一种相控阵雷达数字TR组件幅相校正装置设计

王新红，陈婷，杨柳

（航天南湖电子信息技术股份有限公司，湖北荆州，434000）

0 引言

数字T/R组件是相控阵雷达的关键部件之一。常规数字相控阵雷达的幅相校正需要使用专用仪表和设备，人工连接校正线路并手动设置仪表参数，由于校正设备硬件通道的差异，每次幅相校正完毕后还需人工测量误差并对校正结果进行补偿，不仅校正效率低，耗费时间长，且在长时间的校正过程中无法保证工作温度始终一致，无法消除电子器件温度漂移带来的误差，极大影响雷达阵面幅相的一致性，严重降低数字T/R组件工作性能。本文设计一种自动化幅相校正装置实现数字T/R组件幅相校正。

1 设备组成及工作原理

相控阵雷达数字TR组件幅相校正装置由监控计算机、资源管理计算机、数字波束合成DBF分机、频率源、阵面监测网络、数字TR组件组成。数字T/R组件通过阵面监测网络接收频率源输出的同步信号、同步时钟、变本振和测试信号；频率源通过阵面监测网络接收数字T/R组件输出的发射激励耦合信号；监控计算机通过资源管理计算机和阵面监测网络向频率源、数字T/R组件发送幅相校正指令，频率源和数字波束合成DBF分机接收校正数据，并将频率源的发射校正数据、数字波束合成DBF分机的接收校正数据回传监控计算机进行处理显示。相控阵雷达数字TR组件幅相校正装置工作原理框图如图1所示。

图1 工作原理框图

监控计算机为CPCI计算机，包含计算机硬件平台、显示器、键盘、鼠标和人机交互界面软件，人机交互界面软件包括：显示控制软件模块、命令解析软件模块、校正处理软件模块、数据传输软件模块；监控计算机通过计算机硬件平台的网络接口与资源管理计算机通讯，通过键盘鼠标完成与操纵员的人机交互；监控计算机接收操纵员通过键盘鼠标的操作录入，根据操纵员人工选择的手动/自动校正选项，使用显示控制软件模块完成识别，生成操作选择结果，使用命令解析软件模块完成选择结果的解析，结合校正值生成校正指令，使用数据传输软件模块打包成网络协议报文通过网络接口输出；数据传输软件模块通过网络接口获取幅相数据报文，得到校正结果。

资源管理计算机为CPCI计算机，包含计算机硬件平台、PCIE接口卡和资源管理软件，资源管理软件包括：参数分解软件模块、资源调度软件模块、指令下发软件模块、幅相数据处理软件模块；资源管理计算机可根据监控计算机的指令分解参数和任务，分别生成频率源、数字T/R组件、数字波束合成DBF分机的控制指令并下发，获取频率源的发射幅相校正数据和数字波束合成DBF分机的接收幅相校正数据编码回传监控计算机。

频率源为嵌入式板卡，硬件包含现场可编程门阵列FPGA、直接数字式频率合成器DDS、模数转换器AD、串行存储器EPCS、LC滤波器、放大器、开关滤波器组、晶振、倍频器、混频器、光收发模块，软件包含频率源嵌入式软件，频率源嵌入式软件包括：通讯处理软件模块、DDS指令生成软件模块、AD采样软件模块、时序生成软件模块。频率源通过光收发模块接收资源管理计算机的频率源的控制参数报文，经通讯处理软件模块解析后，生成DDS控制信号、采样控制信号、时序控制信号。时序产生软件模块接收晶振产生的全机时钟，根据时序控制信号产生同步信号和时序；DDS指令生成软件模块接收DDS控制信号和时序，生成DDS指令信号；DDS接收DDS指令信号、基准时钟，产生三路中频信号，晶振输出的基准时钟经倍频器倍频、LC滤波器滤波后输出固定本振信号，DDS产生的三路中频信号分别与固定本振信号混频、放大，并经过开关滤波器滤波后，生成一路基准信号、一路测试信号、一路变本振。晶振产生的基准时钟经放大器、LC滤波器后产生同步时钟输出。两路模数转换器AD同时接收一路发射激励耦合信号、一路基准信号并采样，AD采样软件模块根据时序信号对采样结果进行处理，输出幅相数据；通讯处理软件模块对幅相数据进行编码打包后通过光收发模块输出，回传资源管理计算机。

阵面监测网络为信号分发器，硬件包含同步信号一分十功分器、同步时钟一分十功分器、变本振一分十功分器、测试信号一分十功分器、光功分器及若干连接频率源与数字T/R组件的射频电缆。阵面监测网络通过射频电缆与频率源连接，接收频率源的同步时钟、同步信号、变本振、测试信号，分别通过一分十功分器完成无源功分，输出十组同步时钟、同步信号、变本振、测试信号到十个数字T/R组件；阵面监测网络通过光纤接收数字T/R组件控制参数光信号，通过光功分器完成无源光功分，输出十个数字T/R组件的控制参数光信号到十个数字T/R组件；十个数字T/R组件根据控制切换开关，通过测试信号通道回传发射激励耦合信号，阵面监测网络接收发射激励耦合信号，经一分十功分器回传频率源。

数字T/R组件为基于直接数字式频率合成器DDS的数字T/R组件，硬件包含带通滤波器、限幅器、电子开关、发射模块、接收模块、数字模块；其中发射模块包括：前级功放、末级功放、耦合器、环行器；接收模块包括：选频滤波、放大，数控衰减控制；数字模块的硬件包括：现场可编程门阵列FPGA、直接数字式频率合成器DDS、模数转换器AD、时钟驱动芯片、串行存储器EPCS、光收发模块，数字模块的软件包含数字T/R组件嵌入式软件，数字T/R组件嵌入式软件包括：通讯控制软件模块、DDS控制软件模块、AD控制软件模块、导前解码软件模块、时序产生软件模块；数字T/R组件接收控制指令，控制DDS产生发射激励耦合信号，对回波端口输入的信号进行AD采样，依次经过滤波、插值、抽取后得到接收幅相数据并打包回传至数字波束合成DBF分机；数字T/R组件测试信号与发射激励耦合信号回传共用一个通道和线路，通过电子开关切换。

数字T/R组件为基于直接数字式频率合成器DDS的数字T/R组件，硬件包含带通滤波器、限幅器、电子开关、发射模块、接收模块、数字模块。其中发射模块包括：前级功放、末级功放、耦合器、环行器；接收模块包括：选频滤波、放大，数控衰减控制；数字模块的硬件包括：现场可编程门阵列FPGA、直接数字式频率合成器DDS、模数转换器AD、时钟驱动芯片、串行存储器EPCS、光收发模块，数字模块的软件包含数字T/R组件嵌入式软件模块，数字T/R组件嵌入式软件模块包括：通讯控制软件模块、DDS控制软件模块、AD控制软件模块、导前解码软件模块、时序产生软件模块。数字T/R组件通过数字模块的光收发模块接收阵面监测网络分发的数字T/R组件的控制参数光信号，完成光电转换后输出到现场可编程门阵列FPGA的通讯控制软件模块，通讯控制软件模块完成对数字T/R组件的控制参数的分解，输出采样控制信号、时序控制信号、DDS控制信号。数字模块的时钟驱动芯片接收阵面监测网络分发的同步时钟信号，完成信号的有源功分，为模数转换器AD、时序产生软件模块、导前解码软件模块提供同步时钟；导前解码软件模块接收同步时钟、同步信号，解码输出导前；时序产生软件模块接收导前、时序控制信号，产生各模块所需时序信号；DDS控制软件模块接收时序、DDS控制信号，产生DDS指令，DDS根据DDS指令产生中频信号，与变本振在混频器中完成混频，依次经过放大器放大、开关滤波器组滤波，进入前级功放进行第一次信号放大，将其中一路耦合信号输出到电子开关，按照时序控制的切换通过电子开关输出，将另一路信号送末级功放，进行第二次放大，再经过耦合器、环形器后输出发射信号，经带通滤波器滤波后输出。带通滤波器接收回波信号，依次经限幅器输出到电子开关。电子开关接收时序控制、测试信号、回波信号，按照时序控制切换开关，在不同时刻将测试信号或回波信号输出到选频滤波，再依次经过放大、数控数衰减控制输出到AD进行采样，采样结果经AD控制软件模块处理后输出幅相数据到通讯控制软件模块，通讯处理软件模块对幅相数据进行打包编码，经光收发模块完成电光转换后输出。

数字波束合成DBF分机包括底板、光纤数传插件、处理插件、电源插件；其中，光纤数传插件的硬件包括：现场可编程门阵列FPGA、串行存储器EPCS、光收发模块、晶振，光纤数传插件的软件包括：数据接收软件模块、数据对齐软件模块、数据打包软件模块；处理插件的硬件包括：现场可编程门阵列FPGA、串行存储器EPCS、光收发模块、晶振，处理插件的软件包括：数据合成软件模块、数据发送软件模块；数字波束合成DBF分机负责接收经数字T/R组件处理后的幅相数据，并将幅相数据提取并打包回传至资源管理计算机。

2 幅相校正方法

2.1 发射幅相校正

发射幅相校正流程图如图2所示。

图2 发射幅相校正流程图

监控计算机根据人机界面人工/自动选项的选择结果，转换为以字节为单位的控制指令，通过网络传输给资源管理计算机；资源管理计算机接收监控计算机的控制指令，完成控制指令分解后，分别发送针对频率源、数字T/R组件的控制指令；频率源接收资源管理计算机的控制指令，产生同步信号、同步时钟、变本振和基准信号；阵面监测网络接收资源管理计算机的控制指令、频率源的同步信号、同步时钟、变本振信号，完成信号的功分与转发；数字T/R组件接收控制指令、同步信号、同步时钟、变本振信号，数字T/R组件被测试通道根据指令要求产生发射激励耦合信号；阵面监测网络将被测试数字T/R组件的发射激励耦合信号通过测试信号通道回传至频率源；频率源接收发射激励耦合信号，通过频率源内置模数转换器AD对自身基准信号与发射激励耦合信号同时进行采样，依次经过滤波、插值、抽取后得到幅相数据并打包回传至资源管理计算机；资源管理计算机接收幅相数据，并回传给监控计算机，监控计算机接收被测试通道和基准信号的幅相数据，将被测试通道幅相与基准幅相做比值计算得到误差值，判断被测试发射通道幅相与基准通道幅相误差是否超出门限范围，并根据判别情况更新发射幅相误差数据表，在后续周期向数字T/R组件发送新的发射通道相位补偿值；监控计算机依次切换被测试通道，通过巡检的方式完成所有通道所有频点的发射幅相校正，人机交互界面负责对监测结果进行综合处理后显示。

2.2 接收幅相校正

接收幅相校正流程图如图3所示。

图3 接收幅相校正流程图

监控计算机根据人机界面人工/自动选项的选择结果，转换为以字节为单位的控制指令，通过网络传输给资源管理计算机；资源管理计算机接收监控计算机控制指令，完成分解，分别发送针对频率源、数字T/R组件、数字波束合成DBF分机的控制指令；频率源接收资源管理计算机的控制指令，产生模拟同步信号、同步时钟、变本振和测试信号；阵面监测网络接收资源管理计算机的控制指令、频率源的同步信号、同步时钟、变本振和测试信号，完成信号的功分与转发。

数字T/R组件接收控制指令、同步信号、同步时钟、变本振和测试信号，被测试数字T/R组件根据指令要求切换开关，使测试信号经过接收通道，并使用数字T/R组件的内置模数转换器AD对接收区信号进行采样，依次经过滤波、插值、抽取后得到幅相数据并打包回传；数字波束合成DBF分机接收当前频点参数下所有数字T/R组件的幅相数据，提取数据，根据控制指令处理并打包回传；资源管理计算机接收数字波束合成DBF分机回传的幅相数据，转发给监控计算机，监控计算机设定校正的幅度、相位基准值，将通道幅相数据做比值运算得到幅相校正比值，并将幅相校正比值和校正参数生成控制指令，依次通过资源管理计算机、阵面监测网络发送给数字T/R组件，数字T/R组件根据控制指令完成接收幅相数据的校正； 监控计算机依次切换测试频点参数，通过巡检的方式完成所有频点的发送接收幅相校正，人机交互界面负责对监测结果进行综合处理后显示。

3 结论

该相控阵雷达数字T/R组件幅相校正装置，通过监控计算机人机交互界面自动发送校正指令，完成频点和通道的切换；幅相校正使用的阵面监测网络与正常工作所需的网络为合二为一，正常工作所需的控制指令、同步信号、同步时钟、变本振和测试信号，与幅相校正所需的控制指令、同步信号、同步时钟、变本振、测试信号、发射激励耦合信号使用的是同一套网络，减少校正误差环节，从而极大减小幅相校正误差；资源管理计算机获取校正数据后，通过监控计算机自动计算补偿值并生成校正指令，使得完成幅相校正总耗时控制在秒级，彻底避免长时间校正所产生温度漂移带来的不良影响。幅相校正一致性好，极大提高校正效率，切实保证数字T/R组件高效运行。解决了现有幅相校正必须配置专用仪表和设备，因设备硬件通道差异，每次校正完毕还需人工测量误差并对校正结果进行补偿，不仅校正效率低，耗费时间长，且无法校正因长时间校正温度变化引起的差异，极大影响幅相校正的一致性，严重降低数字T/R组件工作性能的问题。