光控相控阵雷达波束控制系统的设计

　　为了 提 高 抗干扰能力和分辨率、识别能力及解决多目标成像问题，要求相控阵雷达必须具有尽可能大的瞬时带宽；为了解决因孔径效应而引起的对信号瞬时带宽的限制问题，传统上用微波延迟线进行延时补偿，但是微波延迟线对信号衰减大，抗干扰能力差，体积大，存在诸多问题，因此近年来提出了光控相控阵的概念，即在子阵级别上引人光纤实时延迟线OTTD（吻tical True Time Delay）代替传统的微波延迟线，解决了以上问题。在相 控 阵 雷达中，波束控制系统具有极其重要的作用。它根据雷达主计算机提供的搜索空域数据，算出各天线单元移相器所需的波束控制相位码，使天线波束指向预定空域。但是，与传统相控阵雷达不同，光控相控阵雷达的天线波束指向由OTTD和移相器的状态共同控制，即波控系统不仅要给移相器提供相位码，而且还要给OTT[）提供搜索指定空域所需的波控相位码。课题组设计的OTTD以一种新型磁光开关为基本单元，根据波控相位码选择磁光开关的输出通路，使OTTD切换到扫描当前空域所需的状态，这种磁光开关在控制方法上与传统的移相器有所不同，采用TrL电平的波控信号无法对其直接控制，因此有必要为其设计专门的驱动电路。提出了基于光控相控阵的波控系统设计方法，波控系统的响应速度直接决定着相控阵雷达的性能，因此为了提高波束扫描的速度，在设计中采用了分布式波控方案，并针对OTTD设计了专门的驱动电路。

　　2 理论分析

　　为简 便 起 见，以一个线型光控相控阵天线阵面为例进行理论分析，如图1所示。其阵元间距为d=半波长，8个天线单元为一个子阵，每个子阵由一个OTTD进行延时补偿。

　　由相控阵天线理论可知，在图1中，由于移相器提供的相移值一般是不随频率变化的，当向B角方向进行扫描时，若信号频率由fo变为。后，波束指向将会偏移一个角度（单位为弧度）：

　　以上 现 象 称为相控阵天线的孔径效应，它限制了信号的瞬时带宽。为减少孔径效应和渡越时间对信号瞬时带宽的限制，可把天线阵面划分为等间距的m个子阵，每个子阵包含8个天线单元，由一个光纤实时延迟线OT-ID（饰ticalT rueT imeD elay）进行时延补偿，为使OTTD产生的时延对应的相移量正好为二的整数倍，OTTD应做成与数字移相器类似的形式，按二进制波控码改变光纤长度，其单位光纤长度应为阵元间距d，一个K位的OTTD共有2K种状态，其最大光纤长度L=（2K一1）·d，一般使L等于阵面孔径。当对B方向进行扫描时，波控系统给每个子阵的OTTD送波控码使第M个子阵对应的OTTD的光纤长度比第（M一1）个OTTD长8d·sinθ，其对应的时延为8d·sinθ/c，这样各子阵间将不存在波程差，虽然同子阵内的8个单元仍然存在波程差，但子阵的孔径为整个阵面的1/M，相应的，子阵内的渡越时间也将减少为无延时补偿时的1/m，则波束指向偏移将减小为：

　　在光 控 相 控阵雷达中，天线单元的波束指向由OTTD和其对应的移相器状态共同决定，当采用KOTTD和数字移相器时，为向B方向扫描，第n个OTTD所需的波控码为

      其中8dsinθ为移相（波控）基码；该子阵内第i个天线单元对应的移相器所需波控码为

      其中为移相基码，为补偿数据，包括初相补偿，温度补偿，随机补偿等，由天线实测数据决定。

　　3 光控相控阵雷达波控系统方案实现

　　3.1 分布式波控系统

　　光控相控阵雷达的波控系统的功能主要是根据雷达主计算机提供的搜索空域数据，算出各单元移相器和OTTD所需的相位码，使雷达波束指向预定空域。

　　由于波控计算和响应时间要占用雷达信号重复周期，同时为了提高扫描速度，因此波控运算时间应尽可能的小，传统集中式波控方案由波控计算机对阵面各点的相位逐一运算，算完后将数据分路送到阵面各点，运算速度慢，为了提高扫描速度，采用了分布式波控方案，其原理框图如图2所示。

　　由于雷达主计算机的负担很重，只有很少的部分资源可用于波控系统，它只负责给波控主计算机发出波束指向信息：扫描方位0和信号频率；波控主计算机一般由单片机担任，它接收到雷达主机发来的指向信息后，算出波控基码，并送到各波控子机中，每个波控子机控制天线阵面上一个子阵内的OTTD和8个移相器，在波控子机的存储器中存储着该子阵内各天线单元的补偿数据，当波控子机接收到波控基码后，按公式（3）和（4）计算出该子阵内各单元移相器和OTTI）所需的相位码，算完后将数据分路送到子阵中的各点，完成波束扫描控制。与集中式波控系统相比，每个波控子机负责一个子阵内各单元移相量的计算，计算量减少了，n倍，而且主机送给波控子机的相位基码和控制信号为同一组信号，因此简化了阵面走线减少了设备量，兼顾了速度和成本，为目前常用的波控方案。

　　为了 提 高 运算速度，波控子机最好采用硬件运算方式，由逻辑电路实现乘法器和加法器，目前，随着复杂可编程逻辑器件CPLD的高速发展，有效门数能够满足子阵级控制，同时满足I/O口和存储容量要求的CPLD已经出现，而且性价比很高，因此在分布式波控系统设计中以单片机作为波控主机，以CPLD为波控子机，把单片机高性价比、功能灵活、强大的运算能力的优点与CPLI〕的高速、高可靠性、丰富的I/O资源、体积小的优点相结合，大大提高了系统的运算速度，并减少了体积，具有良好的应用前景。

　　3.2 OTD的驱动电路

　　根据波控系统发来的二进制波控代码，OTTD应切换到相应的状态，选择对应的光纤长度，完成本子阵的延时补偿。机械光学装置很难在切换速度和使用寿命上满足要求，为此，本课题组选用一种新型的高速磁光开关作为构造OTTD的基本单元，波控系统通过发送相位码控制光开关选定合适长度的光纤，数个光开关选择的光纤长度组合成OTTD在当前扫描角度下所需的延时长度，以完成延时补偿；但是，波控系统发送的相位码为TTL电平，磁光开关无法由相位码直接驱动，因此必须设计专门的接口驱动电路。

　　首先 ， 如 图3所示，磁光开关是通过加在控制端的正负电平而不是常用的TTL电平来选择信号输出通路的，而且控制电流较大，达到数百毫安，因此必须有把二进制波控码转换为正负电平的电路和电流放大电路；因为每个OTTD由多个光开关组成，所需的转换电路很多，因此设计的电路应尽可能的简单，以节约成本和体积，在实际设计中采用电压比较器和OTL功放电路解决了这一问题。

　　其次 ， 光 开关带有闭锁装置，只要控制电平的脉宽达到要求，通路选择完成后状态就会保持直到下一个控制电平到来，而且在试验中发现，如果控制电压长时间加在控制端，会使光开关温度升高而造成性能下降，再加上光开关的能耗很大，因此有必要在光路切换完成后切断其控制电压，如果用单片机等微处理器进行控制，将会增加系统的成本，而且软件控制方式较慢，可靠性较低，因此在实际设计中，用单稳态电路巧妙的解决了问题。

　　在每个波控周期开始时，由波控系统发出一个波控码打出脉冲，其上升沿触发单稳态电路，使其输出一个宽度等于光开关控制电压的脉宽的控制信号送到阀门芯片的使能端G，在阀门芯片使能期间，波控代码（了I'L电平）经电压比较器后变成正、负电平，再经三极管进行电流放大后加到光开关的控制端，使其切换到相应的状态，切换完成后，阀门芯片使能端为低电平，其输出为高阻状态，切断控制电压，由于光开关带有闭锁功能，因此在整个波控周期内都会保持相应的状态，直到下一个波控周期开始，其工作时序如图5所示。经实践证明，该驱动电路简单可靠，能使波控系统迅速准确的控制OTTD切换到所需的状态，而且控制过程由硬件完成，响应速度极快，不易出错，所用器件都是常用的器件，性价比很高，具有较强的实用性。

　　3.3 电磁兼容性

　　相控阵雷达阵面集中了大量的数字、微波电路，而且为了防止雷达信号发射期间的对波控信号的干扰，因此波控系统的所有电路都要采取有效的电磁屏蔽措施，系统需可靠接地，数据和控制信号均应采取差分方式传送。

　　4 结语