[发明专利]一种适用于大规模阵列波束赋形的模块化高精度控制系统及方法

说明书

本发明涉及一种适用于大规模阵列波束赋形的模块化高精度控制系统及方法，上位机根据阵列系统对波束扫描区域及扫描形式的需求，生成对应的电压控制字数据并将其发送到模块化的波束控制单元，每个波束控制单元接收到电压控制字后，在上位机的控制指令下根据不同波束扫描模式以查找表的方法读取对应的电压控制字，通过数模转换芯片将按照指定的工作时序将控制电压依次输出给16路模拟移相器，完成对所有通路的高精度相位调节，实现整个阵列在二维平面上的波束聚焦与波束扫描。本发明实现了相控阵波束控制系统的模块化设计，通过模块扩展可完成对大规模阵列的波束赋形与电扫描，能够有效降低系统设计风险与设计复杂度，具有集成度高、小型化、低功耗的优点，可广泛应用于大规模相控阵雷达及扫描式辐射计系统中。

技术领域

本发明涉及一种波束控制技术，尤其涉及一种大规模阵列波束赋形的模块化高精度控制系统及方法。

背景技术

相控阵作为当今一种先进的相位控制技术，在雷达，军事领域得到了广泛的应用。典型的相控阵利用电子计算机控制移相器改变天线孔径上的相位分布，使得各阵元间的相位差与到达信号的相位差相抵消,则天线阵即以最大增益接收来自该方向的辐射，从而实现波束在空间的电扫描，与传统的机械扫描相比较相控阵具有扫描速度快、控制灵活的优势。如今相控阵技术的广泛应用不仅仅体现在相控阵雷达上，还用在超声波相控阵无损检测、相控超声波水下探测、检测、卫星通信等方面。

如何控制每个单元的相位来完成波束形成是相控阵技术的关键，随着相控阵规模的不断扩大和对波束赋形要求的提高，波束控制系统也变得越来越复杂，这会在大型相控阵系统的研发和设计阶段产生一定的风险，增加测试与验证难度，同时也无法在后期满足系统高可靠性要求。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供了一种适用于大规模阵列波束赋形的模块化高精度控制系统及方法，实现了相控阵波束控制系统的模块化设计，通过模块扩展可完成对大规模阵列的波束赋形与电扫描，能够有效降低系统设计风险与设计复杂度，具有集成度高、小型化、低功耗的优点，可广泛应用于大规模相控阵雷达及扫描式辐射计系统中。

本发明是通过以下技术方法实现的。

一种适用于大规模阵列波束赋形的模块化高精度控制系统，包括多个波束控制模块、上位机和移相器；采用内存储查找表的方式实现对需要配置的相位电压数据的存储与索引；上位机首先根据系统配置信息及工作模式计算生成对应的电压控制字，并以txt文本形式发送给波束控制模块，之后继续发送配置信息等相关内容；每个波束控制模块接收并将txt文本和配置信息存入其内部相应内存空间后向上位机返回状态信息，表明数据已接收完毕；接着在上位机的控制下，波束控制模块通过接收上位机的波束位置信息从文本中读取对应的电压控制字，在同步信号的作用下按照数模转换的数据配置格式和读写时序要求完成对移相器控制电压的数模转换，将转换后的模拟电压输送给移相器，实现对每个阵列单元的相位调节，进而完成对二维面上的波束切换与电扫。

所述电压控制字为：根据波束扫描距离和扫描区域，计算得到每个扫描面上对于每一个位置点阵列单元需要补偿的相位值，再根据移相器的电压-相位关系表得到对应的控制电压值并根据DAC转换芯片将电压值转换为控制字形式写入文本存储。

所述波束控制模块包括主控芯片、DAC转换芯片、运算放大器和网口，接口可以为串口、jtag口等，所述主控芯片通过以太网口和TCP/IP协议接收从上位机发送的电压控制字数据和系统配置等相关控制信息，并在同步控制信号作用下通过时序操作以串行SPI形式将电压控制字数据输出至DAC转换芯片的数据输入端，DAC接收电压控制字数据，将电压控制字数据转换为模拟电压后经过4倍运放电路后输送至移相器的控制端。

所述主控芯片的型号为Zynq-7020,DAC转换芯片的型号为AD5668。