CN104617390B - 一种星载大型相控阵天线波束控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种星载大型相控阵天线波束控制装置，卫星平台数管计算机将波束指向数据发送给波束控制计算机，所述波束控制计算机根据波束指向数据得到波控码，并将波控码和工作时序一起发送到各个波束控制单元，所述每个波束控制单元接收到波控码和工作时序后，对波控码进行校验和验证，将每个码值送给被控器件的移相器和衰减器，按照工作时序要求，完成整个天线阵面的波束指向切换。本发明实现了相控阵天线由地面平台跨越到卫星平台的应用，完成了二维大型相控阵的波束电扫描控制。可广泛应用于通信卫星、测量卫星和侦察卫星等领域。具有小体积、低重量、高可靠特点，满足星载电子设备在轨工作时间长，不可维修的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种星载天线载荷测控技术，尤其涉及的是一种星载大型相控阵天线波束控制装置。
背景技术
相控阵天线***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***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。
相控阵天线克服了机械方法旋转天线惯性大、速度慢的缺点，采用计算机控制馈电相位、变化速度快(毫秒级)，控制灵活，可配合大***完成多种工作模式，合理地将天线辐射的能量在空间最大化利用，提高大***的工作效能。因相控阵天线的巨大优势，以及在地面雷达和空中机载平台的成熟应用，近年来，也逐渐将相控阵天线应用到卫星平台，并且由较小规模的天线阵元向大规模天线阵列发展。但是由于卫星平台所处的环境和地面及低空平台完全不同，特别是面临空间高能粒子辐射、宇宙射线的影响，电子设备容易产生电离总剂量损伤、各种单粒子效应(如：单粒子翻转、单粒子瞬态、单粒子闩锁、单粒子功能中断)，造成电子设备功能失常，甚至产生永久性的失效。同时空间电子设备还要求低重量、小体积、低热耗设计。要求生命周期内在轨可靠工作、免维护。因此，地面平台上用于相控阵天线的波束控制单元已经完全不符合星载环境的使用要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种星载大型相控阵天线波束控制装置，能够适应空间高能粒子辐射、避免电子设备表面充放电。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括卫星平台数管计算机，波束控制计算机，多个波束控制单元、C波段T/R组件、C波段延时放大组件、L波段T/R组件和L波段延时放大组件；所述卫星平台数管计算机将波束指向数据(β,α)发送给波束控制计算机，所述波束控制计算机根据波束指向方位数据得到波控码，并将波控码和工作时序一起发送到各个波束控制单元，所述每个波束控制单元接收到波控码和工作时序后，对波控码进行校验和验证，将每个T/R组件的波控码相累加，累加得到的校验码与波束控制单元接收到的校验码相比较，如果相符，则将对应通道的波控码和工作时序提取并按照各个组件的数据格式要求重组后，然后转发至该波束控制单元对应的C波段T/R组件、C波段延时放大组件、L波段T/R组件和L波段延时放大组件，每个T/R组件接收到波控码后，进行串并转换，将每个码值送给被控器件的移相器和衰减器，按照工作时序要求，完成整个天线阵面的波束指向切换。
所述波控码为：根据波束指向角，计算出天线阵面上每个移相器的移相码、衰减器的衰减码、延时放大器的延时码，并与天线阵面在上电初始化过程中得到的校验码相加，消除每个通道的不一致性，最后得到每个移相器的移相码、衰减器的衰减码和延时线的延时码，统称波控码。
所述波束控制单元包括反熔丝FPGA芯片、A/D转换芯片、差分信号输入输出驱动模块、多组保险丝电路和储能电容；所述差分信号输入输出驱动模块包括差分接收电路和差分发送电路，所述反熔丝FPGA芯片通过差分接收电路从波束控制计算机接收波控码，A/D转换芯片将采集的C波段电源和L波段电源及天线阵面不同位置的温度数据送入反熔丝FPGA芯片，所述反熔丝FPGA芯片进行字头判别、校验和检查，如果都正确无误，再从接收到的波控码中提取每个T/R通道的数据，根据C波段组件、L波段组件数据协议要求，在反熔丝FPGA芯片内部完成数据的拼接和重组，最后将每个通道的波控码按照时钟节拍串行发送至对应的T/R组件，反熔丝FPGA芯片按照规定的协议将状态信息通过差分发送电路上传到波束控制计算机，多组保险丝电路依次串联在C波段T/R组件的+9V电源上，储能电容并联在C波段T/R组件的+9V电源上。
所述波控码数据在时钟的下降沿发送，T/R组件在时钟的上升沿采集串行数据。
所述反熔丝FPGA芯片的原型验证方法如下：首先对反熔丝器件设计文件编译生成网表文件，然后将生成的网表文件转换成基于flash工艺的ProAsic芯片的网表，使得反熔丝芯片和原型适配器flash芯片的时序匹配，同时进行两种芯片的引脚转换。完成反熔丝芯片前期的原型验证后，就可以将真正的反熔丝芯片落焊到电路板上。由于封装完全一致，波束控制单元无需改版，极大地缩短了开发周期、降低了设计风险。
所述反熔丝FPGA芯片的型号为A54SX72A-CQ208B。
所述波束控制单元共54个，波束控制计算机与整个天线阵面共计9个接口，每个接口连接6个波束控制单元，每个波束控制单元控制12个C波段T/R组件、4个C波段延时放大组件、8个L波段T/R组件和4个L波段延时放大组件，将12个C波段T/R组件分成4组，每组包含3个C波段T/R组件和1个C波段延时放大组件，将8个L波段T/R组件分成2组，每组包括4个L波段T/R组件和2个L波段延时放大组件。
所述每个波束控制单元与波束控制计算机和各个T/R组件之间采用RS422差分总线方式传输数据，采用一驱多的连接方式，即发送源端一路信号，驱动多路接收端，在最远端并接匹配电阻。
所述A/D转换芯片有两个，选用TLC2543作为A/D转换芯片，一个用以采集C波段T/R组件电源-5V、9V和天线阵面各个位置的温度，另一个用以采集L波段T/R组件电源-5V、+5V、28V。
所述每组保险丝电路和储能电容包括两个保险丝保护电路和三个大容量储能电容，保险丝电路串联在C波段T/R组件+9V电源上，三个大容量储能电容并联在C波段T/R组件+9V电源上，所述两个保险丝保护电路中，其中的一个保险丝保护电路串联大功率电阻后再与另一个保险丝保护电路并联。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明实现了相控阵天线由地面平台跨越到卫星平台的应用，完成了二维大型相控阵的波束电扫描控制。本发明能够满足火箭点火上升阶段的剧烈震动，空间复杂环境下，特别是空间高能粒子辐射、真空条件下可靠应用，整个波束控制单元电路板设计、生产和贴片严格按照航天工艺流程，选用具有抗辐射指标的高质量等级器件，无孤立大面积金属导体、单机之间连接线缆采用双点双线，集成电路电源端加限流电阻、板上加金属加强筋、超过300mw的器件传导散热、表贴器件需要点胶固定。星载大型相控阵天线波束控制单元，可广泛应用于通信卫星、测量卫星和侦察卫星等领域。具有小体积、低重量、高可靠特点，满足星载电子设备在轨工作时间长，不可维修的要求。
附图说明
图1是整个天线阵面三级波束控制流程框图；
图2是波束控制计算机与波束控制单元之间的接口网络图；
图3是每个波束控制单元控制4种T/R组件和延时放大器的示意图；
图4是波束控制单元的组成框图；
图5是图4中ACTEL反熔丝FPGA原型验证流程图；
图6是图4中A/D转换芯片的原理图；
图7是图4中RS422差分信号接收电路原理图；
图8是图4中RS422差分信号发送电路原理图；
图9是图4中大容量储能电容和保险丝保护电路原理图；
图10是图4中波束控制单元与波控计算机的通讯时序示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括卫星平台数管计算机1，波束控制计算机2，多个波束控制单元3、C波段和L波段T/R组件4、被控器件的移相器和衰减器；C波段和L波段T/R组件4包括C波段T/R组件、C波段延时放大组件、L波段T/R组件和L波段延时放大组件；所述卫星平台数管计算机1将波束指向数据(β,α)发送给波束控制计算机2，所述波束控制计算机2根据波束指向方位数据按照两维矩形栅格相控阵天线原理计算得到波控码，并将波控码和工作时序一起发送到各个波束控制单元3，所述每个波束控制单元3接收到波控码和工作时序后，对波控码进行校验和验证，将每个T/R组件的波控码相累加，累加得到的校验码与波束控制单元3接收到的校验码相比较，如果相符，则将对应通道的波控码和工作时序提取并按照各个组件的数据格式要求重组后，然后转发至该波束控制单元3对应的C波段T/R组件、C波段延时放大组件、L波段T/R组件和L波段延时放大组件，每个T/R组件接收到波控码后，进行串并转换，将每个码值送给被控器件的移相器和衰减器，按照工作时序要求，完成整个天线阵面的波束指向切换。波控码为：根据波束指向角，按照两维矩形栅格相控阵天线原理计算出天线阵面上每个移相器的移相码、衰减器的衰减码、延时放大器的延时码，并与天线阵面在上电初始化过程中得到的校验码相加，消除每个通道的不一致性，最后得到每个移相器的移相码、衰减器的衰减码和延时线的延时码，统称波控码。
如图2所示，波束控制计算机2与整个相控阵天线共计9个接口，每个接口连接6个波束控制单元3，以波束控制计算机2的一个接口为例，数据线DATA0～DATA5独立使用，可并行传输数据。其他波控指令输入：TR_R_C、TR_T_C、TR_R_L、TR_T_L、CLK、SYN、READY。数字遥测：FLAG、DATA2均采用“一驱六”RS422总线方式连接。
如图3所示，整个天线阵面的波束控制单元3共54个，波束控制计算机2与整个天线阵面共计9个接口，每个接口连接6个波束控制单元3，以一个波束控制单元3为例，一个波束控制单元3控制12个C波段T/R组件、4个C波段延时放大组件、8个L波段T/R组件和4个L波段延时放大组件，波束控制单元3与T/R组件之间连接的信号包括TR_T、TR_R、DATA、CLK、SYN、READY、BITE。只有DATA信号要传输不同的波控码，其他的信号都可以按照RS422共用总线的连接方式，为了减少波束控制单元3与组件之间连接线缆的重量，将12个C波段T/R组件分成4组，每组包含3个C波段T/R组件和1个C波段延时放大组件，共用TR_T、TR_R、CLK、SYN、READY、BITE。将8个L波段T/R组件分成2组，每组包括4个L波段T/R组件和2个L波段延时放大组件。
如图4所示，波束控制单元3包括反熔丝FPGA芯片、A/D转换芯片、差分信号输入输出驱动模块、多组保险丝电路和储能电容；所述差分信号输入输出驱动模块包括差分接收电路和差分发送电路，所述反熔丝FPGA芯片通过差分接收电路从波束控制计算机2接收波控码，A/D转换芯片将采集的C波段电源和L波段电源及天线阵面不同位置的温度数据送入反熔丝FPGA芯片，所述反熔丝FPGA芯片进行字头判别、校验和检查，如果都正确无误，再从接收到的波控码中提取每个T/R通道的数据，根据C波段组件、L波段组件数据协议要求，在反熔丝FPGA芯片内部完成数据的拼接和重组，最后将每个通道的波控码按照时钟节拍串行通过差分接口电路发送至对应的T/R组件，反熔丝FPGA芯片按照规定的协议将状态信息通过差分发送电路上传到波束控制计算机2，保险丝电路串联在C波段T/R组件+9V电源上，储能电容并联在C波段T/R组件+9V电源上。波控码数据在时钟的下降沿发送，T/R组件在时钟的上升沿采集串行数据，确保数据能够被正确获得。
与上一级波束控制计算机2接口信号分为波控指令输入、数字遥测两种。波控指令输入：T TR_R_C、TR_T_C、TR_R_L、TR_T_L、CLK、DATA、SYN、READY。数字遥测：FLAG、DATA2。其中TR_T_C、TR_T_L为C波段组件和L波段组件的发射控制脉冲，TR_R_C、TR_R_L为C波段组件和L波段组件的接收控制脉冲。波控码通过CLK、DATA、SYN传送至波束控制单元3，当等到波束控制单元3完成所有T/R组件数据的分发后，通过READY信号刷新天线阵面的波束指向。DATA2为天线阵面遥测数据的输出接口，在FLAG和CLK控制下通过DATA2输出天线子***数字遥测数据至波束控制计算机2。
FPGA是波束控制单元3的核心器件，其稳定性直接影响天线波束的控制。目前FPGA主要有3种类型，基于SRAM型、FLASH型和反熔丝型。在星载高轨环境下，FPGA面临着电离总剂量、单粒子翻转、单粒子锁定等空间辐射问题，SRAM型FPGA最容易产生单粒子翻转(Single Event Upset SEU)、FLASH型FPGA虽然可靠性比SRAM型高，但也不能避免空间单粒子效应的种种问题。反熔丝型FPGA是最合适宇航领域使用，具有其它结构FPGA器件所不具有的高度可靠性以及稳定性，反熔丝FPGA具有抗辐照能力强，上电时间短、功耗低等特点，反熔丝芯片在很多卫星成功应用，可靠性得到充分验证。但反熔丝FPGA同时具有一次性烧写、不可重复编程、器件容量较小的特点。因此，在烧写反熔丝FPGA之前的设计功能验证、时序验证和资源估算非常重要。本实施例采用ALDEC公司与Actel公司共同推出的基于ActelProAsic器件的反熔丝器件原型验证解决方案。本实施例选用ACTEL公司的反熔丝FPGA芯片，型号为A54SX72A-CQ208B，反熔丝FPGA芯片原型验证流程如图5所示，采用的是ALDEC公司的反熔丝适配器，型号为：I-ACT-RTSXi-CQ208。首先在ACTEL的Libero软件开发环境中，选用反熔丝器件A54SX72A-CQ208B，对设计文件编译生成网表文件，然后用ALDEC公司的网表转换软件，将A54SX72A-CQ208B器件生成的网表转换成基于flash工艺的ProAsic芯片的网表，网表转化软件主要解决反熔丝芯片和原型适配器flash芯片的时序差异，使两者时序匹配，同时进行两种芯片的引脚转换。完成反熔丝芯片前期的原型验证后，就可以将真正的反熔丝芯片落焊，由于封装完全一致，波束控制单元3无需改版，极大地缩短了开发周期、降低了设计风险。
如图6所示，本实施例的A/D转换芯片选用TLC2543作为A/D转换芯片，使用简单，硬件连线少。反熔丝FPGA芯片输出片选AD_/CS1、时钟AD_CLK1和串行数据AD_DATAIN1等控制信号，时钟最高不超过4.1MHZ，串行数据包含通道选择和数据位宽，可以分时采集11路外部模拟量输入。A/D转换芯片主要用于天线阵面上多种电压的的测量，包括C波段T/R组件电源-5V、9V，L波段T/R组件电源-5V、+5V、28V和天线阵面的温度。每个波束控制单元3使用2片A/D转换芯片，将采集到的串行数据AD_DATAOUT1送入反熔丝FPGA芯片，在反熔丝FPGA芯片内完成所有状态信息(包括A/D数据、各个组件的BIT状态、波控码的校验和错误、时序组合故障)集成，按照规定的协议上传至波束控制计算机2，波束控制计算机2分别收集54个波束控制单元3的状态信息后，得到整个天线阵面电源电压、温度、各个组件状态、数据校验和错误和时序组合故障等。
为了提高信号传输的可靠性，增加信号的抗干扰能力，单机之间的信号传输(波束控制计算机2与波束控制单元3之间，波束控制单元3与T/R组件之间)采用RS422电平传输，RS422具有传输速度快，传输距离远，抗干扰能力强、可总线连接等优势。
如图7所示，DS96F175为差分接收芯片，READY+/READY-、SYN+/SYN-、CLK+/CLK-、DATA1+/DATA1-是差分输入信号，用双绞线与波束控制计算机2连接，因为波束控制计算机2采用RS422总线连接方式同时驱动6块波束控制单元3，并且传输距离较远，所以在靠近DS96F175芯片信号端分别串接1K电阻R77～84，减轻负载。正负差分信号间并联240Ω匹配电阻R91～94，正端信号上拉10K电阻R100～103至+5V，负端下拉10K电阻R109～112至GND。
如图8所示，DS96F174为差分信号发送芯片，DATA1-C、DATA2-C、DATA3-C、DATA4-C为波束控制单元3发送至C波段组件的数据信号，在输出信号端DATA1-C+/DATA1-C-、DATA2-C+/DATA2-C-、DATA3-C+/DATA3-C-、DATA4-C+/DATA4-C-分别串接56Ω的限流电阻R216～223。
如图9所示，C波段T/R组件工作时需要+9V电源，脉冲方式工作，脉冲的占空比约为10％左右，对外辐射能量时，需要较大的瞬时电流。两个C波段二次电源分别需要三组保险丝电路和储能电容。因此，每组保险丝电路和储能电容需要在+9V提供大容量储能电容C103、C104、C105，为防止储能电容短路失效，在储能电容的前端加保险丝电路F3、F4。采用两个保险丝电路并联，提高可靠性。其中一路使用大功率120mΩ电阻R287串联，正常状态下通过R287的电流不超过总电路的10％，因而F4支路具有较大的抗电冲击能力。当负载发生瞬间过流时，F3首先熔断，而F4支路仍维持通路。
如图10所示，TR_R_C和TR_T_C是C波段组件的接收通道控制脉冲和发射通道控制脉冲，TR_R_L和TR_T_L是L波段组件的接收通道控制脉冲和发射通道控制脉冲，波束控制单元3在CLK下降沿采集数据DATA1，SYN低电平期间传输数据，在SYN的上升沿完成数据接收后，开始数据校验和检查，检查无误后，提取每个通道的T/R波控码，然后在Tdis时间周期内同时将数据发送至各个T/R组件，当T/R组件完成波控码接收后，在REDAY低电平时，新的波束指向生效。DATA2为波束控制单元3的数字遥测数据，在FLAG低电平期间，CLK上升沿传输数据至波束控制计算机2。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种星载大型相控阵天线波束控制装置，其特征在于，包括卫星平台数管计算机，波束控制计算机，多个波束控制单元、C波段T/R组件、C波段延时放大组件、L波段T/R组件和L波段延时放大组件；所述卫星平台数管计算机将波束指向数据(β,α)发送给波束控制计算机，所述波束控制计算机根据波束指向方位数据得到波控码，并将波控码和工作时序一起发送到各个波束控制单元，所述每个波束控制单元接收到波控码和工作时序后，对波控码进行校验和验证，将每个T/R组件的波控码相累加，累加得到的校验码与波束控制单元接收到的校验码相比较，如果相符，则将对应通道的波控码和工作时序提取并按照各个组件的数据格式要求重组后，然后转发至该波束控制单元对应的C波段T/R组件、C波段延时放大组件、L波段T/R组件和L波段延时放大组件，每个T/R组件接收到波控码后，进行串并转换，将每个码值送给被控器件的移相器和衰减器，按照工作时序要求，完成整个天线阵面的波束指向切换；
所述波束控制单元包括反熔丝FPGA芯片、A/D转换芯片、差分信号输入输出驱动模块、多组保险丝电路和储能电容；所述差分信号输入输出驱动模块包括差分接收电路和差分发送电路，所述反熔丝FPGA芯片通过差分接收电路从波束控制计算机接收波控码，A/D转换芯片将采集的C波段电源和L波段电源及天线阵面不同位置的温度数据送入反熔丝FPGA芯片，所述反熔丝FPGA芯片进行字头判别、校验和检查，如果都正确无误，再从接收到的波控码中提取每个T/R通道的数据，根据C波段组件、L波段组件数据协议要求，在反熔丝FPGA芯片内部完成数据的拼接和重组，最后将每个通道的波控码按照时钟节拍串行发送至对应的T/R组件，反熔丝FPGA芯片按照规定的协议将状态信息通过差分发送电路上传到波束控制计算机，多组保险丝电路依次串联在C波段T/R组件的+9V电源上，储能电容并联在C波段T/R组件的+9V电源上。
2.根据权利要求1所述的一种星载大型相控阵天线波束控制装置，其特征在于，所述波控码为：根据波束指向角，计算出天线阵面上每个移相器的移相码、衰减器的衰减码、延时放大器的延时码，并与天线阵面在上电初始化过程中得到的校验码相加，消除每个通道的不一致性，最后得到每个移相器的移相码、衰减器的衰减码和延时线的延时码，统称波控码。
3.根据权利要求1所述的一种星载大型相控阵天线波束控制装置，其特征在于，所述波控码数据在时钟的下降沿发送，T/R组件在时钟的上升沿采集串行数据。
4.根据权利要求1所述的一种星载大型相控阵天线波束控制装置，其特征在于，所述反熔丝FPGA芯片的原型验证方法如下：首先对反熔丝器件设计文件编译生成网表文件，然后将生成的网表文件转换成基于flash工艺的ProAsic芯片的网表，使得反熔丝芯片和原型适配器flash芯片的时序匹配，同时进行两种芯片的引脚转换。
5.根据权利要求4所述的一种星载大型相控阵天线波束控制装置，其特征在于，所述反熔丝FPGA芯片的型号为A54SX72A-CQ208B。
6.根据权利要求1所述的一种星载大型相控阵天线波束控制装置，其特征在于，所述波束控制单元共54个，波束控制计算机与整个天线阵面共计9个接口，每个接口连接6个波束控制单元，每个波束控制单元控制12个C波段T/R组件、4个C波段延时放大组件、8个L波段T/R组件和4个L波段延时放大组件，将12个C波段T/R组件分成4组，每组包含3个C波段T/R组件和1个C波段延时放大组件，将8个L波段T/R组件分成2组，每组包括4个L波段T/R组件和2个L波段延时放大组件。
7.根据权利要求1所述的一种星载大型相控阵天线波束控制装置，其特征在于，所述每个波束控制单元与波束控制计算机和各个T/R组件之间采用RS422差分总线方式传输数据，采用一驱多的连接方式，即发送源端一路信号，驱动多路接收端，在最远端并接匹配电阻。
8.根据权利要求1所述的一种星载大型相控阵天线波束控制装置，其特征在于，所述A/D转换芯片有两个，选用TLC2543作为A/D转换芯片，一个用以采集C波段T/R组件电源-5V、9V和天线阵面各个位置的温度，另一个用以采集L波段T/R组件电源-5V、+5V、28V。
9.根据权利要求1所述的一种星载大型相控阵天线波束控制装置，其特征在于，所述每组保险丝电路和储能电容包括两个保险丝保护电路和三个大容量储能电容，保险丝电路串联在C波段T/R组件+9V电源上，三个大容量储能电容并联在C波段T/R组件+9V电源上，所述两个保险丝保护电路中，其中的一个保险丝保护电路串联大功率电阻后再与另一个保险丝保护电路并联。
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