[發明專利]多子陣相控陣天線波束控制裝置

有效

• 申請號: 202011044822.1
• 申請日: 2020-09-28
• 公開（公告）號: CN112259964B
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發明（設計）人: 張曉波;李超然;胡洪;任威
• 申請（專利權）人: 西南電子技術研究所(中國電子科技集團公司第十研究所)
• 主分類號: H01Q3/00
• 分類號: H01Q3/00;H01Q3/30;G01R29/10;G01S7/03;G01S7/40
• 代理公司: 成飛(集團)公司專利中心 51121
• 代理人: 郭純武

本發明公開的一種多子陣相控陣天線波束控制裝置，旨在提供一種可以克服傳統相控陣天線響應速度慢，不能復用，連接復雜，不易擴展的波控裝置。本發明通過下述技術方案實現：每個子陣分別控制N個陣元的移相，將多個子陣拼接在一起；主控板通過端機通信接口對多個子陣進行命令下發、狀態監視與故障檢測，單個子陣波控板獨立完成數據收發，每個子陣波控板采用FPGA實現協議解析，對陣面各天線陣元單元點的相位、幅度相位碼進行統一運算，將波束指向和頻率算出的地址碼送給每個移相器控制電路，子陣波控板將計算出波控數碼、相位、幅度數據分別傳輸至天線陣元陣面各點，控制相應的移相器到每個天線單元，實現N個天線陣元相控陣天線波束控制。

技術領域

本發明涉及一種測控、通信等領域多子陣相控陣天線波束控制裝置。

背景技術

大型及超大型相控陣雷達由于其高增益、高分辨率、多波束等特點受到日漸廣泛的應用。隨著有源相控陣雷達技術的發展，涌現出了越來越多的大型相控陣雷達，雷達的陣元數量也從開始的幾十個，逐步變成了上萬個甚至更多，陣面結構的設計也越來越復雜，其中波束形成是相控陣雷達實現波束控制的關鍵技術。為了讓波束控制系統的設計趨于模塊化、系統化，通常將大型相控陣天線的陣面劃分為若干個子陣，這樣任意的大型相控陣天線，都可以用多個子陣來組合，相當于模塊化的擴展，具有很高的移植性。相控陣雷達的波束控制系統相當于機械式雷達的伺服系統，通常是由計算機系統來控制響應的硬件設備產生特定波束指向所需要的波控數碼，然后控制各個天線陣元的移相器產生相移，合成指定的天線波束。

波束控制系統要能夠根據目標的快速變化迅速改變雷達的工作狀態，對波束控制系統的響應速度提出了很高的要求。子陣級和差波束需要同時對和波束及差波束的旁瓣進行抑制，且還要保證差波束的零陷足夠深，傳統的驅動和控制電路很難滿足現代化相控陣雷達的控制要求。為了改善子陣級自適應數字波束形成(ADBF)旁瓣電平升高的問題，解決大型相控陣雷達陣元級波束形成技術面臨的硬件系統復雜、實時性低等問題，一般采用子陣級波束形成技術來處理。但子陣級處理往往會破壞靜態方向圖的性能，為了保證子陣級波束形成的性能，需要對子陣級波束形成進行優化。波束形成分為模擬波束形成和數字波束形成，數字波束形成(DBF)技術是在原模擬方式處理信號的基礎上引入數字信號處理這一先進技術，使波束形成以數字方式來實現的一種技術。它是通過對各傳感器的接收信號在基帶上進行數字采樣，然后使用復加權求和來實現波束形成。這種方式可以降低軟件和硬件的成本。對于大型的相控陣雷達，通常包含數以百計甚至上千的天線陣元，在信號處理過程中，如果采用陣元級數字波束形成方式，則其運算量是非常龐大的，且其對應的硬件系統很復雜，成本也相對較高。為了解決大型相控陣雷達陣元級處理所存在的這些問題，人們提出了子陣級的波束形成方式。子陣級波束形成方式，就是在子陣的基礎上進行波束形成。通常，所說的“子陣”，就是將幾個天線單元按照一定的規律劃分為一組，每組中的所有天線單元使用同一個接收通道。這樣，經過子陣劃分后，大型相控陣雷達的接收通道數明顯較少，從而大大降低了系統的復雜度、數據處理量和硬件成本。雖然子陣級波束形成技術，保持了相控陣雷達的天線孔徑，使波束不會變寬，同時使計算量減少，收斂變快，但是子陣級處理也會導致系統的自由度降低，子陣劃分不當還會存在形成柵瓣和柵零點的問題。子陣的劃分是子陣級波束形成的基礎。一般把子陣的劃分歸結為如下三種：規則不重疊劃分、規則重疊劃分和不規則不重疊劃分。所謂“規則”，就是指個子陣包含相同的陣元數目，且各陣元的排列位置也相同；所謂“重疊”，就是指某個天線陣元同時屬于兩個或兩個以上的子陣。各種不同的子陣劃分方法，都有其各自的優缺點。相控陣天線陣面技術包含很多部分，波束控制系統是其中非常重要的一部分，它能夠很好的控制各天線單元的移相方向和幅度，與其他技術相比，它能夠提升其精確程度，在最大程度上節約成本。寬帶相控陣天線在瞬時寬帶工作模式下,天線方向圖的波束指向將不可避免地出現色散現象。在相控陣系統中，波束控制技術作為關鍵技術之一，直接影響著系統功能和效能的發揮，波束控制系統的性能優劣嚴重限制了系統性能的發揮，不同的系統與功能任務要求對波束控制系統的要求也不盡相同。系統功能的發展也對波束控制系統提出越來越高的要求。波束控制系統是雷達搜索與跟蹤過程所需的自動控制系統中的一個重要環節。相控陣系統的波束控制陣面天線的波束指向通常由波束控制系統來執行，它主要通過對陣面各單元相位和增益的控制實現波束空間指向的變化。其中各單元相位變化對確定的陣列天線而言主要取決于天線波束指向角的變化。對單元相位變化量進行控制就相當于對天線波束指向口進行了控制。如果要實現對已有若干單元的陣列天線的波束指向，就需要對這若干單元進行相位控制，保證單元之間具有同等的相位差。也就是說，只需通過計算進而控制每個單元相位值就可以實現波束指向的控制。但當相控陣面單元較多時，其計算量大，運算時間較長，影響了波束掃描的速度?，F代相控陣系統常采用分布式波束控制系統，該方案中，主波束控制計算基本的單元相位差，然后傳輸給每個子陣波束控制，每個子陣波束控制相當于一個集中式波束控制系統，再經計算，控制到每個單元，從而實現波束的控制。分析表明，在小型相控陣系統中，采用集中式波束控制系統較佳。在大型相控陣系統中，在滿足系統要求的波束控制速度下，采用分布式波束控制系統是較好的方案。由于現代相控陣電子系統對波束控制的速度要求越來越高，因此波束運算、數據傳輸等要求也相應提高。同時，相控陣面規模的增大，使得波束控制系統也越來越復雜。波束控制系統的發展趨勢隨著相控陣電子系統的發展和應用的擴展，對波束控制系統的體積與截面積、運算速度、數據傳輸的要求越來越高，隨著相控陣技術的發展，波束控制系統不僅要根據波束的指向要求對陣面單元進行相位控制，而且還要滿足隨機饋相、相位補償的要求。