古 磊，竺小松

（國(guó)防科技大學(xué)電子對(duì)抗學(xué)院，合肥 230037）

0 引言

智能蒙皮技術(shù)是飛行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與復(fù)合材料技術(shù)、信息融合技術(shù)、電磁兼容技術(shù)等高度契合的先進(jìn)實(shí)現(xiàn)技術(shù)。智能蒙皮中的“蒙皮”從設(shè)備的角度突出系統(tǒng)共形形態(tài)的特殊承載方式；而“智能”則是從蒙皮的角度，體現(xiàn)出迥異于普通蒙皮的對(duì)外界電磁環(huán)境的感知能力和自主干預(yù)的能力［1-3］。新興的相控陣天線(xiàn)具有更大的多樣性和靈活性，且自適應(yīng)能力更強(qiáng)，因此，采用兩大技術(shù)融合的智能蒙皮天饋系統(tǒng)，是解決傳統(tǒng)天饋系統(tǒng)在航空武器平臺(tái)上技術(shù)難題的一個(gè)十分有吸引力的技術(shù)思路。有源相控天線(xiàn)波束的快捷性與靈活性是通過(guò)波束控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。文獻(xiàn)［4］介紹了有源相控陣對(duì)波束控制系統(tǒng)的基本要求，可見(jiàn)波束控制系統(tǒng)的優(yōu)良與否是衡量有源相控陣性能的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。

本文首先闡述波束控制系統(tǒng)的工作原理以及波束控制數(shù)碼的實(shí)現(xiàn)方法，隨后重點(diǎn)介紹了在自主開(kāi)發(fā)的4×4有源相控陣智能蒙皮試驗(yàn)架構(gòu)中的波束控制系統(tǒng)方案（該方案采用ARM+CPLD+自主開(kāi)發(fā)數(shù)字移相功率發(fā)射模塊的系統(tǒng)構(gòu)架），并通過(guò)相應(yīng)專(zhuān)業(yè)設(shè)備的測(cè)試，驗(yàn)證了方案的有效性和可行性。

1 相控陣波束控制工作原理

波束控制系統(tǒng)是相控陣?yán)走_(dá)重要系統(tǒng)之一［5］，它的基本任務(wù)是在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)根據(jù)天線(xiàn)波束指向要求，解算出波控碼將其發(fā)送到對(duì)應(yīng)的T/R組件內(nèi)，并在同步信號(hào)的控制下同步進(jìn)行幅相配置。另外，在維護(hù)狀態(tài)下，能夠?qū)φ麄€(gè)陣面的T/R組件狀態(tài)進(jìn)行判故、檢測(cè)等［6］。波束控制系統(tǒng)的組成具有很大的變通性，一般地，波控系統(tǒng)包括波控主機(jī)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、信號(hào)傳輸分配線(xiàn)、波控碼寄存和驅(qū)動(dòng)器、電源設(shè)備等［7］。波控系統(tǒng)的組成方框圖如圖1所示：

主機(jī)從上位機(jī)中接收指定的角度、頻率參數(shù)和工作方式命令字等數(shù)據(jù)，通過(guò)相應(yīng)運(yùn)算處理模塊先計(jì)算出所需的相位初始值，再解算出子陣面中各個(gè)陣元對(duì)應(yīng)移相器所需的波控碼，把波控碼按照規(guī)定的方式傳送到陣面單元移相器進(jìn)行移相操作，最終實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)波束掃描［8-9］。波控系統(tǒng)的基本功能是對(duì)天線(xiàn)波束定位，即根據(jù)要求的天線(xiàn)波束指向計(jì)算并提供陣列中每個(gè)單元移相器所需的控制信號(hào)。為此，需獲得天線(xiàn)波束指向與波控?cái)?shù)碼的關(guān)系。

假設(shè)平面相控陣天線(xiàn)陣元以等間距的矩形排列方式，分布如圖2所示，其中αz=θ。

共有M×N個(gè)天線(xiàn)陣元排列在zOy平面上，d1、d2分別為陣元沿y軸方向和z軸方向的間距，（cos αx，cosαy，cosαz）為目標(biāo)的方位，故可求出沿y軸和z軸方向相鄰兩個(gè)陣元之間的空間相位差分別是

設(shè)（0，0）陣元為參考陣元，那么第（i，k）陣元與參考陣元之間的空間相位差為

天線(xiàn)的陣內(nèi)相位差由與陣元連接的移相器提供，假設(shè)（θ0，φ0）為波束指向，那么相鄰陣元的陣內(nèi)相位差分別

由式（6）可得，改變陣面上相鄰陣元通道間的陣內(nèi)相位差，就能控制天線(xiàn)波束最大值指向預(yù)定的方向，便實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)波束的電掃描［10］。

波控?cái)?shù)碼計(jì)算的理論依據(jù)簡(jiǎn)述為，當(dāng)空間相位差等于陣內(nèi)相位差時(shí)，方向圖函數(shù)取最大值。K位數(shù)字移相器提供的最小相移量為，波控?cái)?shù)碼只能是數(shù)字移相器最小相移量的整數(shù)倍。圖2中，平面相控陣天線(xiàn)中第（i，k）個(gè)陣元（即陣面上第i行第k列的陣元）相較于第（0，0）個(gè)陣元，它的波控?cái)?shù)碼可表示為 C（i，k），i=0，1，…，N-1，k=0，1，…，M-1。C（i，k）的表達(dá)式為

其中

根據(jù)天線(xiàn)的波束指向，由式（8）和式（9）可計(jì)算陣列中每個(gè)陣元的波控?cái)?shù)碼，再按照特定時(shí)序發(fā)送給各陣元的移相器，就能讓天線(xiàn)的波束指向特定的角度［11］。

2 波束控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)相控陣陣面上陣元的數(shù)量及排列方式，波束控制數(shù)碼的實(shí)現(xiàn)方法主要有查表預(yù)處理法、分布式運(yùn)算法、集中式運(yùn)算法3種［12-13］。因天線(xiàn)陣元數(shù)目較少，故采用查表法。

2.1 主要技術(shù)指標(biāo)要求及總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)擬實(shí)現(xiàn)的總體主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1） 天線(xiàn)陣列：4×4；

2） 頻率范圍：3.8 GHz～4.0 GHz；

3）天線(xiàn)陣增益：18 dB；

4）1 dB壓縮點(diǎn)輻射功率：500 W；

5）空間功率合成效率：≥70%；

6）相位控制精度：5°；

7）幅度控制精度：0.5 dB；

8）幅度動(dòng)態(tài)范圍：20 dB；

9）相位噪聲優(yōu)于：-87 dBc/Hz@10 k；

10）諧雜波抑制：-40 dB；

11）蒙皮面積：400 mm×300 mm；

12）蒙皮厚度：15 mm。

根據(jù)本系統(tǒng)指標(biāo)要求，波控系統(tǒng)主要由數(shù)字幅相加權(quán)模塊（Cortex—M3為內(nèi)核的MCU（STM32F10 7VCT6），兩片 CPLD（EPM7128AETC144-10）），16路數(shù)字移相功率發(fā)射器（包含數(shù)控移相PLL、功率推動(dòng)放大器、數(shù)控衰減器、末級(jí)功率放大器），16路發(fā)射隔離器組，4×4微帶天線(xiàn)陣，同步參考時(shí)鐘樹(shù)以及上位機(jī)接口組成?？傮w架構(gòu)方案如圖3所示：

該試驗(yàn)系統(tǒng)有源相控陣設(shè)計(jì)的架構(gòu)是S波段同步時(shí)鐘樹(shù)+數(shù)字移相發(fā)射功率模塊，工作頻率范圍3.0GHz～4.0GHz；由高穩(wěn)定頻率源（10MHz）驅(qū)動(dòng)同步參考時(shí)鐘樹(shù)模塊。該模塊扇出16路相位同步的參考時(shí)鐘，提供給16路可數(shù)字幅相加權(quán)的功率發(fā)射模塊。數(shù)字移相發(fā)射功率模塊與天線(xiàn)陣元配對(duì)貼近組裝，構(gòu)成有源天線(xiàn)陣元。時(shí)鐘扇出的同步偏斜控制在100ps之內(nèi)，為各路發(fā)射模塊提供穩(wěn)定的同步參考。數(shù)字移相功率發(fā)射模塊具有對(duì)參考時(shí)鐘的數(shù)控相位偏移功能和幅度數(shù)控衰減功能。在上位機(jī)的控制下，通過(guò)數(shù)字幅相加權(quán)控制器給各個(gè)數(shù)控發(fā)射模塊置入幅相控制碼，最終在天線(xiàn)端口實(shí)現(xiàn)功率合成和波束掃描。

2.2 硬件方案設(shè)計(jì)

2.2.1 數(shù)字幅相加權(quán)模塊

該模塊由兩片 CPLD（EPM7128AETC144-10），和一片Cortex-M3為內(nèi)核的MCU（STM32F107VCT6）組成，如圖4所示：

該模塊從PCB板物理形態(tài)上分為中央控制板和左右分控板。中央控制板主要由主控器ARM 32位的CortexTM-M3 CPU——STM32F107和1∶5時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器74FCT38075S構(gòu)成。新STM32的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)包括10個(gè)定時(shí)器、2個(gè)12位1-Msample/s AD（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）（快速交替模式下2M sample/s）、2個(gè)12位DA（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）、2個(gè)I2C接口、5個(gè)USART接口和3個(gè)SPI端口和高質(zhì)量數(shù)字音頻接口IIS，另外，STM32F107擁有全速 USB（OTG）接口，兩路 CAN 2.0B接口，以及以太網(wǎng)10/100 MAC模塊。

左右分控制板主要由CPLD-EPM7128AETI144和1∶10時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器74FCT3807S構(gòu)成。EPM7128是可編程的大規(guī)模邏輯器件，為ALTERA公司的MAX7000系列產(chǎn)品，具有高阻抗、電可擦等特點(diǎn)，可用門(mén)單元為2 500個(gè)，管腳間最大延遲為5 ns，工作電壓為+5 V。在此使用的主要原因是給中央控制器做控制口線(xiàn)擴(kuò)展。1∶10時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器電路74FCT3807S，提供邊沿對(duì)齊的8路參考時(shí)鐘。

系統(tǒng)的總控由MCU完成，同時(shí)又是和上位機(jī)的接口，接口采用UART和USB兩種形式。由于每一個(gè)數(shù)字移相發(fā)射功率模塊需要有9根控制線(xiàn)，一共需要144根控制線(xiàn)，MCU口線(xiàn)顯然不夠，因此，采用CPLD做端口擴(kuò)展。仍然如同步時(shí)鐘樹(shù)模塊一樣，將系統(tǒng)功能及物理結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)。由于物理結(jié)構(gòu)上數(shù)字移相發(fā)射功率模塊分為兩組，因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中亦采用總控板居中，分控板左右兩邊安裝的方式，安裝在下蒙皮結(jié)構(gòu)上。因此，相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)采用兩片CPLD作為左右兩邊的分控模塊，中央MCU除提供左右各9根控制線(xiàn)外，還提供左右各3根片選線(xiàn)，經(jīng)CPLD譯碼后，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同發(fā)射功率模塊的控制。

2.2.2 數(shù)字移相功率發(fā)射模塊

此模塊是系統(tǒng)的核心模塊。為了能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控幅相加權(quán)，設(shè)計(jì)了4部分級(jí)聯(lián)電路，如圖5所示。分別是數(shù)控移相PLL、功率推動(dòng)放大器、數(shù)控衰減器、末級(jí)功率放大器。其中：

數(shù)控移相PLL采用ADF4350，其具有以下4個(gè)技術(shù)特點(diǎn)：能夠產(chǎn)生137.5 MHz～4.4 GHz的寬帶RF信號(hào)，滿(mǎn)足系統(tǒng)信號(hào)產(chǎn)生的要求；在4 GHz相噪優(yōu)于-87dBc/Hz@10k，諧雜波抑制≤-40dB；可用12bit按360°相位的4 096高精度細(xì)分進(jìn)行相對(duì)參考時(shí)鐘的移相控制，結(jié)合參考時(shí)鐘的相位一致性指標(biāo)并考慮饋線(xiàn)長(zhǎng)度參差和接頭反射時(shí)延造成的誤差影響，亦可靈活調(diào)整相位，具有充分的相位加權(quán)能力；輸出具有 -4 dBm、-1 dBm、0 dBm、5 dBm 4檔功率控制，具有9 dB的增益粗調(diào)能力。

ADF4350中的小數(shù)插值器是一種三階∑-△調(diào)制器，其模數(shù)（MOD）可設(shè)置為從2～4 095的任何整數(shù)值。當(dāng)MOD為小數(shù)模數(shù)時(shí)，小數(shù)N分頻PLL的輸出可以建立至相對(duì)于輸入?yún)⒖嫉娜魏我粋€(gè)MOD相位偏移。寄存器1中的相位字控制RF輸出相位，寄存器1的配置意義如圖6所示。當(dāng)此相位字從0掃至MOD時(shí)，RF輸出相位以360°/MOD的步進(jìn)掃過(guò)360°范圍。

數(shù)控衰減器采用DAT-15R5-SP+，該器件頻率范圍DC～4 GHz，以0.5 dB步進(jìn)，可提供15.5 dB的總衰減。結(jié)合數(shù)控移相PLL即ADF4350的9 dB輸出粗調(diào)，共可產(chǎn)生24.5 dB功率調(diào)節(jié)范圍。

末級(jí)功率放大器采用HMC327MS8G，其頻率范圍3 GHz～4 GHz，1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率為P1 dB=27 dBm，飽和輸出功率Psat=30 dBm，增益21 dB。天線(xiàn)陣總輸入功率為16個(gè)數(shù)控發(fā)射模塊之和，即27+12=39 dBm，結(jié)合天線(xiàn)陣的增益18.5 dB，系統(tǒng)1 dB壓縮點(diǎn)合成輸出功率理論計(jì)算為57.5 dBm，合562 W，而飽和輸出功率可達(dá)千瓦之巨。

功率推動(dòng)放大器采用PSA-5451+，其頻率范圍0.05 GHz～4 GHz，在此插入一級(jí)功率推動(dòng)模塊的原因是為了對(duì)數(shù)控移相PLL模塊和末級(jí)功率放大器模塊進(jìn)行功率匹配。末級(jí)功率放大器輸出功率為27 dBm ～30 dBm，增益 21 dB。

2.2.3 微帶天線(xiàn)陣方案

采用矩形微帶天線(xiàn)的陣元形式。通過(guò)HFSS優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真，介質(zhì)板選用介電常數(shù)為2.65的聚四氟乙烯，厚度取2 mm，微帶貼片陣元尺寸為32 mm×21.4 mm，饋電點(diǎn)偏離陣元中心4.6 mm時(shí)，單陣元增益可達(dá)8.5 dB。考慮天線(xiàn)貼片的柵瓣效應(yīng)，取x方向相距20 mm，y方向相距10 mm進(jìn)行4×4組陣，天線(xiàn)陣增益可達(dá)18.5 dB，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。天線(xiàn)陣列形態(tài)與實(shí)物如下頁(yè)圖7所示。

2.3 軟件方案設(shè)計(jì)

一般情況下，波束控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)所需要掃描的波束指向角和工作頻率，由上位機(jī)計(jì)算出波束控制碼，并將其中相應(yīng)的控制模塊發(fā)送出對(duì)應(yīng)的控制指令，例如相位發(fā)送模塊發(fā)送相位指向的指令。上位機(jī)再通過(guò)網(wǎng)口通信模塊，將指令傳輸至波控盒，使其完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換。波控盒進(jìn)而將數(shù)據(jù)傳輸給波束控制板。波控板接收到控制指令后，將指令分別轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的功能模塊，例如角度指向指令分別經(jīng)過(guò)相位解算模塊、存儲(chǔ)器讀寫(xiě)模塊、移相器驅(qū)動(dòng)模塊，最終實(shí)現(xiàn)相位控制和波束掃描。圖8是上位機(jī)發(fā)送控制指令時(shí)系統(tǒng)程序流程圖，圖中上位機(jī)和波控板中的各項(xiàng)模塊協(xié)調(diào)一致，相互配合，保證了波控系統(tǒng)的正常工作。

軟件設(shè)計(jì)中，上位機(jī)選用C#語(yǔ)言編寫(xiě)關(guān)于實(shí)現(xiàn)波束控制的控制軟件，軟件界面如圖9所示。上位機(jī)上電后，首先對(duì)波控端口進(jìn)行自檢，根據(jù)自檢結(jié)果判斷系統(tǒng)能否正常工作。如檢測(cè)結(jié)果不正常，則將監(jiān)測(cè)信息上報(bào)并啟動(dòng)對(duì)端口的保護(hù)程序；如檢測(cè)一切正常后，則啟動(dòng)與ARM的串口通信。接收到波束指向各參數(shù)信息后，計(jì)算出16路波束控制碼（包括相移和幅度衰減量），然后發(fā)起UART通信，對(duì)傳輸總線(xiàn)進(jìn)行配置，通過(guò)總線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?？偩€(xiàn)配置成功后，上位機(jī)向下位機(jī)ARM傳遞16路波控碼，并進(jìn)行下一輪的輸入指令。

下位機(jī)啟動(dòng)與上位機(jī)串口通信后，先對(duì)16路數(shù)字移相功率發(fā)射器中的ADF4350芯片初始化，將16路衰減到最大，再等待上位機(jī)的指令。由于本波控?cái)?shù)碼采用查表法，波控碼和移相值是一一對(duì)應(yīng)的，因此，在MCU中建立波控碼和移相值的數(shù)據(jù)查找表。即接到波控碼后，通過(guò)查找表獲得相應(yīng)的移相值，再將其換算成寄存器控制參數(shù)值，控制對(duì)應(yīng)的數(shù)字移相功率發(fā)射模塊，獲得該陣元的移相輸出。完畢后各路模塊逐步減少衰減穩(wěn)定直至功率最大，等待下一輪上位機(jī)的指令。

3 系統(tǒng)仿真與測(cè)試

下頁(yè)圖10是對(duì)應(yīng)的4組不同饋電相位情況下，波束的三維增益方向圖，可看出波瓣數(shù)量在增加，通過(guò)調(diào)整端口饋電相位，可以實(shí)現(xiàn)多波束掃描。由圖10可以看出，16陣元情況下，最多可以生成16個(gè)波束。

對(duì)基板尺寸為180 mm×200 mm的微帶天線(xiàn)陣進(jìn)行S11仿真，對(duì)應(yīng)的回波損耗如下頁(yè)圖11所示?？梢钥闯?6個(gè)端口均滿(mǎn)足-10 dB以下的要求。

系統(tǒng)的整體構(gòu)架和測(cè)試結(jié)果分別如下頁(yè)圖12和圖13所示。

模塊調(diào)測(cè)包括RF頻率綜合源調(diào)測(cè)、RF功率推動(dòng)放大器、數(shù)控衰減器和功率放大器。設(shè)計(jì)的數(shù)字移相功率發(fā)射模塊每級(jí)電路都可獨(dú)立調(diào)試，設(shè)置了多個(gè)中間測(cè)試射頻接頭。極大地提高了模塊的可調(diào)測(cè)性。信號(hào)功率測(cè)試和相噪測(cè)試如圖13所示。測(cè)試結(jié)果表明各個(gè)模塊工作正常，設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)。

4 結(jié)論

本文將智能蒙皮和有源相控陣兩大前沿技術(shù)高度融合，在自主開(kāi)發(fā)的4×4有源相控陣智能蒙皮試驗(yàn)架構(gòu)中，設(shè)計(jì)了一個(gè)ARM+CPLD+自主開(kāi)發(fā)數(shù)字移相功率發(fā)射模塊的S波段波束控制系統(tǒng)方案。該有源相控波束控制系統(tǒng)的仿真和試驗(yàn)表明，對(duì)于陣列數(shù)目較小的有源相控陣，該波控系統(tǒng)能夠較好地滿(mǎn)足系統(tǒng)要求，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)亦基本達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。因此，該S波段有源相控“智能蒙皮”波束控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是合理可行的，為后續(xù)設(shè)計(jì)控制更多陣列單元的波控系統(tǒng)打下良好基礎(chǔ)，提供了有益參考。

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