引言

相控陣?yán)走_(dá)主要是采用相控陣天線的雷達(dá)，相控陣天線由多個(gè)天線單元組成，通過(guò)改變每一個(gè)天線單元通道傳輸信號(hào)的相位與幅度，改變相控陣列天線口徑照射函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)天線波束的快速掃描與形狀變化[1]。相控陣?yán)走_(dá)主要由相控陣天線陣列、饋電網(wǎng)絡(luò)、波束掃描控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“波控系統(tǒng)”）、發(fā)射/接收機(jī)和雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)等部分組成。其中，無(wú)源相控陣?yán)走_(dá)是將能量進(jìn)行集中發(fā)射和接收，通過(guò)功分網(wǎng)絡(luò)將能量分配到每一個(gè)天線單元，并通過(guò)波束控制系統(tǒng)和移相器等實(shí)現(xiàn)波束的快速掃描、波束指向和形狀變化。

平面相控陣天線波束和柵瓣產(chǎn)生條件與天線單元的排布方式有關(guān)，其排列方式主要有兩種：矩形排列與三角形排列[1]。相對(duì)矩形排列，三角形排列的優(yōu)勢(shì)是更高的陣元密度與空間利用率，可在相同面積內(nèi)容納更多陣元，提高陣列孔徑效率，抑制柵瓣效果明顯，三角排布還可以提供更加均勻的波束寬度和旁瓣分布，抗干擾能力強(qiáng)。但是三角排布的缺點(diǎn)也較為明顯，首先，三角排布這類(lèi)非矩形排布需要精確控制陣元位置，這增加了設(shè)計(jì)和制造的復(fù)雜度，加工難度的增加還可能引入額外損耗。其次，這種排布也增加了信號(hào)處理算法的復(fù)雜度，由于傳統(tǒng)的FFT波速形成算法依賴(lài)于矩形排布的假設(shè)，三角排布依賴(lài)于非均勻FFT或者迭代優(yōu)化方法，使信號(hào)處理的計(jì)算量大大增加；另外，由于相鄰陣元間距在不同方向上不一致，由此可能帶來(lái)互耦特性的復(fù)雜化。因此，在相控陣天線整體設(shè)計(jì)時(shí)，需要權(quán)衡性能、成本和復(fù)雜度等約束條件來(lái)選擇陣元排布方式：矩形排布更加適合線性掃描或資源受限的系統(tǒng)；三角排布更適合對(duì)柵瓣抑制、寬角掃描、高增益等要求嚴(yán)格的場(chǎng)景，但需接受設(shè)計(jì)復(fù)雜度和計(jì)算成本的增加。

天線波束掃描控制作為相控陣天線的核心功能，與天線陣元的排布方式等有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)。天線波束掃描控制主要通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整陣列單元的相位和幅度，實(shí)現(xiàn)天線波束的快速掃描、多目標(biāo)跟蹤以及抗干擾功能。在波束控制系統(tǒng)的構(gòu)建形式上，從單片機(jī)、FPGA、DSP運(yùn)算單元到“FPGA+ARM”“FPGA+DSP”“FPGA+嵌入式內(nèi)核”等再到基于ASIC、SoC的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)，每種構(gòu)建形式的實(shí)現(xiàn)過(guò)程差異較大[2]。2021年，高嵩等[3]以8×8矩形相控陣天線為控制對(duì)象，給出了該排布下波控算法的數(shù)學(xué)模型并針對(duì)該模型提出了一種優(yōu)化時(shí)延性能的方法；2022年，張業(yè)斌等[4]提出了一種對(duì)均勻分布的二維平面相控陣在應(yīng)對(duì)多任務(wù)多場(chǎng)景時(shí)采用的陣列波控碼切割和陣列單元分別布控的算法，通過(guò)FPGA并行控制的特點(diǎn)對(duì)子陣列進(jìn)行切換控制；虞伶俐等[5]針對(duì)波束控制碼計(jì)算問(wèn)題上，提出一種單波束內(nèi)基于截?cái)鄽w一化的流水線計(jì)算、多波束并行計(jì)算的方法，通過(guò)FPGA內(nèi)部“面積換速度”的方式，不僅提高了運(yùn)算速度同時(shí)提高了天線單元的整體集成度；其中對(duì)波控碼和控制字的配相值的計(jì)算包含有較復(fù)雜的算法。

從實(shí)時(shí)性以及算法復(fù)雜度上考慮，為了優(yōu)化計(jì)算復(fù)雜度和量化誤差，波束掃描控制算法在FPGA/DSP資源的適配性上也代表了天線系統(tǒng)的不同實(shí)現(xiàn)架構(gòu)。常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)包括硬件方式，即利用查找表預(yù)存常用角度的相位補(bǔ)償表等，或者采用CORDEIC算法構(gòu)建集中式運(yùn)算方法；以及采用軟件方式，即通過(guò)嵌入式處理器通過(guò)軟件方式計(jì)算波控碼，或者采用更加復(fù)雜的分布式計(jì)算方法等[6]。文獻(xiàn)[7-8]給出了基于查找表方式并利用FPGA芯片內(nèi)部豐富的存儲(chǔ)器資源、乘法器和加法器資源實(shí)現(xiàn)了二維相控陣天線的配相算法。

本文主要探討平面相控陣?yán)走_(dá)天線波束控制算法的原理和相位補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵數(shù)學(xué)模型，以及給出在滿(mǎn)足符合ARINC-781指標(biāo)性能的前提下，L頻段2×6型三角柵格排布海事衛(wèi)通天線波束控制系統(tǒng)的研制方法，涉及天線陣列與饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)部分只給出結(jié)論不做深入分析。

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作者信息：

徐波，石中立

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036）