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相控阵天线波束控制的基本原理及波控系统的任务

    更新时间:2018-04-11 15:55:24 

曹德明

摘 要 随着我国经济的不断发展,综合国力的提升,科技水平也有了长足的进步,各种新技术如雨后春笋般冒了出来,相控阵天线阵面技术是近年来出现的新技术。这项技术对于天线波束有很好的控制作用,本文主要针对这项技术的基本原理进行分析,分析这项技术如何进行工作,为以后这项技术的应用提供有参考性的意见。

【关键词】相控阵天线 波束控制系统 仿真

1 前言

相控阵天线阵面技术在很多方面有广泛的应用,它本身具有灵活便捷的特点,受到广大研究者的青睐,使得很多仪器的使用更加多样和灵活。除此之外,与相控阵天线阵面技术有关的技术也有了很大的发展,此项技术越来越受到人们的重视。相控阵天线阵面技术包含很多部分,波束控制系统是其中非常重要的一部分,它能够很好的控制各天线单元的移相方向和幅度,与其他技术相比,它能够提升其精确程度,在最大程度上节约成本。

2 波束控制系统的基本原理

根据国防建设和国民经济建设的需要,传统的雷达系统已经不能满足多目标搜索,多目标跟踪和远距离监视的要求。基于相控阵技术的相控阵雷达应运而生。相控阵雷达是由多个天线单元组成的阵列天线。每个天线单元都有一个移相器。天线波束的形状可以通过控制每个移相器的相位分布来改变。相控阵雷达与机械扫描雷达的根本区别在于波束形成,扫描方式不同。

在相控阵雷达的过程中,波束扫描如下:根据搜索和轨迹空间位置指向计算机提供的天线波束,自动计算出相应的方位角和初始值的高程,然后计算相位值天线元件上的每个表面对应的波形通过一个移相器控制码的相位,使得该方向的天线束的方向最终到达定向天线。

通常在平面阵列中使用行列分离计算和单位集中相位匹配。根据初始向量计算相应点的相位值,并通过相加值获得所需格子的相位值。

有时相控阵雷达为了节省用虚拟数字计数的移相器的计算方式忽略了部件号,最小移相器通常是几个,其负面影响是由于天线电平的增加而引起的,这在使用中随机的相位馈送可以自动解决。

3 波束控制系统的设计方案

相控阵波束控制系统的主要任务是快速计算每个单元的相移值,并根据光束指向的要求进行计算,然后将其发送到相应的阵列单元。当所有相移值到位时,波束控制系统发出移相指令,并将移相器控制在指定的相位值,从而完成波束的变化。

該波束控制系统接受雷达主控计算机的工作模式和频率码信息,根据信息搜索波束指向,制作移相阶段表,得到波束宽度值内的所有重复周期,根据一定序列(通常以序列为基础)将被发送到移相器的相移值。同时,通过软件和硬件的交互,计算出主控机的校正值。再次计算每个方向的移相量,根据不同模式和参数的修改和调整得到新的移相表。当然,由于其特殊的模式和频率,不能以连续的方式排列。它还计算天线阵列中每个移相器所需的波形码,使得波束具有所需的方向性。

BITE技术是相控阵雷达常用的动态监测方法,具有自动修复功能,波控系统必须具备BITE功能,能自动监测正常运行和插入式接口是否工作,自动排除故障的准确定位并能实现雷达波形控制系统。

4 波束控制系统的特性

波束控制系统由两个主要部分组成:控制主机和单元控制电路。控制主机的作用是接受雷达主控系统的指令。根据波束指向的要求,可以快速计算每个天线单元的相移值,并将相移质量传输给每个单元的每个移相器。单元控制电路的主要任务是在雷达主控系统的相位同步脉冲触发后,使移相器根据控制主机发出的移相指令进行波束调整。

根据波束控制任务的实时计算,高速数字信号处理器以高性能取代传统的计算机,计算机软件可以折衷时间纯硬件特点复杂的设备,灵活性低,使波束控制系统硬件简单,功能灵活通用,便于连接天线单元。

以上原理设计的波束控制系统具有以下特点:

4.1 数值精度高

采用Ka波段的阵列,误差值在10-4左右计算,使用移相器后可精确到10-6能满足控制需求,精确计算所需各个阵元的相位将最终点调整到给定的区域。

4.2 没有目标损失

由于相控阵雷达广泛应用于空中目标的精确定位,因此在定位和搜索目标的过程中,束指向不稳定和偏离目标的现象很容易发生。显示的数组没有参考值。用电子地图精确定位目标位置参数,将矩阵计算集成到现有坐标系中,方法可用于高性能DSP实时计算波形控制代码,实现波形控制,将计算结果发送回FPGA DPRAM ,实现对梁的稳定控制,不失目标。

4.3 灵活性和可扩展性

采用FPGA和DSP实现最大程度的计算方法,以满足系统的实时性要求,并实现自适应零点校准,发挥波控系统的灵活性,同时该模型能够实现稳定可靠的搭配在一些有源相控阵雷达系统的实验中,只有增加硬件才能实现其他功能。

4.4 快速检测

以前的检测手段波形控制系统往往用于移相器的检测方式,这就要求移相器的设计和波形控制码全部转换为1和0,波控系统的设计原理可以采用结构导向的分析方法,从上到下的结构检测,大大节省了检测时间。

相控阵天线的性能决定了相控阵雷达的整体性能指标。因此,波束控制技术的研究具有重要的现实意义。本文首先分析了波束控制系统的原理,然后介绍了系统的硬件结构和波束控制,在DSP,单片机,CPLD软件无线电技术的设计中使用,经过测试,波束控制系统实时性好,精度高和快速的反应。当然,这个制度还有的很多方面还不完善,今后的工作还会进一步完善和完善。

5 结束语

对相控阵雷达波束控制系统的设计原理和实际应用进行了充分验证,表明对于某些频率相控阵雷达,波束控制系统能很好地满足系统的要求。虽然它只适用于小型化雷达阵列控制技术,但其科学合理性为后续的大型相控阵天线和二维技术提供了可靠的数据支持。随着科学技术的飞速发展,可增加硬件和完善系统集成等手段实现阵列单元由数十个简单开发,数万个短阵相控阵雷达天线波束控制系统的开发,生产,经营和使用全过程的重要工具。

参考文献

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作者单位

陕西黄河集团有限公司设计研究所 陕西省西安市 710043

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