[发明专利]星载小型有源相控阵天线波束控制方法

说明书

本发明公开的一种星载小型有源相控阵天线波束控制方法，旨在提供一种可靠性高，波束指向灵活的波束控制方法。本发明通过下述技术方案实现：在小型有源相控阵天线波束控制系统中，波控分发前端分为两级，第一级设计在模块化T/R组件内，第二级包含前端分发母板，前端分发母板接收和分发远端串行波束控制运算处理单元生成的同步串行波控码；根据频率、角度、间距、天线阵面阵元排列结构计算出每个单元的幅度和相位控制量，生成对天线单元进行幅度和相位激励的两级串行波束控码，按两级串行码输出时序，分别向移相器和衰减器发送控制命令，通过控制电路驱动移相和衰减单元到达指定值，完成整个串行传输过程，控制天线波束指向设定的空间方向。

技术领域

本发明属于卫星天线技术领域，具体涉及一种星载小型有源相控阵天线的串行波束控制方法。

背景技术

有源相控阵天线一方面具有高增益、作用距离远的优点，另一方面其改变波束指向时，天线本身固定不动，无惯性，具有波束快速扫描、波束形状捷变的特点，能够克服传统机械扫描天线指向时的转动惯性大、速度慢等缺点，且容易实现小型化设计，因此其非常适合搭载于空间和载荷能力有限的卫星平台进行高空探测。在有源相控阵天线中，波束控制技术作为关键技术之一，直接影响系统效能，是相控阵天线重要组成部分，也是实现其功能的基础。相控阵天线的基本原理是对相控阵天线阵列各个阵元的幅度和相位进行控制，从而改变相控阵天线空间合成的波束指向。在实际的相控阵天线中，每一个器件、每一次加工装配都可能引入误差，通常又可分为系统误差和随机误差。系统误差产生的原因有天线阵面的扭曲、馈线系统的耦合、风力变形、辐射单元的系统安装误差等，这类误差很小且难以控制。误差的来源很多，如波束扫描时数字移相器的量化误差、天线幅相误差等。一般会影响天线的远区副瓣性能，即影响天线平均副瓣电平，导致天线波瓣的副瓣电平恶化，增益损失、波束指向精度下降、波束指向不稳定和偏离目标的现象很容易发生，最终限制天线性能。

传统有源相控阵天线波束控制系统大致可分为集中式和分布式两种。集中式波束控制系统由单个波束控制运算处理单元一般为现场可编程门阵列(FPGA)进行统一计算，然后将计算好的波控码分发到各个天线阵元对应的移相器上，一般适用于阵元量较少的有源相控阵天线；分布式波束控系统把由单一的波束控制运算处理单元处理的任务转为由多个波束控制运算处理单元共同承担，即将天线阵面划分为多个子阵来管理，每个波束控制运算处理单元只处理计算、分发部分阵元的波控码，一般适用于阵元数较多的大型有源相控阵天线。针对星载GNSS-R海洋微波遥感器相控阵天线对波束控制提出的要求，现有技术还提出了一种基于DSP+FPGA的星载GNSS-R相控阵天线波束控制系统，选择高性能的DSP芯片作为核心处理器，完成阵列中每个单元移相器所需移相码的计算，实时计算波束控制码，通过控制电路驱动移相器移相，实现对星载双面GNSS-R多波束相控阵天线的多波束分时工作和同时工作进行控制，以满足系统的实时性要求。首先波控数码的计算要完成基本波控码的计算，频率捷变和相位误差补偿。这些任务的完成需要根据外部波位同步周期信号和频率捷变脉冲信号进行灵活的程序调度。此外波控码计算和补偿的顺序性和实时性的特点要求处理器的要具备比较高的工作频率。对于自定义的阵面波控码通信协议，DSP无法产生特定的接口时序，同时无法做到多通道的并行数码分配。配相单元要完成对波控码的接收、通道分配和格式转换，同时产生天线单元接收所需的同步采样时钟和帧同步信号。地址数据总线接收到的数据存于FPGA内构建的FIFO中，然后对波控码进行分配。分配方式为：行向分配，即首先对第一列的第一个单元分配，接着分配第二列的第一个单元直到第N列的第一个单元分配完毕，又开始新一轮行向分配，即从第一行的第二单元开始，依此类推。这种基于DSP+FPGA的星载GNSS-R相控阵天线波束控制系统，以DSP为核心器件的计算单元来根据波控指令计算波控码，同时进行波控码的各种补偿、拼合以及校验码的计算，以FPGA为核心的配相单元地利用FPGA的时序设计优点来实现波控码的接收、通道分配和格式转换等功能。在配相单元采用波控码的行向分配方式，实现各通道对阵面的并行配相。从试验的结果来看，这种DSP+FPGA的协同处理结构虽然对大型波控系统的计算和配相是一种有效的设计方法，但实现过程比较复杂，而且成本高。星载相控阵波控的设计难点存在于以下几个方面：星载设备有抗辐照的要求，目前没有适用于星载环境的大容量存储器和高性能的处理器，致使无法实现完全的查表法和完全的计算法。波控数据的传输方式决定了电缆的数量，在大型相控阵雷达里，电缆的重量几乎占了设备总重量的三分之一，所以传输方式也是影响波控系统设计的重要因素之一。