[發明專利]一種適用于大規模陣列波束賦形的模塊化高精度控制系統及方法

有效

• 申請號: 201811340263.1
• 申請日: 2018-11-12
• 公開（公告）號: CN109298669B
• 公開（公告）日: 2020-12-04
• 發明（設計）人: 苗俊剛;胡岸勇;郭翔宙
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05B19/042
• 分類號: G05B19/042
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 安麗

本發明涉及一種適用于大規模陣列波束賦形的模塊化高精度控制系統及方法，上位機根據陣列系統對波束掃描區域及掃描形式的需求，生成對應的電壓控制字數據并將其發送到模塊化的波束控制單元，每個波束控制單元接收到電壓控制字后，在上位機的控制指令下根據不同波束掃描模式以查找表的方法讀取對應的電壓控制字，通過數模轉換芯片將按照指定的工作時序將控制電壓依次輸出給16路模擬移相器，完成對所有通路的高精度相位調節，實現整個陣列在二維平面上的波束聚焦與波束掃描。本發明實現了相控陣波束控制系統的模塊化設計，通過模塊擴展可完成對大規模陣列的波束賦形與電掃描，能夠有效降低系統設計風險與設計復雜度，具有集成度高、小型化、低功耗的優點，可廣泛應用于大規模相控陣雷達及掃描式輻射計系統中。

技術領域

本發明涉及一種波束控制技術，尤其涉及一種大規模陣列波束賦形的模塊化高精度控制系統及方法。

背景技術

相控陣作為當今一種先進的相位控制技術，在雷達，軍事領域得到了廣泛的應用。典型的相控陣利用電子計算機控制移相器改變天線孔徑上的相位分布，使得各陣元間的相位差與到達信號的相位差相抵消,則天線陣即以最大增益接收來自該方向的輻射，從而實現波束在空間的電掃描，與傳統的機械掃描相比較相控陣具有掃描速度快、控制靈活的優勢。如今相控陣技術的廣泛應用不僅僅體現在相控陣雷達上，還用在超聲波相控陣無損檢測、相控超聲波水下探測、檢測、衛星通信等方面。

如何控制每個單元的相位來完成波束形成是相控陣技術的關鍵，隨著相控陣規模的不斷擴大和對波束賦形要求的提高，波束控制系統也變得越來越復雜，這會在大型相控陣系統的研發和設計階段產生一定的風險，增加測試與驗證難度，同時也無法在后期滿足系統高可靠性要求。

發明內容

本發明技術解決問題：克服現有技術的不足，提供了一種適用于大規模陣列波束賦形的模塊化高精度控制系統及方法，實現了相控陣波束控制系統的模塊化設計，通過模塊擴展可完成對大規模陣列的波束賦形與電掃描，能夠有效降低系統設計風險與設計復雜度，具有集成度高、小型化、低功耗的優點，可廣泛應用于大規模相控陣雷達及掃描式輻射計系統中。

本發明是通過以下技術方法實現的。

一種適用于大規模陣列波束賦形的模塊化高精度控制系統，包括多個波束控制模塊、上位機和移相器；采用內存儲查找表的方式實現對需要配置的相位電壓數據的存儲與索引；上位機首先根據系統配置信息及工作模式計算生成對應的電壓控制字，并以txt文本形式發送給波束控制模塊，之后繼續發送配置信息等相關內容；每個波束控制模塊接收并將txt文本和配置信息存入其內部相應內存空間后向上位機返回狀態信息，表明數據已接收完畢；接著在上位機的控制下，波束控制模塊通過接收上位機的波束位置信息從文本中讀取對應的電壓控制字，在同步信號的作用下按照數模轉換的數據配置格式和讀寫時序要求完成對移相器控制電壓的數模轉換，將轉換后的模擬電壓輸送給移相器，實現對每個陣列單元的相位調節，進而完成對二維面上的波束切換與電掃。

所述電壓控制字為：根據波束掃描距離和掃描區域，計算得到每個掃描面上對于每一個位置點陣列單元需要補償的相位值，再根據移相器的電壓-相位關系表得到對應的控制電壓值并根據DAC轉換芯片將電壓值轉換為控制字形式寫入文本存儲。

所述波束控制模塊包括主控芯片、DAC轉換芯片、運算放大器和網口，接口可以為串口、jtag口等，所述主控芯片通過以太網口和TCP/IP協議接收從上位機發送的電壓控制字數據和系統配置等相關控制信息，并在同步控制信號作用下通過時序操作以串行SPI形式將電壓控制字數據輸出至DAC轉換芯片的數據輸入端，DAC接收電壓控制字數據，將電壓控制字數據轉換為模擬電壓后經過4倍運放電路后輸送至移相器的控制端。

所述主控芯片的型號為Zynq-7020,DAC轉換芯片的型號為AD5668。