基于查表方式的雷达波束扫描技术
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第 44 卷 第 1 期（ 总第 171 期） 2015 年 3 月
火控雷达技术
Fire Control Ｒadar Technology
Vol． 44 No． 1（ Series 171） Mar． 2015
基于查表方式的雷达波束扫描技术
郭立俊
（ 中国电子科技集团公司第三十八研究所 合肥 230088）
1 系统分析
波束控制系统接收上位机的控制命令，解析后 根据算法实时计算或查表法得出波束指向控制码 值，实现对天线的 T / Ｒ 组件布相控制，完成对 T / Ｒ 组件、变频组件及阵面电源数据、状态采集并上报。 波控单机的原理框图如图 1 所示：
收稿日期： 2014-9-2 基金项目： 国家科技部世博行动计划资助项目，上海世博会重点项目（ O91901A01N） 作者简介： 郭立俊（ 1980 － ） ，男，高工。主要研究方向为雷达监控及浮空器测控。
参考文献：
［1］ 林桂道． 现代相控阵系统的波束控制设计分 析［J］． 船舶科学技术，2007，29（ 3） ： 74 － 78．
［2］ 郑清，张健． 相控阵雷达分布式波控系统设计 ［J］． 现代雷达，2001（ S1） ： 51 － 53．
［3］ 丁鹭飞． 雷达原理［M ］． 西安： 西北电讯工程 学院出版社，1983．
图 6 波控驱动芯片时序图
78
3． 2 时序仿真 波控单机时序模块见图 7 所示：
火控雷达技术
4 结束语
第 44 卷
图 7 波束控制时序模块
利用 Modelsim 工具验证波束控制时序功能，见 图 8 所示，时序结果与图 6 的驱动时序图一致，说明 可以通过控制驱动接口芯片完成相控阵雷达天线的 电扫功能。
【摘要】相控阵雷达波束控制系统的性能极大地影响雷达功能的发挥，采用查表法完成雷达天线波
束快速布相，具有速度快、移相精度高、控制灵活及便于扩展等特点，在相控阵雷达波束控制中应用
广泛。
关键词： 相控阵雷达； 波束控制； 查表法； 计算法
中图分类号： TN95
文献标志码： A
文章编号： 1008-8652（ 2015） 01-075-04
76
火控雷达技术
第Fra Baidu bibliotek44 卷
与外围的配置电路、接口芯片及电源系统完成整个 硬件组成。上位机与波控单机完成整机数据通信及 控制命令传输任务，当波控单机接收到波控码值后， 将数据按地址信息存储于 Flash 存储器，完成码表 的本地保存任务。当开始雷达扫描任务时，将上位 机发送的扫描角度、扫描模式、扫描步进信息进行解 析，换算出本地码表的地址信息，按照既定的时序完 成码值读取与解算。
0 引言
随着雷达、电子战、通信技术的发展，相控阵电 子信息系统 已 成 为 雷 达、电 子 战、通 信 等 发 展 的 主 流，在相控阵系统中波束控制技术作为关键技术之 一，直接影响着系统功能和效能的发挥［1］。天线波 束控制系统，不仅要为相控阵雷达天线扫描提供正 确的相位码，而且也要满足系统探测的要求，使波束 指向能够快速、灵活的转换，因此，相控阵雷达波束 控制系统设计的好坏，对整个雷达系统能否具备更 加强大的功能，能否更好地实现其性能指标，是至关 重要的，因此，波束控制系统的性能优劣将极大影响 了相控阵雷达系统性能的发挥［2 － 3］。
［4］ 张光义． 相控阵雷达系统［M］． 北京： 国防工 业出版社，1994．
［5］ 陈海荣． 基于双核 PowerPC 处理器的高性能 计算模块设计［J］． 计算机测量与控制，2011， （ 11） ： 233 － 236．
（ 上接第 64 页）
［3］ LINZ A． ，HENDＲICKSON A． Efficient implementation of an I － Q GMSK modulator ［J］． IEEE Transactions on circuits and systems， 1996，43（ 1） ： 14 － 23．
波控 单 机 码 值 存 储 包 括 FLASH 存 储 方 式 和 ＲAM 存储方式，上电时，波控数据表从上位机传输 到波控单机，并存储在 FLASH 中。波束指向方位为 + 45 度 ～ － 45 度，步进为 0． 5 度，共 180 个码值，移 相码为 32 位，共 48 个 TＲ 组件，因此需要的 FLASH 空间为： 32 ·180 ·48 = 276480bit，FLASH 采用 Atmel 公司生产的 AM29LV128MH93ＲEI，含 128Mbit， 能够满足波控码值的存储要求。在波控单机进行波 束控制时，FPGA 从 FLASH 中读取码值数据并暂存 在 FPGA 内部 ＲAM 中，并从 ＲAM 中调取码值信息 进行波束调度。 2． 3 异步串口设计
异步串口构建原理图见图 4 所示，所用差分接 口器件包括 SN65LBC175 和 SN65LBC174。
图 4 PowerPC 嵌入式系统 UAＲT 构建原理图
端加 1000 欧上拉电阻，Tx － 端加 10K 欧下拉电阻， 完成 UAＲT 电路的合理化设计。
波控单机异步串口 ＲS422 主要完成与上位机 通信的，通过接收上位机的码表信息及控制命令，完 成波控单机本地时序生成，根据时序读取内存波控 码值。
图 2 波束控制流程图
由图 1 可知，硬件主要由 FPGA 芯片构成，通过
图 3 PowerPC 嵌入式系统存储器构建原理图
第1 期
郭立俊： 基于查表方式的雷达波束扫描技术
77
电源有核电压输入 VCC 和 IO 电源输入 VCCQ， 供电电压 为 3． 3V； 设 备 地 址 FLASH _ A［23： 0］的 FLASH_A0 为字节选择地址信号，FLASH_A［23： 1］ 地 址 输 入 信 号，由 此 可 以 判 断 存 储 器 容 量 为 128Mbit，同时 FLASH_A23 经过电阻上拉到 3． 3V 电 源，所有地址信号管脚都连接到 FPGA，高字节数据 总线和低 字 节 数 据 总 线 综 合 起 来 形 成 FLASH _ D ［15： 0］连接到 FPGA，输出使能信号 OE#和写使能 信号 WE#分别连接到 FPGA，字节使能信号 BYTE#、 片选信号 CS#及复位信号 ＲST#经过上拉电阻到 3． 3V 电压，然后连到 FPGA。
图 1 波束控制原理框图
波束控制是波控单机最重要的功能，为实现波 束的无惯性扫描、天线的快速校正和配合天线的高 效测试，单元根据任务系统的指令控制完成 T / Ｒ 组 件的幅度、相位、工作状态控制； 幅相补偿值的计算 与存储等功能。控制流程见图 2 所示：
2 工程设计
2． 1 响应时间计算 根据机载雷达对波控系统的要求，一要波位切
波束控制系统是相控阵雷达的重要组成部分， 相控阵天线是以数字式移相器实现天线波束的高速
电控扫描，充分利用天线波束扫描快速、合理地分配 能量，无需天线的机械扫描也可以方便地实现波束 方向的改变［4］。
在进行波束扫描控制时，需要对偏移量进行实 时补偿，具 体 做 法 有 两 种 方 式，一 是 采 用 实 时 计 算 法，将补偿角度叠加到波控移相器； 另一种是将偏移 量形成表格文件，采用实时查表法，本文采用查找表 方式完成雷达波束控制。
3） 波控码值为 32 位，打码时钟频率为 1M，因此 串并转换时间为： 32 × 1us = 32us。
因此，理论时间 = 0． 5us + 0． 5us + 32us = 33us， 远小于响应时间 0． 5ms 的要求。 2． 2 波控码值存储
存储器 构 建 原 理 图 见 图 3 所 示； FLASH 采 用 Intel 公司 28F128J3 芯片［5］，存储空间 128Mbit。
驱动控 制 集 成 电 路 模 块 时 序 波 形 图 如 图 6 所示。
上位机发数据到驱动器 SN65LBC175 的 ＲX + 和 ＲX － 端口，端口之间加 100 欧匹配电阻，Ｒx + 端 加 1000 欧上拉电阻，Ｒx － 端加 10K 欧下拉电阻，经 过信号转换器变换成 3． 3V 电平输入到 FPGA。FPGA 输出信号到驱动器 SN65LBC174，产生 Tx + 和 Tx － 差分对信号，端口之间加 100 欧匹配电阻，Tx +
［4］ I． S． Gradshteyn and I． M． Ｒyzhik． Table of Integrals，Series and Products． New York： Academic，1980，p． 633，5． 41．
［5］ Alfredo Linz，Alan Hendrickson． Efficient Implementation of an I － Q GMSK Modulator． IEEE Transactions on circuits and system，1996，43
换时间不大于 0． 5ms； 二系统要小型化设计。基于 这两点要求，首先系统单机采用小型化设计，使用集 成度比较高的可编程逻辑器件，此外，95% 以上的元 器件都采用表贴封装，减小体积与重量。波位切换 时间指的是波控单机接收到上位机控制命令到波束 转换完成并提供给 T / Ｒ 组件之间的时间，响应时间 包括数据解析时间、查表时间及并串转换时间。
1） 解析时间是指将接收到的数据转换为方位 查表地址，该过程需要 2 ～ 5 个时钟周期，以 10M 时 钟为例，最大解析时间为 5 × 0． 1 us = 0． 5 us。
2） FPGA 内部读一次内部 ＲAM 需要的时钟周 期小于 5，以 10M 时钟为例，读 ＲAM 的时间为 5 × 0． 1 = 0． 5us。
3 仿真验证
3． 1 波控接口 波控接口芯片电路框图见图 5 所示：
图 5 波控接口控制电路
串行信号（ 含 32 位信息） 分别为 1#、2#、3#驱动 器件所需的控制信息。当串行时钟信号到来后，串 并转换开始工作，依次读取 32 位控制信息并完成串 并转换功能（ 一个时钟上升沿对应一个数据位） ； 当 end 信号的上升沿到来后，将已转换的 32 位并行控 制信息存入一级锁存器中。而二级锁存器仍维持其 原有数据，驱动输出信号不变； 当 SYN 信号的上升 沿到来时，将驱动器中的 32 位数据打入至二级锁存 器中相应的位置，并在 TＲW 方波信号的控制下驱 动输出相应的数据； 在下一个 SYN 信号的上升沿到 来之前，二级锁存器中的数据维持不变。驱动芯片 根据 TＲW 信号的高电平“1”选通 T 锁存器中的数 据输出，而根据 TＲW 信号的低电平”0”选通 Ｒ 锁存 器中的数据输出；
图 8 波控时序仿真图
综上所述，采用小型化、模块化查表设计方案的 波控系统，已在整机试飞中得到验证，证明方案切实 可行，并具有设计简单、实现速度快等特点。本方案 适用于 T / Ｒ 组件规模较 小 系 统，对 待 规 模 较 大 系 统，需要将控制单机模块化分类，进行分布式设计方 案，采用组块方法并行控制，实现快速大规模查表法 完成波控码值调度任务。
Ｒadar Beam Scanning Technique Based on Look － Up Table Method
Guo Lijun （ The No． 38 Ｒesearch Institute of CETC，Hefei 230088） Abstract： Beam steering control performance of phased array radar greatly impacts on radar function． Adopting look － up table method to accomplish phase distribution can be widely used in beam steering control of phased array radar，this method features high － speed，high phase shifting accuracy，good operate agility and easy to expand． Keywords： phased array radar； beam steering control； look － up table method； calculation method
火控雷达技术
Fire Control Ｒadar Technology
Vol． 44 No． 1（ Series 171） Mar． 2015
基于查表方式的雷达波束扫描技术
郭立俊
（ 中国电子科技集团公司第三十八研究所 合肥 230088）
1 系统分析
波束控制系统接收上位机的控制命令，解析后 根据算法实时计算或查表法得出波束指向控制码 值，实现对天线的 T / Ｒ 组件布相控制，完成对 T / Ｒ 组件、变频组件及阵面电源数据、状态采集并上报。 波控单机的原理框图如图 1 所示：
收稿日期： 2014-9-2 基金项目： 国家科技部世博行动计划资助项目，上海世博会重点项目（ O91901A01N） 作者简介： 郭立俊（ 1980 － ） ，男，高工。主要研究方向为雷达监控及浮空器测控。
参考文献：
［1］ 林桂道． 现代相控阵系统的波束控制设计分 析［J］． 船舶科学技术，2007，29（ 3） ： 74 － 78．
［2］ 郑清，张健． 相控阵雷达分布式波控系统设计 ［J］． 现代雷达，2001（ S1） ： 51 － 53．
［3］ 丁鹭飞． 雷达原理［M ］． 西安： 西北电讯工程 学院出版社，1983．
图 6 波控驱动芯片时序图
78
3． 2 时序仿真 波控单机时序模块见图 7 所示：
火控雷达技术
4 结束语
第 44 卷
图 7 波束控制时序模块
利用 Modelsim 工具验证波束控制时序功能，见 图 8 所示，时序结果与图 6 的驱动时序图一致，说明 可以通过控制驱动接口芯片完成相控阵雷达天线的 电扫功能。
【摘要】相控阵雷达波束控制系统的性能极大地影响雷达功能的发挥，采用查表法完成雷达天线波
束快速布相，具有速度快、移相精度高、控制灵活及便于扩展等特点，在相控阵雷达波束控制中应用
广泛。
关键词： 相控阵雷达； 波束控制； 查表法； 计算法
中图分类号： TN95
文献标志码： A
文章编号： 1008-8652（ 2015） 01-075-04
76
火控雷达技术
第Fra Baidu bibliotek44 卷
与外围的配置电路、接口芯片及电源系统完成整个 硬件组成。上位机与波控单机完成整机数据通信及 控制命令传输任务，当波控单机接收到波控码值后， 将数据按地址信息存储于 Flash 存储器，完成码表 的本地保存任务。当开始雷达扫描任务时，将上位 机发送的扫描角度、扫描模式、扫描步进信息进行解 析，换算出本地码表的地址信息，按照既定的时序完 成码值读取与解算。
0 引言
随着雷达、电子战、通信技术的发展，相控阵电 子信息系统 已 成 为 雷 达、电 子 战、通 信 等 发 展 的 主 流，在相控阵系统中波束控制技术作为关键技术之 一，直接影响着系统功能和效能的发挥［1］。天线波 束控制系统，不仅要为相控阵雷达天线扫描提供正 确的相位码，而且也要满足系统探测的要求，使波束 指向能够快速、灵活的转换，因此，相控阵雷达波束 控制系统设计的好坏，对整个雷达系统能否具备更 加强大的功能，能否更好地实现其性能指标，是至关 重要的，因此，波束控制系统的性能优劣将极大影响 了相控阵雷达系统性能的发挥［2 － 3］。
［4］ 张光义． 相控阵雷达系统［M］． 北京： 国防工 业出版社，1994．
［5］ 陈海荣． 基于双核 PowerPC 处理器的高性能 计算模块设计［J］． 计算机测量与控制，2011， （ 11） ： 233 － 236．
（ 上接第 64 页）
［3］ LINZ A． ，HENDＲICKSON A． Efficient implementation of an I － Q GMSK modulator ［J］． IEEE Transactions on circuits and systems， 1996，43（ 1） ： 14 － 23．
波控 单 机 码 值 存 储 包 括 FLASH 存 储 方 式 和 ＲAM 存储方式，上电时，波控数据表从上位机传输 到波控单机，并存储在 FLASH 中。波束指向方位为 + 45 度 ～ － 45 度，步进为 0． 5 度，共 180 个码值，移 相码为 32 位，共 48 个 TＲ 组件，因此需要的 FLASH 空间为： 32 ·180 ·48 = 276480bit，FLASH 采用 Atmel 公司生产的 AM29LV128MH93ＲEI，含 128Mbit， 能够满足波控码值的存储要求。在波控单机进行波 束控制时，FPGA 从 FLASH 中读取码值数据并暂存 在 FPGA 内部 ＲAM 中，并从 ＲAM 中调取码值信息 进行波束调度。 2． 3 异步串口设计
异步串口构建原理图见图 4 所示，所用差分接 口器件包括 SN65LBC175 和 SN65LBC174。
图 4 PowerPC 嵌入式系统 UAＲT 构建原理图
端加 1000 欧上拉电阻，Tx － 端加 10K 欧下拉电阻， 完成 UAＲT 电路的合理化设计。
波控单机异步串口 ＲS422 主要完成与上位机 通信的，通过接收上位机的码表信息及控制命令，完 成波控单机本地时序生成，根据时序读取内存波控 码值。
图 2 波束控制流程图
由图 1 可知，硬件主要由 FPGA 芯片构成，通过
图 3 PowerPC 嵌入式系统存储器构建原理图
第1 期
郭立俊： 基于查表方式的雷达波束扫描技术
77
电源有核电压输入 VCC 和 IO 电源输入 VCCQ， 供电电压 为 3． 3V； 设 备 地 址 FLASH _ A［23： 0］的 FLASH_A0 为字节选择地址信号，FLASH_A［23： 1］ 地 址 输 入 信 号，由 此 可 以 判 断 存 储 器 容 量 为 128Mbit，同时 FLASH_A23 经过电阻上拉到 3． 3V 电 源，所有地址信号管脚都连接到 FPGA，高字节数据 总线和低 字 节 数 据 总 线 综 合 起 来 形 成 FLASH _ D ［15： 0］连接到 FPGA，输出使能信号 OE#和写使能 信号 WE#分别连接到 FPGA，字节使能信号 BYTE#、 片选信号 CS#及复位信号 ＲST#经过上拉电阻到 3． 3V 电压，然后连到 FPGA。
图 1 波束控制原理框图
波束控制是波控单机最重要的功能，为实现波 束的无惯性扫描、天线的快速校正和配合天线的高 效测试，单元根据任务系统的指令控制完成 T / Ｒ 组 件的幅度、相位、工作状态控制； 幅相补偿值的计算 与存储等功能。控制流程见图 2 所示：
2 工程设计
2． 1 响应时间计算 根据机载雷达对波控系统的要求，一要波位切
波束控制系统是相控阵雷达的重要组成部分， 相控阵天线是以数字式移相器实现天线波束的高速
电控扫描，充分利用天线波束扫描快速、合理地分配 能量，无需天线的机械扫描也可以方便地实现波束 方向的改变［4］。
在进行波束扫描控制时，需要对偏移量进行实 时补偿，具 体 做 法 有 两 种 方 式，一 是 采 用 实 时 计 算 法，将补偿角度叠加到波控移相器； 另一种是将偏移 量形成表格文件，采用实时查表法，本文采用查找表 方式完成雷达波束控制。
3） 波控码值为 32 位，打码时钟频率为 1M，因此 串并转换时间为： 32 × 1us = 32us。
因此，理论时间 = 0． 5us + 0． 5us + 32us = 33us， 远小于响应时间 0． 5ms 的要求。 2． 2 波控码值存储
存储器 构 建 原 理 图 见 图 3 所 示； FLASH 采 用 Intel 公司 28F128J3 芯片［5］，存储空间 128Mbit。
驱动控 制 集 成 电 路 模 块 时 序 波 形 图 如 图 6 所示。
上位机发数据到驱动器 SN65LBC175 的 ＲX + 和 ＲX － 端口，端口之间加 100 欧匹配电阻，Ｒx + 端 加 1000 欧上拉电阻，Ｒx － 端加 10K 欧下拉电阻，经 过信号转换器变换成 3． 3V 电平输入到 FPGA。FPGA 输出信号到驱动器 SN65LBC174，产生 Tx + 和 Tx － 差分对信号，端口之间加 100 欧匹配电阻，Tx +
［4］ I． S． Gradshteyn and I． M． Ｒyzhik． Table of Integrals，Series and Products． New York： Academic，1980，p． 633，5． 41．
［5］ Alfredo Linz，Alan Hendrickson． Efficient Implementation of an I － Q GMSK Modulator． IEEE Transactions on circuits and system，1996，43
换时间不大于 0． 5ms； 二系统要小型化设计。基于 这两点要求，首先系统单机采用小型化设计，使用集 成度比较高的可编程逻辑器件，此外，95% 以上的元 器件都采用表贴封装，减小体积与重量。波位切换 时间指的是波控单机接收到上位机控制命令到波束 转换完成并提供给 T / Ｒ 组件之间的时间，响应时间 包括数据解析时间、查表时间及并串转换时间。
1） 解析时间是指将接收到的数据转换为方位 查表地址，该过程需要 2 ～ 5 个时钟周期，以 10M 时 钟为例，最大解析时间为 5 × 0． 1 us = 0． 5 us。
2） FPGA 内部读一次内部 ＲAM 需要的时钟周 期小于 5，以 10M 时钟为例，读 ＲAM 的时间为 5 × 0． 1 = 0． 5us。
3 仿真验证
3． 1 波控接口 波控接口芯片电路框图见图 5 所示：
图 5 波控接口控制电路
串行信号（ 含 32 位信息） 分别为 1#、2#、3#驱动 器件所需的控制信息。当串行时钟信号到来后，串 并转换开始工作，依次读取 32 位控制信息并完成串 并转换功能（ 一个时钟上升沿对应一个数据位） ； 当 end 信号的上升沿到来后，将已转换的 32 位并行控 制信息存入一级锁存器中。而二级锁存器仍维持其 原有数据，驱动输出信号不变； 当 SYN 信号的上升 沿到来时，将驱动器中的 32 位数据打入至二级锁存 器中相应的位置，并在 TＲW 方波信号的控制下驱 动输出相应的数据； 在下一个 SYN 信号的上升沿到 来之前，二级锁存器中的数据维持不变。驱动芯片 根据 TＲW 信号的高电平“1”选通 T 锁存器中的数 据输出，而根据 TＲW 信号的低电平”0”选通 Ｒ 锁存 器中的数据输出；
图 8 波控时序仿真图
综上所述，采用小型化、模块化查表设计方案的 波控系统，已在整机试飞中得到验证，证明方案切实 可行，并具有设计简单、实现速度快等特点。本方案 适用于 T / Ｒ 组件规模较 小 系 统，对 待 规 模 较 大 系 统，需要将控制单机模块化分类，进行分布式设计方 案，采用组块方法并行控制，实现快速大规模查表法 完成波控码值调度任务。
Ｒadar Beam Scanning Technique Based on Look － Up Table Method
Guo Lijun （ The No． 38 Ｒesearch Institute of CETC，Hefei 230088） Abstract： Beam steering control performance of phased array radar greatly impacts on radar function． Adopting look － up table method to accomplish phase distribution can be widely used in beam steering control of phased array radar，this method features high － speed，high phase shifting accuracy，good operate agility and easy to expand． Keywords： phased array radar； beam steering control； look － up table method； calculation method