某相控阵雷达射频功率监控模块设计

朱文松 吉宗海

【关键词】雷达 频率源 RF功率测量 监控

相控阵雷达由大量可以独立控制的收发单元组成，通过控制每个收发单元的发射波的相位不同，可以在空间合成不同指向的波束，具有敏捷的波束扫描和捷变能力，可以实现多目标的截获、跟踪、自适应等优点，同时由于基于电子扫描方式而非传统的机械转动天线的方式控制波束，相较于传统雷达，其波束调度速度、多目标跟踪能力、目标更新速率、分辨率、多功能、电子对抗能力具有巨大的优势。现在先进的相控阵雷达多采用有源全数字体制，可以充分发挥相控阵雷达体制的优势，整体性能更强。

1 频率源及分配网络

现代雷达频率源分机的时钟和本振信号一般不能直接送给雷达阵面每个收发单元使用，一般需要经过分配网络，在分配网络各个节点进行精确放大、功分和滤波后，送给每个收发单元使用。由于分配网络分布在雷达的整个阵面，节点数多，任何一个节点出现问题都会导致与该节点相关的雷达阵面无法正常工作，因此需要按照规划对节点进行监控，主要监控时钟和本振信号功率的大小。本文主要介绍该监控模块的设计和实现。

2 射频功率监控模块设计

2.1 模块整体框图

模块框图包括六路RF信号输入、一路系统时钟、以FPGA作为主控制器、模块配置了大容量的FLASH和SRAM、数十路 TTL IO控制口、温度传感器、光纤链路口、网口和RS422通信接口等。根据雷达总体对射频功率监控模块要求，射频功率监控模块主要功能：在雷达同步触发时序下，对各个节点的时钟和本振信号的功率进行量化，并分别通过光纤、网口、RS422送给后端信号处理分机。同时解析光纤发过来的协议，根据时序送出TTL控制信号给节点其他模块。

2.2 LTC5587

LTC5587是一款低功耗的射频功率测量芯片，集成了高精度RMS探测器和ADC为一体，具有体积小、低功耗和高性能的特性。可以测量10MHZ～6GHZ范围内的RF信号功率，该芯片具有大的动态范围特性，对于2.14GHZ的RF信号，可以测量-34dBm～6dBm的信号。RMS探测器将输入RF信号转换为脉冲直流信号，经过滤波处理后送给片内ADC（最高速度500kHz）量化，量化值与RF功率成线性关系（功率以dbm为单位）。

2.3 主控制器

模块使用FPGA作为主控制器，选用Altera 公司推出的stratix IV系列FPGA，型号为EP4SGX180。该器材已在多个项目和课题中选用，成熟可靠，有效降低开发时间和设计风险。Stratix IV FPGA基于台积电 （TSMC）40-nm工艺技术研制的高端FPGA，同时具备了逻辑密度高、高速收发器数量多以及功耗低的特点。

2.4 通信接口

模块设计了三种通讯接口，分别为基于GXB高速光通信链路口、基于W5100的网口和基于MAX491EESD的RS422串口，这三个通讯口实际工作时分别与雷达其他分系统连接。

2.4.1 光通信口

FPGA的高速GXB与光模块构成了光通信口，模块选用的光模块最高可以支持10G Gbps的速率，具备体积小、单电源供电、工作温范围宽、稳定可靠等特点。实际使用中，因为FPGA需要解析光通信口的协议，并根据协议严格按照时序发出控制信号给外部其他受控模块，经过计算和实验，目前光通信口工作在6Gbps的速率下，为了达到一定的容物纠错能力，模块设计了两路光通信口，正常使用一路，如果其中一路出现误码或其他错误，会自动启动备份的另外一个光通信口。

2.4.2 网口

模块的网口是基于W5100开发的。W5100 是一款廉价成熟的网络接口芯片，目前应用较广泛。在没有操作系统的应用中，利用W5100也可以完成网络的连接。

2.4.3 RS422串口

模块选用MAX491EESD作为串口收发芯片，使用异步通讯方式，RS422传输距离较远。RS422的工作时钟基于模块自身配置的晶振而不是外送的系統同步时钟，当外送系统时钟失效时，依然可以通过RS422往雷达的监控分系统报告模块监控到的雷达状态。

3 FPGA设计

FPGA程序主要完成几个功能：完成对LTC5587的配置和数据读取、完成温度传感器的配置和读取、完成对光通信口、网口、RS422串口三个接口协议的解析、根据解析得到的参数和时序完成对TTL和差分控制信号的控制。另外还要实现光通讯口的容错纠错功能。因为有三个通信接口，FPGA逻辑工作在多个时钟域，逻辑涉及多个跨时钟域的处理。

4 结果与分析

射频功率监控模块，实际的调试和系统联调表明该模块设计达到任务要求，经过温冲、振动、湿度等实验后，该模块对RF功率的测量准确可靠，各通讯口与雷达其他分系统通讯稳定，整体设计满足整机需求。

5 结束语

本文阐述了某相控阵雷达射频功率监控模块设计，由于该模块采用了集成的RF功率测量芯片，而不是传统的分离器件搭建的测量系统，因为体积小，成本低、结构简单，稳定可靠，模块配置多种通讯接口，使得雷达整机不同的分系统都可以直接与该模块通信，实时监测整机运行情况。实际的运行结果表明该设计方案可行、可靠。对类似的项目具有一定的借鉴意义。

参考文献

[1]高见芳，高金定，张建军.基于对数检测法的射频功率测量电路设计[J].现代电子技术，2011，34（19）：130-132.

[2]LT.datasheet of LTC5587.http：//www.linear.com.cn/product/ltc5587.