專利名稱：基于分布－集中式波束控制模式的相控陣天線波束控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，屬于相控陣天線波束控制系統(tǒng)，更具體地說，是一種基于分布-集中式波束控制模式的相控陣天線波束控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
相控陣天線(phased array antenna)是通過控制陣列天線中福射單元的饋電相 位來改變方向圖形狀的天線?？刂葡辔豢梢愿淖兲炀€方向圖最大值的指向，以達(dá)到波束掃描的目的。專利申請?zhí)朇N 201180000819. 2，發(fā)明名稱為“相控陣天線對準(zhǔn)方法和裝置以及相控陣天線”，在說明書第
段公開的內(nèi)容為如圖8所示，本實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)接收波束形成單元I包括多個(gè)移相器12、功率分配器13以及波束指向控制模塊14，其中，功率分配器13用于將一路信號分配到各個(gè)移相器12或?qū)碜愿鱾€(gè)移相器12的信號合并為一路信號，得到第一信號；移相器12用于調(diào)節(jié)每個(gè)天線陣列子單元發(fā)射/接收的信號的相位；波束指向控制模塊14用于對移相器12和功率分配器13的工作參數(shù)進(jìn)行配置，使天線形成指向一致的旋轉(zhuǎn)接收波束。田可，楊向華在《現(xiàn)代電子技術(shù)》2008年第9期總第272期中公開了“一種高速波控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”。此文獻(xiàn)的圖I中介紹了波控系統(tǒng)的組成。本文闡述了一種基于FPGA實(shí)現(xiàn)相控陣波控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并且通過軟件仿真和實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證這種方案設(shè)計(jì)的可行性。這種方案設(shè)計(jì)充分發(fā)揮了 FPGA芯片的高速、并行特點(diǎn)，可以同步并行控制天線各單元通道，保證了相控陣天線波束切換的高速性和各單元的一致性。鄭清，張健在《現(xiàn)代雷達(dá)》2001年6月增刊中公開了“相控陣?yán)走_(dá)分布式波控系統(tǒng)設(shè)計(jì)”。此文獻(xiàn)的圖I和圖2分別介紹了集中式、分布式的兩種波束控制。目前相控陣天線波束控制系統(tǒng)(簡稱波控系統(tǒng))有集中式波控模式和分布式波控模式兩類方案。集中式波控方案由一套波控設(shè)備產(chǎn)生相控陣天線陣面所有陣列單元的移相器控制數(shù)據(jù)。此方案硬件設(shè)備量少，適合于陣列單元較少的相控陣天線，當(dāng)陣列單元較多時(shí)，其運(yùn)算時(shí)間往往較長，將影響波束掃描的速度。分布式波控方案則是相控陣天線陣面各陣列單元都擁有波控設(shè)備，各陣列單元分別產(chǎn)生本單元的移相器的控制數(shù)據(jù)。此方案縮短了運(yùn)算時(shí)間卻增加了設(shè)備量。

發(fā)明內(nèi)容
為了實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的波束控制，希望運(yùn)算速度快，且設(shè)備量少，能實(shí)時(shí)地進(jìn)行相位補(bǔ)償，波束指向準(zhǔn)確。本發(fā)明提供了一種基于分布-集中式波控模式的相控陣天線波控系統(tǒng)。本發(fā)明是基于DSP處理器的波束控制模塊輸出的波控碼來對陣列單元的數(shù)字移相器進(jìn)行控制；分布波控模式是依據(jù)總線接口個(gè)數(shù)J來對N個(gè)陣列單元分成M個(gè)子天線陣，每個(gè)子天線陣擁有一個(gè)波束控制模塊；集中波控模式是利用波束控制模塊產(chǎn)生子天線陣中所有陣列單元的數(shù)字移相器的波控碼。波控計(jì)算機(jī)采用總線下發(fā)波控基碼給多個(gè)波束控制模塊，波束控制模塊對接收的所述波控基碼進(jìn)行配相運(yùn)算、相位補(bǔ)償后得到波控碼；數(shù)字移相器依據(jù)波控碼對陣列單元進(jìn)行相位控制；BITE檢測模塊對數(shù)字移相器的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測。本發(fā)明是一種基于分布-集中式波束控制模式的相控陣天線波束控制系統(tǒng)，該相控陣天線波束控制系統(tǒng)包括有波控計(jì)算機(jī)(10)、波束控制模塊(20)、數(shù)字移相器模塊(3)和BITE檢測模塊(4);所述波束控制模塊(20)采用DSP處理器芯片實(shí)現(xiàn)；所述波束控制模塊(20)中存儲(chǔ)有頻率捷變時(shí)的行波控基碼修正碼△ α、頻率捷變時(shí)的列波控基碼修正碼Λ β、隨機(jī)饋相補(bǔ)償碼Yki、天饋線相位誤差補(bǔ)償碼Ski、球面波補(bǔ)償碼τΚΙ、波束賦形碼Wki和初始相位補(bǔ)償碼Ski ;波束控制模塊(20)第一方面接收波控計(jì)算機(jī)(10)下發(fā)的波控信息AA = {CMA,CMB, BK}；波束控制模塊(20)第二方面依據(jù)控制命令碼CMA和波控基碼BK = { α Μ，β Μ}在 定時(shí)命令碼CMB= {CMBKffi, CMBftfi, CMBmI中CMBgw規(guī)定的時(shí)序下，完成對數(shù)字移相器(3)的配相運(yùn)算、相位補(bǔ)償?shù)牟卮aZC(K，I)；波束控制模塊(20)第三方面在定時(shí)命令碼CMB = {0ΜΒΜ，εΜΒ_^ΜΒΜ}中CMB 規(guī)定的時(shí)序內(nèi)，將波控碼ZC(K，I)通過RS-485網(wǎng)絡(luò)串行傳輸給相控陣天線(50)的陣列
單元ZAp (K，I)對應(yīng)的數(shù)字移相器ZBp (SHK，SH1)；波束控制模塊(20)第四方面接收BITE檢測模塊(40)通過CAN總線串行發(fā)送來的數(shù)字移相器的檢測信息D ；波束控制模塊(20)第五方面判斷數(shù)字移相器的檢測信息D是否正常，得到檢測信息DD，并通過RS-485總線將檢測信息DD發(fā)送給波控計(jì)算機(jī)(10)。本發(fā)明基于分布-集中式波控模式的相控陣天線波控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于①運(yùn)用分布-集中式波控模式，相對于集中式波控有效的縮短了運(yùn)算時(shí)間，相對于分布式波控又大大的降低了設(shè)備量，節(jié)約了成本，性價(jià)比較高。②分布-集中式波控模式便于天線陣的擴(kuò)展和替換。在考慮同步的問題下，只要增加基于DSP處理器的波束控制模塊的個(gè)數(shù)就可以增加子天線陣的個(gè)數(shù)，陣列擴(kuò)展方便；每個(gè)波束控制模塊是標(biāo)準(zhǔn)化通用的，出現(xiàn)故障時(shí)替換方便。③波束控制模塊采用的DSP芯片具有的高速、可靠、處理速度快、實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)。使波控系統(tǒng)很好的滿足運(yùn)算速度快，波束指向準(zhǔn)確的要求。④波束控制模塊采用的DSP芯片還具有靈活、可編程、低功耗、接口豐富等優(yōu)勢，使得波控系統(tǒng)具有很好的靈活性和通用性。


圖I是本發(fā)明基于分布-集中式波束控制模式的相控陣天線波束控制系統(tǒng)的單通路結(jié)構(gòu)框圖。圖IA是本發(fā)明基于分布-集中式波束控制模式的相控陣天線波束控制系統(tǒng)的多通路結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本發(fā)明的相位補(bǔ)償?shù)奶幚砹鞒虉D。
圖3是本發(fā)明波控系統(tǒng)的工作流程圖。圖4A是掃描至(0°，0° )本發(fā)明的30X30單元天線波束指向仿真圖。圖4B是掃描至(30°，30° )本發(fā)明的30 X 30單元天線波束指向仿真圖。圖4C是掃描至(0°，45° )本發(fā)明的30X30單元天線波束指向仿真圖。圖4D是掃描至(-30°，-30° )本發(fā)明的30X30單元天線波束指向仿真圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明。
本發(fā)明的一種基于分布-集中式波束控制模式的相控陣天線波束控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是對子天線陣運(yùn)用DSP技術(shù)的波束控制模塊實(shí)現(xiàn)相控陣天線波束控制。在本發(fā)明中，相控陣天線中的陣列單元個(gè)數(shù)記為N，相控陣天線中的數(shù)字移相器的個(gè)數(shù)記為W，所述陣列單元的個(gè)數(shù)與所述數(shù)字移相器的個(gè)數(shù)相同，即N = W。對任意一個(gè)陣列單元進(jìn)行編碼記為An(K，I) (K表示陣列單元在相控陣天線中的行號；1表示陣列單元在相控陣天線中的列號；)，對任意一個(gè)數(shù)字移相器進(jìn)行編碼記為Bw(SHpSH1) (SHk表示相控陣天線行號K對應(yīng)在數(shù)字移相器中的行號AH1表示相控陣天線列號I對應(yīng)在數(shù)字移相器中的列號)。在本發(fā)明中，采用基于DSP處理器設(shè)計(jì)了波束控制模塊。波束控制模塊與波控計(jì)算機(jī)之間采用RS-485總線進(jìn)行通信，若RS-485總線的接口個(gè)數(shù)記為J(簡稱為總線接口數(shù)J)，而波束控制模塊設(shè)計(jì)的個(gè)數(shù)記為M,則有M < J。 在本發(fā)明中，依據(jù)所述波束控制模塊個(gè)數(shù)M對N個(gè)天線陣列單元進(jìn)行劃分，得到子天線陣的個(gè)數(shù)記為M，即每個(gè)子天線陣含有P = N/M個(gè)陣列單元。每個(gè)子天線陣被劃分為相同規(guī)模的矩形，優(yōu)點(diǎn)在于控制每個(gè)子天線陣的波束控制模塊相同，做到了模塊化設(shè)計(jì)，使實(shí)際應(yīng)用中易于擴(kuò)展以及替換。對任意一個(gè)子陣中陣列單元進(jìn)行重新編碼記為ZAp(K，I) (K表示陣列單元在其所在子天線陣中的行號，I表示陣列單元在其所在子天線陣中的列號，P表示陣列單元個(gè)數(shù))。對任意一個(gè)子陣中的數(shù)字移相器進(jìn)行重新編碼記為ZBp(SHpSH1) (SHk表示相控陣天線中子陣的行號K對應(yīng)在數(shù)字移相器中的行號AH1表示相控陣天線子陣中列號I對應(yīng)在數(shù)字移相器中的列號，P表示陣列單元個(gè)數(shù))。參見圖I所示，一種單通路的基于分布-集中式波束控制模式的相控陣天線波束控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括有波控計(jì)算機(jī)10、波束控制模塊20、數(shù)字移相器模塊3和BITE檢測模塊4 ；(一 )波控計(jì)算機(jī)10在本發(fā)明中，波控計(jì)算機(jī)10 —方面輸出波控信息AA = {CMA, CMB, BK}，波控計(jì)算機(jī)10另一方面接收波束控制模塊20發(fā)回的檢測信息DD。在本發(fā)明中，根據(jù)相控陣天線50所需實(shí)現(xiàn)的功能(如頻率捷變，隨機(jī)饋相，近場測試，波束賦形等)在波控計(jì)算機(jī)10中生成對應(yīng)的控制命令碼CMA、定時(shí)命令碼CMB = ICMBs
CMBftfi, CMB};根據(jù)相控陣天線50的波束指向和頻率f在波控計(jì)算機(jī)10中生成對應(yīng)的波控基碼BK = { α Μ，βΜ};則波控計(jì)算機(jī)10輸出給波束控制模塊20的波控信息采用集合表達(dá)形式為AA = {CMA, CMB, BK}。所述控制命令碼CMA表示相控陣天線50所需實(shí)現(xiàn)的功能。
所述定時(shí)命令碼CMB = {CMB_，CMB_，CMBmI表示相應(yīng)的功能下的時(shí)序，其中CMB^^表示波控碼的配相運(yùn)算時(shí)序，CMBftf5表示波控碼的傳輸時(shí)序，CMB胃#表示數(shù)字移相器置相的時(shí)序。所述波控基碼BK = { α Μ，β J中α M表示行波控基碼，且
權(quán)利要求
1.一種基于分布-集中式波束控制模式的相控陣天線波束控制系統(tǒng)，該相控陣天線波束控制系統(tǒng)包括有波控計(jì)算機(jī)(10)、波束控制模塊(20)、數(shù)字移相器模塊(3)和BITE檢測模塊(4);其特征在于所述波束控制模塊(20)采用DSP處理器芯片實(shí)現(xiàn)； 波束控制模塊(20)第一方面接收波控計(jì)算機(jī)(10)下發(fā)的波控信息AA = {CM，CMB,BK}； 波束控制模塊(20)第二方面依據(jù)控制命令碼CMA和波控基碼BK = {aM, 在定時(shí)命令碼CMB= (CMBsffi, CMBftfi, CMBmI中CMB 規(guī)定的時(shí)序下，完成對數(shù)字移相器(3)的配相運(yùn)算、相位補(bǔ)償?shù)牟卮aZC(K，I)； 波束控制模塊(20)第三方面在定時(shí)命令碼CMB = ICMBgw, CMBftf5, CMBm }中CMBftf5規(guī)定的時(shí)序內(nèi)，將波控碼ZC(K，I)通過RS-485網(wǎng)絡(luò)串行傳輸給相控陣天線(50)的陣列單元ZAp (K，I)對應(yīng)的數(shù)字移相器ZBp (SHk，SH1)； 波束控制模塊(20)第四方面接收BITE檢測模塊(40)通過CAN總線串行發(fā)送來的數(shù)字移相器的檢測信息D ； 波束控制模塊(20)第五方面判斷數(shù)字移相器的檢測信息D是否正常，得到檢測信息DD,并通過RS-485總線將檢測信息DD發(fā)送給波控計(jì)算機(jī)(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于分布-集中式波束控制模式的相控陣天線波束控制系統(tǒng)，其特征在于工作步驟流程為 步驟I :波控主機(jī)根據(jù)相控陣天線所需實(shí)現(xiàn)的功能生成控制命令碼CMA、定時(shí)命令碼CMB,并通過RS-485通信總線將控制命令碼CMA、定時(shí)命令碼CMB發(fā)送給波束控制模塊； 步驟2 :波束控制模塊接收波控主機(jī)通過RS-485通信總線發(fā)送的控制命令碼CMA、定時(shí)命令碼CMB ； 步驟3 :波束控制模塊判斷波控主機(jī)下發(fā)的控制命令碼CM、定時(shí)命令碼CMB是否有效；若有效，則執(zhí)行步驟4 ;若無效，則返回步驟I ; 步驟4 :波束控制模塊判斷波控主機(jī)下發(fā)的控制命令碼CM、定時(shí)命令碼CMB有效，波控主機(jī)根據(jù)波束指向燃=肩和頻率f，得出波控基碼BK = { a M，@ M}，并通過RS-485通信總線發(fā)送給波束控制模塊； 步驟5 :波束控制模塊接收波控主機(jī)下發(fā)的波控基碼BK = { a M，P M}，根據(jù)控制命令碼CMA和波控基碼BK = {aM, P M}，在定時(shí)命令碼CMB的控制下進(jìn)行配相運(yùn)算、相位補(bǔ)償，得到波控碼ZC (K，I)，并通過RS-485通信網(wǎng)絡(luò)下發(fā)給數(shù)字移相器模塊中對應(yīng)編碼的數(shù)字移相器ZBp (SHk，SH1)； 步驟6，數(shù)字移相器模塊在定時(shí)命令碼CMB的控制下鎖存波控碼ZC (K，I)并置相形成波束； 步驟7 =BITE檢測模塊采集數(shù)字移相器模塊中數(shù)字移相器的狀態(tài)信息S并編碼存儲(chǔ)形成數(shù)字移相器的檢測信息D，通過CAN總線將數(shù)字移相器的檢測信息D發(fā)送給波束控制模塊； 步驟8 :波束控制模塊接收BITE檢測模塊發(fā)送的的檢測信息D并進(jìn)行判斷得到檢測信息DD ； 步驟9 :波控計(jì)算機(jī)如果有下一個(gè)波束指向控制命令碼CM、定時(shí)命令碼CMB需要傳輸波控計(jì)算機(jī)發(fā)送一個(gè)中斷申請給波束控制模塊。若波控計(jì)算機(jī)沒有申請中斷，則執(zhí)行步驟、·9 ;若波控計(jì)算機(jī)申請中斷，則返回步驟2 ; 步驟10 :波束控制模塊將檢測信息DD上傳給波控計(jì)算機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于分布-集中式波束控制模式的相控陣天線波束控制系統(tǒng)，其特征在于子天線陣內(nèi)的第(K，I)陣列單元相對于第(0，0)陣列單元的波控碼的配相運(yùn)算及相位補(bǔ)償后的運(yùn)算式為 ZC (K, I) = K ( a M+ A a ) +I (M+ A ) + y KI+ 6 KI+ x KI+wKI+sKp K為陣列單元在其所在子天線陣中的行號，I為陣列單元在其所在子天線陣中的列號，aM為行波控基碼，P M為列波控基碼，A a為頻率捷變時(shí)的行波控基碼修正碼、A ^為頻率捷變時(shí)的列波控基碼修正碼，Yki為隨機(jī)饋相補(bǔ)償碼，Ski為天饋線相位誤差補(bǔ)償碼，tki為球面波補(bǔ)償碼，wKI為波束賦形碼，sKI為初始相位補(bǔ)償碼。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于分布-集中式波束控制模式的相控陣天線波束控制系 統(tǒng)，其特征在于相控陣天線(50)中的第(K，I)陣列單元相對于第(0，0)陣列單元的配相運(yùn)算式為C(K, I) = K a M+I ^ M ； a M為行波控基碼，P M為列波控基碼，K為陣列單元在相控陣天線中的行號，I為陣列單元在相控陣天線中的列號。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于分布-集中式波束控制模式的相控陣天線波束控制系統(tǒng)，其特征在于所述頻率捷變時(shí)的行波控基碼修正碼△ a、頻率捷變時(shí)的列波控基碼修正碼A 0、隨機(jī)饋相補(bǔ)償碼Yki、天饋線相位誤差補(bǔ)償碼Ski、球面波補(bǔ)償碼tki、波束賦形碼wKI和初始相位補(bǔ)償碼sKI是按照頻率編碼、陣列單元編號順序存儲(chǔ)在DSP的存儲(chǔ)器中，即就是存儲(chǔ)在波束控制模塊(20)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于分布-集中式波束控制模式的相控陣天線波束控制系，該系統(tǒng)包括有波控計(jì)算機(jī)、波束控制模塊、數(shù)字移相器模塊和BITE檢測模塊。相控陣天線波束控制系是基于DSP處理器的波束控制模塊輸出的波控碼來對陣列單元的數(shù)字移相器進(jìn)行控制；分布波控模式是依據(jù)總線接口個(gè)數(shù)來對多個(gè)陣列單元分成若干個(gè)子天線陣，每個(gè)子天線陣擁有一個(gè)波束控制模塊；集中波控模式是利用波束控制模塊產(chǎn)生子天線陣中所有陣列單元的數(shù)字移相器的波控碼。波控計(jì)算機(jī)采用總線下發(fā)波控基碼給多個(gè)波束控制模塊，波束控制模塊對接收的所述波控基碼進(jìn)行配相運(yùn)算、相位補(bǔ)償后得到波控碼；數(shù)字移相器依據(jù)波控碼對陣列單元進(jìn)行相位控制；BITE檢測模塊對數(shù)字移相器的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測。
文檔編號G05B19/042GK102738583SQ201210191580
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月6日
發(fā)明者吳鵬, 姜維維, 安康, 房見, 楊綽, 陳愛新 申請人:北京航空航天大學(xué)