功能進行調試?；谏衔粰C解算模塊，系統控制流程如下圖所示。

2.2上機程序設計

上位機程序主要采用C#語言實施具體的編程。C#語言是由微軟公司所研發的一種計算機語言，這種語言主要是為.NET格式的應用而研發的，屬于相對安全并面向對象的一種程序設計類語言。其具備C++、JAVA及VB等計算機語言的相應勢，匯集現代程序設計的全新功能與技術。C#語言的特征與C語言有相同之處，并且也延續了C++語言的一些編程特點，如此使得C#編程語言的轉變更加簡單，在此情況下程序設計人員也可以及時高效的適應這種語言特性。然而，C#語言與C++語言相比，優化了很多;C#語言所應用的是.NET類數據庫，并且應用語言的公共庫來實施代碼托管，如此使其與C++語言相比，在程序上會相對更為安全可靠，而且在不同平臺中的程序可移植性非常優秀。在C#程序設計語言中，并不存在多重繼承性，如此防止在類的層次結構當中，因為多重繼承所產生的不良結果。

3.結語

總體來說，在有源相控陣天線的快速發展形勢下，波控系統作為其系統的重要構成部分，受到相關行業的高度關注。所以本文重點對有源相控天線波控系統設計進行簡單的闡述，主要對波控系統的硬件設計與軟件設計進行了分析，完成上位機程序的設計，由此實現對波控系統狀態的監測與工作模式的控制。

參考文獻

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