一種用于天線近場測試的波束控制系統設計方法

周 云,張啟帆,周一帆

(中國船舶集團公司第八研究院,江蘇 南京 211153)

0 引言

隨著高性能天線的發展,對天線的要求也越來越高,這對天線的近場測量帶來了許多挑戰。綜合考慮當前主流天線的發展趨勢,傳統的測量方法已經無法滿足相控陣天線生產裝配的需要。單頻點單波位測量方法雖然能夠實現天線測量,但測試效率極其低下。每一次更換天線測量頻點和波位都需要大量的時間,并且在不同頻點測試過程中,人為的誤差會帶來許多不必要的麻煩,所以開展對相控陣天線快速測試的研究已經非常重要[1]。

為了解決這一難題,本文設計了一種應用于天線近場測試的多頻點多波位同時控制的波束控制系統。該系統在測試過程中能夠實現快速切換頻點和波位,不僅提升了天線測試的效率,還保證了測量數據的準確與可靠。

1 波束控制系統原理簡介

波束控制系統主要由一個共用信號分配模塊、8個十六合一移相模塊、一個串口服務器和若干功分合成網絡組成,由主控計算機通過共用信號分配模塊進行統一控制,其組成原理如圖1所示。

圖1 波束控制系統組成原理

先進行預配置操作,串口服務器預先通過網絡接收主控計算機的波位表配置,并通過RS485總線向32個十六合一移相模塊按地址編碼順序串行轉發。波位表最大128個波位×32個模塊×16移相器×1字節(布相碼)×2字節(地址)。十六合一移相模塊接收到波位表后,按順序進行保存。共用信號分配模塊產生十六合一移相模塊工作所需的時鐘信號、電源信號。

預配置完成后,開始正式的天線測試流程:主控系統計算機通過RS485串口向波束控制器發送移相同步脈沖觸發個數和周期信息;波束控制器的控制模塊計算時序參數;時序控制器接收天線掃描架的觸發脈沖,通過RS485發送給共用信號分配模塊。共用信號分配模塊生成移相同步脈沖信號實時輸出至十六合一移相模塊。十六合一移相模塊收到移相同步脈沖信號后,按照波位表存儲順序及移相器工作要求的時序向16個移相器分別發送串行的布相碼及控制信號[2]。整個系統的波束切換時間包括2部分,系統流程時序如圖2所示。

圖2 波束控制系統工作時序

(1)1個移相碼從移相控制模塊傳輸到移相器時間移相模塊與移相器之間速率為10 Mbps等于1.25 MB/s,根據1.25 MB/s計算,傳輸1個移相器控制字(按照1字節計算),從移相模塊到移相器的時間約為0.8 μs;

(2)移相器布相時間:1 μs。

2 系統設計及實現

2.1 硬件構成

結構框架設計盡量輕便,參考尺寸為650 mm×400 mm×400 mm。其中水平方向各個十六合一移相模塊間隔為50 mm。垂直方向SMA接頭共16個。十六合一移相模塊通過插槽及軌道形式安裝到各自位置。為方便使用和搬動,將框架設計成10個16合1模塊一個單獨的框架,使用時按照端口數的多少,進行框架的組合。

在十六合一移相模塊后端設計結構件用于安裝一級和二級功分器,串口交換機及共用信號分配模塊,系統框架如圖3所示。

圖3 系統框架結構

2.2 共用信號分配模塊

共用信號分配單元將時序控制器送過來的485電平脈沖信號轉換成TTL信號,并分配到32個十六合一移相模塊。同時共用信號分配模塊將晶振產生的時鐘分配到每個模塊。共用信號分配模塊內包含一個開關電源模塊,為本模塊內的電路供電,同時通過接口為多只十六合一移相模塊供電。其結構如圖4所示。

圖4 共用信號分配模塊結構

圖5 十六合一移相模塊結構

2.3 十六合一移相模塊

系統包含眾多移相器模塊,將移相器模塊分別裝在各十六合一移相器模塊[3],方便系統的實現。每個十六合一移相器模塊包含16個移相器和2個八合一功分器,同時包含一塊控制板,系統組成如圖 5所示。十六合一移相器模塊接收串口服務器的配置命令,將128個波位的數據存儲到模塊內。在共用信號分配模塊送來的同步脈沖同步下按照配置的波位切換時間對16個移相器進行配置。系統主控采用Spartan-6系列FPGA,綜合接口、存儲,選用XC6SLX9-TQ144芯片,其主時鐘頻率為24 MHz,FLASH為 128 MB,RAM為6 MB,具有2路串口。Spartan-6系列具有較高的性價比,同時資源可以滿足本設計的需要。在FPGA內設計軟件完成移相態接收,控制命令的接收。同時響應共用信號分配模塊的脈沖信號并對移相器進行配置[4]。十六合一移相模塊采用單+5 V供電,由模塊內電路變換出一路-5 V給移相器供電。移相器數據時鐘以10 MHz計,移相碼為6 bit,單個移相器布相時間為0.1 μs×6=0.6 μs,單個模塊共16個移相器,所需時間為0.6 μs×16=9.6 μs,十六合一移相模塊為并行處理,所需時間與單個模塊的時間相同,滿足2 ms的切換時間要求。可切換波束數為128,要求系統的存儲空間為128×6 bit×16=1 536 byte,系統存儲空間6 Mbyte,滿足存儲要求。

3 應用驗證

系統構建完成后,將某波段天線架設在暗室中,利用該系統進行天線測試,以驗證系統的可靠性及準確性。本文進行了天線波束指向測試參數的測試,結果如表1所示。表中可以看出自動測試結果與理論值基本一致,誤差滿足系統預定指標。

表1 天線波束指向測試結果

4 結語

本文設計了一種搭配天線近場測量使用、可多波束測量的波束控制系統。通過系統搭建實現了對天線近場的快速測量,并在測試過程中能夠實現快速切換頻點和波位,大大縮短了天線的測試時間。自動測試結果與理論值基本一致,誤差滿足系統預定指標。系統主要由硬件與軟件以及機箱構成,各部分開發均需要準確的輸入。作為一個工程應用類項目,該系統開發的過程和思路為后面天線快速測試系統設計、開發、升級提供了思路。