相控阵天线通信的组件控制系统及方法与流程

本发明涉及相控阵天线数传通信
技术领域：
，具体地，涉及一种相控阵天线通信的组件控制系统及方法。
背景技术：
：随着通信技术与需求的不断发展，对通信系统的数据速率、eirp、时间资源分配等性能的要求也越来越高，在数传通信场景中应用相控阵天线成为了一个潜在的发展方向。相控阵天线系统广泛应用于雷达、导航以及电子对抗等工程
技术领域：
。相控阵天线系统的基本原理是对相控阵天线阵列的各个阵元上发射和接收信号的幅度和相位进行控制，使得在空间合成的波束指向特定的方向，或者在某些特定的方向形成零陷。具有波束指向灵活、方向图可综合性等优点。相控阵天线过去主要广泛应用于雷达领域，在通信领域的应用相对少一些。现有比较成熟的大规模应用主要集中在欧美国家的星载通信载荷等领域，包括美国宽带全球通信卫星系统wgs上的x波段有源相控阵、欧洲数据中继卫星drs上的s波段有源相控阵等。但是，相控阵天线体制对通信质量的影响大、大量tr通道功率合成导致传输信号畸变，可能在移相器切换瞬间产生通信中断的现象。技术实现要素：针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种相控阵天线通信的组件控制系统及方法，解决因tr组件切换移相码而导致的通信中断的问题，以实现对波速的精准控制，保证高速率数据传输的严格连续性。第一方面，本发明提供一种相控阵天线通信的组件控制系统，包括：波控机、激励器板主控芯片、数据接收芯片、数据发送芯片、射频馈电网络、电源模块，以及至少两个tr组件；其中：所述波控机与所述数据接收芯片、数据发送芯片通信连接，用于将波控数据发送给所述激励器板主控芯片，并接收所述激励器板主控芯片采集的所述tr组件的工作状态信息；所述激励器板主控芯片与所述tr组件通信连接，用于对所述波控数据进行分析和处理，生成所述tr组件对应的控制信号，并将所述控制信号发送给对应的tr组件；所述tr组件通过smp电缆头连接所述射频馈电网络，用于根据所述激励器板主控芯片的控制信号，对所述射频馈电网络传入的射频信号进行控制，执行波速扫描；所述电源模块，用于为所述波控机、激励器板主控芯片、数据接收芯片、数据发送芯片、射频馈电网络提供电能。可选地，所述波控数据包括：组件片选信号、移相码数据、锁存信号、串行输入时钟信号。可选地，所述波控机，还用于：根据上位机注入的扫描角度值，生成组件片选信号、移相码数据、锁存信号；并将所述组件片选信号、移相码数据、锁存信号发送给所述激励器板主控芯片。可选地，所述激励器板主控芯片，具体用于：接收所述波控机发送的组件片选信号、移相码数据、锁存信号；按照所述组件片选信号的时序，将所述移相码数据发送到所述组件片选信号对应的tr组件；按照所述锁存信号的时序，生成对应的tr组件的移相码数据的切换控制信号。第二方面，本发明提供一种相控阵天线通信的组件控制方法，应用于第一方面中任一项所述的相控阵天线通信的组件控制系统；所述方法包括：波控机接收上位机注入的扫描角度值，生成波控数据，并将所述波控数据发送给所述激励器板主控芯片；所述激励器板主控芯片对所述波控数据进行分析和处理，生成所述tr组件对应的控制信号，并将所述控制信号发送给对应的tr组件；所述tr组件根据所述控制信号，对所述射频馈电网络传入的射频信号进行控制，执行波速扫描。可选地，所述波控数据包括：组件片选信号、移相码数据、锁存信号、串行输入时钟信号。可选地，所述激励器板主控芯片对所述波控数据进行分析和处理，生成所述tr组件对应的控制信号，包括：接收所述波控机发送的波控数据，并提取出组件片选信号、移相码数据、锁存信号；按照所述组件片选信号的时序，将所述移相码数据发送到所述组件片选信号对应的tr组件；按照所述锁存信号的时序，生成对应的tr组件的移相码数据的切换控制信号。可选地，还包括：激励器板主控芯片采集的tr组件的工作状态信息；激励器板主控芯片将所述工作状态信息，发送给波控机。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明改变了一般相控阵波束切换时，使用的一个同步信号控制所有tr组件锁存数据同时注入移相器的方式，而是采取了对相控阵天线中不同tr组件中的锁存数据进行顺序控制的策略，解决了因tr组件切换移相码而导致的通信中断的问题，从而实现了对波速的精准控制，保证了高速率数据传输的严格连续性。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1是本发明提供的相控阵天线通信的组件控制方法的控制时序示意图；图2是本发明提供的相控阵天线通信的组件控制系统的结构示意图；图3是本发明提供的相控阵天线通信的组件控制方法的效果示意图。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。为了避免tr组件切换移相码时导致的通信中断，实现高速率数据传输的严格连续性，本发明提供了一种相控阵天线通信的组件控制系统及方法，改变了一般相控阵波束切换时常用的一个同步信号控制所有tr组件锁存数据同时注入移相器的方式，而是采取了对相控阵天线中不同tr组件中的锁存数据进行顺序控制的策略。在相控天线通信中，如果码元间距较短，与相控阵组件移相码切换时间可比拟时，采用传统波束切换方式的相控阵天线都会在组件移相码切换的纳秒级瞬间关断所有组件的功率，从而导致误码产生。因此，本发明提供的系统和方法，可以避免这一功率中断，完成高速大容量数据的零误码传输，在相控阵高速通信场景中具有非常大的价值。图1是本发明提供的相控阵天线通信的组件控制方法的控制时序示意图，如图1所示，通过基于fpga或者dsp芯片的波控激励器板对组件进行控制。clk为时钟频率，组件片选信号sel决定ldata(波控数据)中传输的移相码数据送往哪些tr通道，按照时序进行分配，在ldata中的移相码数据送至指定tr通道的寄存器后，load(锁存信号)中给出一个脉冲，将寄存器中数据打给移相器，完成新旧移相码切换，也就是这个瞬间发生纳秒级功率关断。在这个瞬间只有指定tr通道的功率关断，其他tr通道正常工作，能够保证通信正常进行。完成一次波束指向改变，需要依次切换tr通道的移相码。图2是本发明提供的相控阵天线通信的组件控制系统的结构示意图，如图2所示，该系统主要包括，波控机1、激励器板主控芯片2、数据接收芯片3、数据发送芯片4、射频馈电网络5、tr组件6、电源模块7。该系统的波控机1根据上位机注入的扫描角度值生成地址、移相码等信息。激励器板主控芯片2通过数据接收芯片3接收波控机1发送的地址及移相码数据，转化格式后根据之前时序转发至相应的tr组件6。同时，也将电源模块7提供的相应直流电压转给tr组件6。另一方面，激励器板主控芯片2也通过数据发送芯片4将组件的工作状态信息上传至波控机1。tr组件6一方面接收激励器主控芯片2的控制信号及供电，另一方面接收射频馈电网络5传入的射频信号，根据控制信号中的地址、移相码等信息对射频信号进行控制，完成波束扫描功能。激励器主控芯片2可以为fpga芯片，也可以为dsp芯片。在本实施实例中，采用dsp芯片，具体芯片的选取需根据接口电平及所需管脚数目而定。接收从波控机1送来的波控数据，转换成相应格式，包括片选信号和移相码数据，发送给对应的tr组件6，实现tr组件6发射通道开关控制及射频信号移相控制；接收从波控机1送来的锁存信号，按照前述方法，控制组件移相码的切换；接收电源模块7的各种直流电压，转发给相应器件，实现供电控制；激励器主控芯片2还负责采集t组件6的bit信息，组帧后上传波控机1，以监测tr组件工作状态。激励器主控芯片2通过数据接收芯片3接收波控机1的控制数据，通过数据发送芯片4将组件信息上传波控机8。所有与波控机1连接的主要信号有：发射片选信号、串行输入时钟、串行输入数据、锁存信号、数据返回信号。为提高数据传输的可靠性，数据接收芯片3、数据发送芯片4可以选用具有差分功能的芯片，例如rs422接口、lvds信号。tr组件6通过smp电缆头连接射频馈电网络5，通过矩形连接头连接激励器主控芯片2，主要信号接口有射频信号、射频地、电源、地、数据信号、时钟信号、锁存信号、片选信号。本实施例中，对本方法与通信场景、相控阵天线进行一体化设计，对前述切换过程中的天线方向图变化进行了评估。在本应用实例中，采用36天线单元完成波束扫描，以2秒为一个波束指向周期，波位周期前后的最大扫描角度差为1度。图3是本发明提供的相控阵天线通信的组件控制方法的效果示意图，如图3所示，在最差情况下，也就是一半的天线单元指向前一波位的方位角7.6度，一半的天线单元指向后一波位的方位角8.6度时。可以看到由于波束变化不大，在指向方向变化及其细微，不影响通信照常进行。在这一场景中，2秒时间最多变化1度的扫描速度较慢，可以轻松使用本方法。在扫描速度较快的场景中，可以对方法进行一体化设计，对相控阵天线扫描方法进行调整，比如将一个长周期分割为几个短周期，使得每个短周期的扫描角度变化不大，只要保证短周期大于通道切换时间与通道数量的乘积即可。本实施例中，发射组件的低频信号接口如表1所示，包括数字信号与电源。发射组件为四联装组件，一个组件包括四个发射通道，用sel1和sel2两个片选信号进行组合，可以独立选择四个通道进行控制。clk为时钟信号，时钟频率10mhz。ldata为数据口，负责串行移相码数据的传递，数据通过ldata进入移相器的锁存。load为锁存触发口，脉冲信号根据时序通过load口进入组件，触发锁存，将锁存中存储的移相码数据发给移相器，完成移相控制功能。四路发射检波负责将四个发射通道的工作状态传递给上位机，通过四路独立的耦合器和检波器完成。表1.发射组件的低频信号接口序号定义备注序号定义备注1时钟clockttl12数据datattl2锁存loadttl13发射tttl3路选sel1ttl14路选sel2ttl4ch1发射检波ttl15ch2发射检波ttl5ch3发射检波ttl16ch4发射检波ttl6gnd17gnd7gnd18gnd8-5v19-5v9+5v20+5v10+7v21+7v11+7v在相控阵天线设计阶段就充分考虑相控阵规模、链路增益余量、通信应用场景、时间资源等等，综合权衡后制定具体切换策略。比如，如果每个load脉冲周期切换的组件数量太多，则会导致切换瞬时eirp下降太多，影响质量传输质量，如果每个load脉冲周期切换的组件过少，则完成一次波束指向改变的时间太长，可能无法满足一些通信场景的要求。而在通信应用场景方面，需要对波束指向变化的状态做出评估。按照本发明提供的方法，天线波束从前一波位的波束指向切换到这一波位的波束指向时，不同组件的波束指向是不同的，其中存在一个最差中间状态，也就是一半的天线单元指向前一波位，而另一半的天线单元已经指向后一波位。这时波束形状会受到一定影响。在理想的通信场景中，数传目标所在方位相对于天线不可能发生突变，所以扫描角变化速度不快，前一波位与后一波位的波束指向相差不大，通过方向图仿真评估，即使在最差中间状态，波束形状变化也很小，本方法是适用的。以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。当前第1页12