1、第 卷 第 期（总第 期）年 月火控雷达技术 .（）.收稿日期：作者简介：宋云霞（），女，硕士研究生。研究方向为电子工程和天线波控系统。基于 总线技术的相控阵天线测试系统设计宋云霞，刘永涛，黄田韵，（.中国电子科技集团公司第 研究所 合肥；.孔径阵列与空间探测安徽省重点实验室 合肥）摘 要：随着技术的发展和系统功能的增加，相控阵天线的规模越来越大，其工作模式也越来越复杂。为了在项目研发前期实现相控阵天线的全面性能测试，设计一种适应大规模阵面、多模式控制的相控阵天线测试系统显得尤为重要。本文主要论述了基于 总线技术的相控阵天线测试系统的设计，以波控计算机和波束控制板为核心，与暗室测试设备同步交互
2、，实现对相控阵天线多模式的测试控制和相控阵天线波束状态的实时监测。关键词：相控阵天线；总线；测试系统中图分类号：.；.文献标志码：文章编号：（）引用格式：宋云霞，刘永涛，黄田韵.基于 总线技术的相控阵天线测试系统设计.火控雷达技术，（）：.：.，（.，；.，）：，.，.，.，.：；引言随着电子技术的发展和整机功能的需求增加，相控阵天线的规模越来越大、工作模式越来越复杂。在所有整机产品的研发过程中，为了能够对大规模、多模式控制的相控阵天线系统的设计性能进行全面测试，需要设计一种通用可扩展的相控阵天线测试系统，能够对相控阵天线阵面的功能指标和相位一致性等进行检测，故基于 总线技术的相控阵天线测试系
3、统便应运而生。该测试系统以 机箱为测试设备组成的载体，通过 总线实现板间信息高速交互，由波控计算机产生原始控制参数和全阵控制码值，波束控制板接收波控计算机的控制信息，产生控制时序和相应天线子阵单元的控制码，整个测试系统与暗室测试设备进行同步交互完火 控 雷 达 技 术第 卷成闭环测试，从而实现对相控阵天线如内定标、单个收发组件定标态、多个波位等工作模式的全面性能测试。本文详细描述了相控阵天线测试系统的软硬件设计实现，并说明工程设计的实际应用验证情况。测试系统的原理说明与组成设计相控阵天线是相控阵雷达的核心组成部分，通过控制相控阵天线波束的指向变化来进行电子扫描。大量的辐射器（小天线）组成天线子
4、阵单元，每个辐射器都有一个可控移相器，每个移相器都由控制码值来控制，通过控制码值改变天线孔径上的相位分布来实现波束在空间的扫描，从而完成相控阵天线的工作。根据天线原理可知，为了在（，）方向上获得波束能量的最大值，应有（）（）其中 为雷达射频信号的波长；、为阵列天线方位向和俯仰向的单元间距；（，）为天线波束指向方位角、俯仰角。系统工作时只要按照式（）和式（）的要求控制各个收发组件移相器的移相读数来改变“阵内相位差”和，即可实现相控阵天线波束的两维电控扫描。根据两维矩形栅格相控阵天线原理，可使公式（）、公式（）线性简化为（，）（，）（，）（，）（）式（）中，和 分别为该天线单元的行、列序数；（，）
5、为修正值；为初始相位值。从公式（）可以看出，对于每一行（列）的收发组件而言，除去移相基准值后，对应任何一个波位的波控数据都是呈简单的线性递增关系。根据上述相控阵天线波束指向的原理说明，大规模相控阵天线测试系统的设计与硬件组成如图 所示，系统的硬件设备由 测试机箱、波控计算机和多个波束控制板等组成，与波控计算机和多个波束控制板内运行的测试软件构成整个相控阵天线测试系统。暗室测试设备通过网线与波控计算机通信，确定测试时机，并通过暗室探头接收相控阵天线形成的波束信号进行解析处理；波控计算机接收暗室测试设备下发的工作指令开展测试工作，产生天线测试的控制参数和全阵控制码值，并通过 总线传输给波束控制板；
6、波束控制板完成 总线传输的数据协议解析，产生控制码和控制时序，接收暗室发送的控制码刷新和时序同步等信号，完成与暗室交互控制的功能。总线具有高速并行和一主多从等优点，使用 总线设计技术可使波束控制板具备互换性；波束控制板的数量越多则天线阵面测试单元数量越多，能够测试的相控阵天线的规模就越大；根据所选 机箱的插槽数，可确定所承载的波束控制板的最大数量，也可以使用多个 机箱及其设备实现测试系统的级联扩展。图 相控阵天线测试系统的原理设计与硬件组成 测试系统的各组成部分设计.波控计算机的主要功能设计波控计算机的硬件设计是选用 位总线的通用 计算机板卡即可，其操作系统环境为 ，软件开发环境为.，在波控计
7、算机上主要进行相控阵天线测试软件的设计开发，实现天线时序 使能和工作模式等控制参数，以及天线幅度和相位等控制码的计算产生，再通过 总线发送给波束控制板。波控计算机的软件设计流程如图 所示。图 波控计算机软件设计流程波控计算机软件模块的主要功能设计如表 所示。第 期宋云霞等：基于 总线技术的相控阵天线测试系统设计表 波控计算机软件设计实现的主要功能序号模块名称具体功能握手指令交互通过网线接收暗室测试设备发送的控制指令，确定测试时机交互界面根据需求输入参数指令（重频、时钟频率等）、选择全阵控制码值等控制参数产生根据交互界面输入的参数指令生成控制参数控制参数下发完成控制参数的下发操作子阵控制码值迭代
8、选择根据波束控制板发送的计数指令，来进行控制码值的选择控制码值存储文件调用根据子阵控制码值迭代选择模块的结果，调用控制码值存储文件中相应的码值文件子阵控制码值根据选择的码值文件，生成全阵控制码值子阵控制码值下发完成控制码值的下发操作 总线交互控制调用 接口交互函数，完成控制参数和全阵控制码值的下发.波束控制板的设计实现.波束控制板的硬件设计波束控制板的硬件设计如图 所示，以 系列 为核心控制芯片，外围包括 总线 桥 片、配 置 芯 片、型 存储配置芯片、调试口、芯片、接口驱动器、驱动器、接收器、长线驱动器、电源模块和 连接器等器件组成。其设计原理是 总线桥片 解析 总线协议，接收波控计算机发送
9、的控制参数和控制码值等写入 芯片，并读取 芯片内容发送至波控计算机的功能；配置芯片完成了 桥片的上电配置，完成 总线设备信息及存储信息区间划分等配置；晶振芯片 为 提供 时钟，在 内部进行分频或倍频给 电路提供所需时钟；芯片 用来存储 的配置信息和应用程序，在波束控制板上电后，主动读取 信息调用配置信息并启动应用程序；片 电源芯片采用并联工作模式，提供 电源转.和.电源供 芯片和波束控制板上相关芯片使用，.提供.转.电源供 芯片使用；片 存储器 并联使用，其为 提供 的 位存储空间，存储相控阵天线波控码，解决了 内部存储空间不足的问题；长线驱动器 输出 同步信号与暗室测试设备进行交互，其它各接
10、口驱动器完成子阵面工作信号的接收驱动和转换等功能；连接器装配在波束控制板上，通过 机箱背板，完成与波控计算机的信息交互。图 波束控制板的硬件设计火 控 雷 达 技 术第 卷.波束控制板的软件设计相控阵天线测试系统实现相控阵天线的内定标、单个收发组件定标态和多个波位等工作模式测试，其中内定标对相控阵天线中组件的全状态进行测试，单个收发组件定标态对单个组件进行基态测试，多个波位对相控阵天线进行方向图测试，具体实现是由波控计算机下发不同的控制码来控制组件状态，配合暗室测试设备的同步信号，由暗室探头采样完成闭环测试。波束控制板的 软件功能设计流程与软件功能模块组成如图 所示。在硬件实现的基础上，根据测
11、试需求进行软件开发，实现相控阵天线的测试。软件开发在.工具上进行，内部划分为 大功能模块包括波控计算机与 地址交互、时钟产生、读写、遥测、存储器读写、控制码及遥测请求产生和控制时序产生等模块，具体 内部模块功能实现如表 所示。图 软件功能设计流程与软件功能模块组成表 内部模块功能实现序号模块名称具体功能 总线交互对波控计算机与波束控制板交互的参数、地址进行传输与控制时钟产生晶振时钟进行倍频、分频产生不同时钟给各个功能模块 读写针对 桥片产生读写时序，将波控计算机的控制参数和控制码写入 存储器读写异步读写 芯片，对存储在 的控制码进行应用存取子阵单元控制码产生对控制码值处理，按子阵单元控制码格式
12、分发控制码至对应的子阵单元控制时序产生接收控制参数，根据暗室的同步信号，形成控制时序发至相控阵天线 测试系统的应用验证在实际应用验证中，某相控阵天线全阵面共有 多个收发组件组成 个子阵单元，使用了本文所述测试系统进行性能指标测试，测试系统使用 个波控计算机板、个波束控制板，测试了内定标、单个收发组件定标态、多个波位三种工作模式，设置了重频周期 、系统时钟频率，多种极化交叉时序等参数，完成了驻波小于.、辐 射 效 率 大 于、远 场 交 叉 极 化 小 于、接收增益大于、单通道发射输出功率大于 等天线性能指标的测试，全面验证了测试系统的设计功能，达到了相控阵天线性能测试的目的。在设计验证中，同步
13、握手设计非常重要。在首次对单个收发组件定标态测试时，出现暗室探头与测试组件的位置偏差，经过查验发现是控制码的下发和暗室测试设备的同步信号处理不匹配的问题，导致暗室探头的采样位置和控制通道位置不匹配，解决方法是波束控制板对接收的暗室同步信号进行计数，同时波控计算机从波束控制板回读计数，再根据回读的计数下发对应的控制码值，进而形成控制码值和同步信号以及暗室采样探头的同步，解决了测试组件位置偏差的问题。结束语本文以实际工程应用案例为依托，针对基于 总线技术的相控阵天线测试系统进行了设计说明，介绍了相控阵天线测试系统的组成，说明了波控计算机软件的工作流程，详细描述了以 为核心的波束控制板的硬件设计以及
14、 软件模块（下转第 页）火 控 雷 达 技 术第 卷 天线在.时，主极化增益.，交叉极化 .；天线在.时，主极化增益.，交叉极化 .；天线在.时，主极化增益.，交叉极化 .；工作频带（.）内主极化增益.，交叉极化在 以下；主瓣方向上的主极化电平与交叉极化电平相差，天线具有良好的极化纯度。图 阵列天线方向图实测结果 结束语本文首先设计了一款采用微带线直接馈电在辐射贴片上的微带天线单元，讨论了辐射贴片尺寸、馈线宽度以及辐射贴片与寄生贴片之间距离对单元性能的影响，最终优化完成了双极化天线单元的设计，以此单元为阵元，加入馈电网络的设计，得到阵列天线。测试结果表明，天线的阻抗带宽达到.，带内平均增益为.
15、；此外，该天线结构简洁、复杂度低、加工成本底，拆装灵活便捷、容易安装，可用于高增益、点对点的应用。参考文献：卢彪，周玮 基于点对点通讯的微波天线测试系统应用研究 阴山学刊，（）：彭景乐 移动通信发展趋势与相关关键技术的探讨 中国新通信，（）：尤肖虎 对 移动通信发展的思考 中兴通讯技术，（）：谢明聪 应用于 通信的柱面共形阵列天线研究 桂林：桂林电子科技大学，.朱守正，安同一，译 天线理论与设计（第 版）北京：人民邮电出版社，秦顺友，杨可忠 不同极化天线增益测量技术 电子测量与仪器学报，（）：（上接第 页）的设计流程与功能实现，并阐述了工程设计过程中的问题解决方法。通过工程设计和应用验证，该测试系统的设计具有一定的实际应用价值，可以对大规模、多模式控制的相控阵天线进行性能测试。参考文献：韩传钊，文江平 合成孔径雷达系统与信号处理 北京：电子工业出版社，张光义 相控阵雷达原理 北京：国防工业出版社，左群声，徐国良 雷达系统导论 北京：电子工业出版社，丁鹭飞，耿富录 雷达原理 西安：西安电子科技大学出版社，嵌入式总线产品 北京：大地信合，何宾 权威设计指南 北京：电子工业出版社，
