第44卷第1期（总第171期）
2015年3月
火控雷达技术
Fire Control ＲadarTechnology
Vol．44No．1（Series 171）
Mar．2015
基于查表方式的雷达波束扫描技术
郭立俊
（中国电子科技集团公司第三十八研究所
合肥230088）
【摘要】相控阵雷达波束控制系统的性能极大地影响雷达功能的发挥，采用查表法完成雷达天线波具有速度快、移相精度高、控制灵活及便于扩展等特点，在相控阵雷达波束控制中应用束快速布相，广泛。
关键词：相控阵雷达；波束控制；查表法；计算法中图分类号：TN95
文献标志码：A
8652（2015）01-075-04文章编号：1008-
ＲadarBeam Scanning Technique Based on Look －Up Table Method
Guo Lijun
（The No．38ＲesearchInstitute of CETC ，Hefei 230088）
Abstract ：Beam steering control performance of phased array radar greatly impacts on radar function．Adopting look －up table method to accomplish phase distribution can be widely used in beam steering control of phased array ra-dar ，this method features high －speed ，high phase shifting accuracy ，good operate agility and easy to expand．Keywords ：phased array radar ；beam steering control ；look －up table method ；calculation method
电控扫描，充分利用天线波束扫描快速、合理地分配
0引言
随着雷达、电子战、通信技术的发展，相控阵电
能量，无需天线的机械扫描也可以方便地实现波束方向的改变
［4］
。
在进行波束扫描控制时，需要对偏移量进行实时补偿，具体做法有两种方式，一是采用实时计算将补偿角度叠加到波控移相器；另一种是将偏移法，
量形成表格文件，采用实时查表法，本文采用查找表方式完成雷达波束控制。
子信息系统已成为雷达、电子战、通信等发展的主流，在相控阵系统中波束控制技术作为关键技术之一，直接影响着系统功能和效能的发挥
［1］
。天线波
不仅要为相控阵雷达天线扫描提供正束控制系统，
确的相位码，而且也要满足系统探测的要求，使波束指向能够快速、灵活的转换，因此，相控阵雷达波束对整个雷达系统能否具备更控制系统设计的好坏，
加强大的功能，能否更好地实现其性能指标，是至关重要的，因此，波束控制系统的性能优劣将极大影响了相控阵雷达系统性能的发挥
［2－3］
1系统分析
波束控制系统接收上位机的控制命令，解析后
根据算法实时计算或查表法得出波束指向控制码实现对天线的T /Ｒ组件布相控制，完成对T /Ｒ值，
组件、变频组件及阵面电源数据、状态采集并上报。波控单机的原理框图如图1所示：
。
波束控制系统是相控阵雷达的重要组成部分，相控阵天线是以数字式移相器实现天线波束的高速
9-2收稿日期：2014-基金项目：国家科技部世博行动计划资助项目，上海世博会重点项目（O91901A01N ）作者简介：郭立俊（1980－），男，高工。主要研究方向为雷达监控及浮空器测控。
76火控雷达技术第44
卷
接口芯片及电源系统完成整个与外围的配置电路、
硬件组成。上位机与波控单机完成整机数据通信及当波控单机接收到波控码值后，控制命令传输任务，
将数据按地址信息存储于Flash 存储器，完成码表的本地保存任务。当开始雷达扫描任务时，将上位机发送的扫描角度、扫描模式、扫描步进信息进行解析，换算出本地码表的地址信息，按照既定的时序完成码值读取与解算。
2
图1
波束控制原理框图
工程设计
响应时间计算
根据机载雷达对波控系统的要求，一要波位切
2．1
波束控制是波控单机最重要的功能，为实现波
束的无惯性扫描、天线的快速校正和配合天线的高效测试，单元根据任务系统的指令控制完成T /Ｒ组件的幅度、相位、工作状态控制；幅相补偿值的计算与存储等功能。控制流程见图2所示
：
换时间不大于0．5ms ；二系统要小型化设计。基于
这两点要求，首先系统单机采用小型化设计，使用集95%以上的元成度比较高的可编程逻辑器件，此外，器件都采用表贴封装，减小体积与重量。波位切换时间指的是波控单机接收到上位机控制命令到波束
响应时间转换完成并提供给T /Ｒ组件之间的时间，包括数据解析时间、查表时间及并串转换时间。
1）解析时间是指将接收到的数据转换为方位查表地址，该过程需要2 5个时钟周期，以10M 时钟为例，最大解析时间为5ˑ 0．1us =0．5us 。2）FPGA 内部读一次内部ＲAM需要的时钟周
以10M 时钟为例，读ＲAM的时间为5ˑ 期小于5，0．1=0．5us 。
3）波控码值为32位，打码时钟频率为1M ，因此
串并转换时间为：32ˑ 1us =32us 。
因此，理论时间=0．5us +0．5us +32us =33us ，远小于响应时间0．5ms 的要求。2．2
波控码值存储
存储器构建原理图见图3所示；FLASH 采用Intel 公司28F128J3芯片［5］，存储空间128Mbit
。
图2波束控制流程图
图3
PowerPC 嵌入式系统存储器构建原理图
由图1可知，硬件主要由FPGA 芯片构成，通过
第1期郭立俊：基于查表方式的雷达波束扫描技术77
电源有核电压输入VCC 和IO 电源输入VCCQ ，
23：0］的供电电压为3．3V ；设备地址FLASH _A ［
FLASH_A0为字节选择地址信号，FLASH_A［23：1］
地址输入信号，由此可以判断存储器容量为128Mbit ，同时FLASH_A23经过电阻上拉到3．3V 电
所有地址信号管脚都连接到FPGA ，高字节数据源，
总线和低字节数据总线综合起来形成FLASH _D ［15：0］连接到FPGA ，输出使能信号OE#和写使能信号WE#分别连接到FPGA ，字节使能信号BYTE#、片选信号CS#及复位信号ＲST#经过上拉电阻到3．3V 电压，然后连到FPGA 。
波控单机码值存储包括FLASH 存储方式和ＲAM存储方式，上电时，波控数据表从上位机传输并存储在FLASH 中。波束指向方位为到波控单机，
+45度 －45度，步进为0．5度，共180个码值，移相码为32位，共48个TＲ组件，因此需要的FLASH
FLASH 采用At-空间为：32·180·48=276480bit ，
mel 公司生产的AM29LV128MH93ＲEI，含128Mbit ，能够满足波控码值的存储要求。在波控单机进行波
FPGA 从FLASH 中读取码值数据并暂存束控制时，
在FPGA 内部ＲAM中，并从ＲAM中调取码值信息
进行波束调度。2．3
异步串口设计
异步串口构建原理图见图4所示，所用差分接口器件包括SN65LBC175和SN65LBC174
。
Tx －端加10K 欧下拉电阻，端加1000欧上拉电阻，
完成UAＲT电路的合理化设计。
波控单机异步串口ＲS422主要完成与上位机通信的，通过接收上位机的码表信息及控制命令，完成波控单机本地时序生成，根据时序读取内存波控码值。
3
3．1
仿真验证
波控接口
波控接口芯片电路框图见图5所示
：
图5波控接口控制电路
2#、3#驱动串行信号（含32位信息）分别为1#、
器件所需的控制信息。当串行时钟信号到来后，串并转换开始工作，依次读取32位控制信息并完成串并转换功能（一个时钟上升沿对应一个数据位）；当end 信号的上升沿到来后，将已转换的32位并行控制信息存入一级锁存器中。而二级锁存器仍维持其驱动输出信号不变；当SYN 信号的上升原有数据，
沿到来时，将驱动器中的32位数据打入至二级锁存器中相应的位置，并在TＲW方波信号的控制下驱动输出相应的数据；在下一个SYN 信号的上升沿到来之前，二级锁存器中的数据维持不变。驱动芯片根据TＲW信号的高电平“1”选通T 锁存器中的数0”据输出，而根据TＲW信号的低电平”选通Ｒ锁存器中的数据输出；
驱动控制集成电路模块时序波形图如图6所示。
图4PowerPC 嵌入式系统UAＲT构建原理图
上位机发数据到驱动器SN65LBC175的ＲX+Ｒx+端和ＲX－端口，端口之间加100欧匹配电阻，Ｒx－端加10K 欧下拉电阻，加1000欧上拉电阻，经过信号转换器变换成3．3V 电平输入到FPGA 。FP-GA 输出信号到驱动器SN65LBC174，产生Tx +和Tx －差分对信号，Tx +端口之间加100欧匹配电阻，
图6
波控驱动芯片时序图
78火控雷达技术第44卷
3．2时序仿真
波控单机时序模块见图7所示
：
4结束语
综上所述，采用小型化、模块化查表设计方案的波控系统，已在整机试飞中得到验证，证明方案切实并具有设计简单、实现速度快等特点。本方案可行，
适用于T /Ｒ组件规模较小系统，对待规模较大系统，需要将控制单机模块化分类，进行分布式设计方案，采用组块方法并行控制，实现快速大规模查表法完成波控码值调度任务。
图7
波束控制时序模块
参考文献：
利用Modelsim 工具验证波束控制时序功能，见
时序结果与图6的驱动时序图一致，说明图8所示，
可以通过控制驱动接口芯片完成相控阵雷达天线的
电扫功能
。
［1］林桂道．现代相控阵系统的波束控制设计分
J ］．船舶科学技术，2007，29（3）：74－78．析［［2］郑清，张健．相控阵雷达分布式波控系统设计［J ］．现代雷达，2001（S1）：51－53．［3］丁鹭飞．雷达原理［M ］．西安：西北电讯工程
1983．学院出版社，［4］张光义．相控阵雷达系统［M ］．北京：国防工1994．业出版社，［5］陈海荣．基于双核PowerPC 处理器的高性能
J ］．计算机测量与控制，2011，计算模块设计［
图8
波控时序仿真图
（11）：233－236．
（上接第64页）
［3］LINZ A．，HENDＲICKSONA．Efficient imple-mentation of an I －Q GMSK modulator ［J ］．IEEE Transactions on circuits and systems ，1996，43（1）：14－23．
［4］I．S．Gradshteyn and I．M．Ｒyzhik．Table of Inte-grals ，Series and Products．New York ：Academ-ic ，1980，p．633，5．41．
［5］Alfredo Linz ，Alan Hendrickson．Efficient Imple-mentation of an I －Q GMSK Modulator．IEEE Transactions on circuits and system ，1996，43
（1）：14－23．
［6］陈志堂，宫玉斌，秦开宇等．新型GMSK 调制
．电子测量技术，实现算法研究与设计［J ］
2010，33（11）：41－45．
［7］AULIN T．，ＲYDBECKN．，SUNDBEＲGCarl －
Erik W．Continuous phase modulation －part ．IEEE Ⅱ：partial response signaling ［J ］
Transactions on Communication ，1981，29（3）：210－225．
第44卷第1期（总第171期）
2015年3月
火控雷达技术
Fire Control ＲadarTechnology
Vol．44No．1（Series 171）
Mar．2015
基于查表方式的雷达波束扫描技术
郭立俊
（中国电子科技集团公司第三十八研究所
合肥230088）
【摘要】相控阵雷达波束控制系统的性能极大地影响雷达功能的发挥，采用查表法完成雷达天线波具有速度快、移相精度高、控制灵活及便于扩展等特点，在相控阵雷达波束控制中应用束快速布相，广泛。
关键词：相控阵雷达；波束控制；查表法；计算法中图分类号：TN95
文献标志码：A
8652（2015）01-075-04文章编号：1008-
ＲadarBeam Scanning Technique Based on Look －Up Table Method
Guo Lijun
（The No．38ＲesearchInstitute of CETC ，Hefei 230088）
Abstract ：Beam steering control performance of phased array radar greatly impacts on radar function．Adopting look －up table method to accomplish phase distribution can be widely used in beam steering control of phased array ra-dar ，this method features high －speed ，high phase shifting accuracy ，good operate agility and easy to expand．Keywords ：phased array radar ；beam steering control ；look －up table method ；calculation method
电控扫描，充分利用天线波束扫描快速、合理地分配
0引言
随着雷达、电子战、通信技术的发展，相控阵电
能量，无需天线的机械扫描也可以方便地实现波束方向的改变
［4］
。
在进行波束扫描控制时，需要对偏移量进行实时补偿，具体做法有两种方式，一是采用实时计算将补偿角度叠加到波控移相器；另一种是将偏移法，
量形成表格文件，采用实时查表法，本文采用查找表方式完成雷达波束控制。
子信息系统已成为雷达、电子战、通信等发展的主流，在相控阵系统中波束控制技术作为关键技术之一，直接影响着系统功能和效能的发挥
［1］
。天线波
不仅要为相控阵雷达天线扫描提供正束控制系统，
确的相位码，而且也要满足系统探测的要求，使波束指向能够快速、灵活的转换，因此，相控阵雷达波束对整个雷达系统能否具备更控制系统设计的好坏，
加强大的功能，能否更好地实现其性能指标，是至关重要的，因此，波束控制系统的性能优劣将极大影响了相控阵雷达系统性能的发挥
［2－3］
1系统分析
波束控制系统接收上位机的控制命令，解析后
根据算法实时计算或查表法得出波束指向控制码实现对天线的T /Ｒ组件布相控制，完成对T /Ｒ值，
组件、变频组件及阵面电源数据、状态采集并上报。波控单机的原理框图如图1所示：
。
波束控制系统是相控阵雷达的重要组成部分，相控阵天线是以数字式移相器实现天线波束的高速
9-2收稿日期：2014-基金项目：国家科技部世博行动计划资助项目，上海世博会重点项目（O91901A01N ）作者简介：郭立俊（1980－），男，高工。主要研究方向为雷达监控及浮空器测控。
76火控雷达技术第44
卷
接口芯片及电源系统完成整个与外围的配置电路、
硬件组成。上位机与波控单机完成整机数据通信及当波控单机接收到波控码值后，控制命令传输任务，
将数据按地址信息存储于Flash 存储器，完成码表的本地保存任务。当开始雷达扫描任务时，将上位机发送的扫描角度、扫描模式、扫描步进信息进行解析，换算出本地码表的地址信息，按照既定的时序完成码值读取与解算。
2
图1
波束控制原理框图
工程设计
响应时间计算
根据机载雷达对波控系统的要求，一要波位切
2．1
波束控制是波控单机最重要的功能，为实现波
束的无惯性扫描、天线的快速校正和配合天线的高效测试，单元根据任务系统的指令控制完成T /Ｒ组件的幅度、相位、工作状态控制；幅相补偿值的计算与存储等功能。控制流程见图2所示
：
换时间不大于0．5ms ；二系统要小型化设计。基于
这两点要求，首先系统单机采用小型化设计，使用集95%以上的元成度比较高的可编程逻辑器件，此外，器件都采用表贴封装，减小体积与重量。波位切换时间指的是波控单机接收到上位机控制命令到波束
响应时间转换完成并提供给T /Ｒ组件之间的时间，包括数据解析时间、查表时间及并串转换时间。
1）解析时间是指将接收到的数据转换为方位查表地址，该过程需要2 5个时钟周期，以10M 时钟为例，最大解析时间为5ˑ 0．1us =0．5us 。2）FPGA 内部读一次内部ＲAM需要的时钟周
以10M 时钟为例，读ＲAM的时间为5ˑ 期小于5，0．1=0．5us 。
3）波控码值为32位，打码时钟频率为1M ，因此
串并转换时间为：32ˑ 1us =32us 。
因此，理论时间=0．5us +0．5us +32us =33us ，远小于响应时间0．5ms 的要求。2．2
波控码值存储
存储器构建原理图见图3所示；FLASH 采用Intel 公司28F128J3芯片［5］，存储空间128Mbit
。
图2波束控制流程图
图3
PowerPC 嵌入式系统存储器构建原理图
由图1可知，硬件主要由FPGA 芯片构成，通过
第1期郭立俊：基于查表方式的雷达波束扫描技术77
电源有核电压输入VCC 和IO 电源输入VCCQ ，
23：0］的供电电压为3．3V ；设备地址FLASH _A ［
FLASH_A0为字节选择地址信号，FLASH_A［23：1］
地址输入信号，由此可以判断存储器容量为128Mbit ，同时FLASH_A23经过电阻上拉到3．3V 电
所有地址信号管脚都连接到FPGA ，高字节数据源，
总线和低字节数据总线综合起来形成FLASH _D ［15：0］连接到FPGA ，输出使能信号OE#和写使能信号WE#分别连接到FPGA ，字节使能信号BYTE#、片选信号CS#及复位信号ＲST#经过上拉电阻到3．3V 电压，然后连到FPGA 。
波控单机码值存储包括FLASH 存储方式和ＲAM存储方式，上电时，波控数据表从上位机传输并存储在FLASH 中。波束指向方位为到波控单机，
+45度 －45度，步进为0．5度，共180个码值，移相码为32位，共48个TＲ组件，因此需要的FLASH
FLASH 采用At-空间为：32·180·48=276480bit ，
mel 公司生产的AM29LV128MH93ＲEI，含128Mbit ，能够满足波控码值的存储要求。在波控单机进行波
FPGA 从FLASH 中读取码值数据并暂存束控制时，
在FPGA 内部ＲAM中，并从ＲAM中调取码值信息
进行波束调度。2．3
异步串口设计
异步串口构建原理图见图4所示，所用差分接口器件包括SN65LBC175和SN65LBC174
。
Tx －端加10K 欧下拉电阻，端加1000欧上拉电阻，
完成UAＲT电路的合理化设计。
波控单机异步串口ＲS422主要完成与上位机通信的，通过接收上位机的码表信息及控制命令，完成波控单机本地时序生成，根据时序读取内存波控码值。
3
3．1
仿真验证
波控接口
波控接口芯片电路框图见图5所示
：
图5波控接口控制电路
2#、3#驱动串行信号（含32位信息）分别为1#、
器件所需的控制信息。当串行时钟信号到来后，串并转换开始工作，依次读取32位控制信息并完成串并转换功能（一个时钟上升沿对应一个数据位）；当end 信号的上升沿到来后，将已转换的32位并行控制信息存入一级锁存器中。而二级锁存器仍维持其驱动输出信号不变；当SYN 信号的上升原有数据，
沿到来时，将驱动器中的32位数据打入至二级锁存器中相应的位置，并在TＲW方波信号的控制下驱动输出相应的数据；在下一个SYN 信号的上升沿到来之前，二级锁存器中的数据维持不变。驱动芯片根据TＲW信号的高电平“1”选通T 锁存器中的数0”据输出，而根据TＲW信号的低电平”选通Ｒ锁存器中的数据输出；
驱动控制集成电路模块时序波形图如图6所示。
图4PowerPC 嵌入式系统UAＲT构建原理图
上位机发数据到驱动器SN65LBC175的ＲX+Ｒx+端和ＲX－端口，端口之间加100欧匹配电阻，Ｒx－端加10K 欧下拉电阻，加1000欧上拉电阻，经过信号转换器变换成3．3V 电平输入到FPGA 。FP-GA 输出信号到驱动器SN65LBC174，产生Tx +和Tx －差分对信号，Tx +端口之间加100欧匹配电阻，
图6
波控驱动芯片时序图
78火控雷达技术第44卷
3．2时序仿真
波控单机时序模块见图7所示
：
4结束语
综上所述，采用小型化、模块化查表设计方案的波控系统，已在整机试飞中得到验证，证明方案切实并具有设计简单、实现速度快等特点。本方案可行，
适用于T /Ｒ组件规模较小系统，对待规模较大系统，需要将控制单机模块化分类，进行分布式设计方案，采用组块方法并行控制，实现快速大规模查表法完成波控码值调度任务。
图7
波束控制时序模块
参考文献：
利用Modelsim 工具验证波束控制时序功能，见
时序结果与图6的驱动时序图一致，说明图8所示，
可以通过控制驱动接口芯片完成相控阵雷达天线的
电扫功能
。
［1］林桂道．现代相控阵系统的波束控制设计分
J ］．船舶科学技术，2007，29（3）：74－78．析［［2］郑清，张健．相控阵雷达分布式波控系统设计［J ］．现代雷达，2001（S1）：51－53．［3］丁鹭飞．雷达原理［M ］．西安：西北电讯工程
1983．学院出版社，［4］张光义．相控阵雷达系统［M ］．北京：国防工1994．业出版社，［5］陈海荣．基于双核PowerPC 处理器的高性能
J ］．计算机测量与控制，2011，计算模块设计［
图8
波控时序仿真图
（11）：233－236．
（上接第64页）
［3］LINZ A．，HENDＲICKSONA．Efficient imple-mentation of an I －Q GMSK modulator ［J ］．IEEE Transactions on circuits and systems ，1996，43（1）：14－23．
［4］I．S．Gradshteyn and I．M．Ｒyzhik．Table of Inte-grals ，Series and Products．New York ：Academ-ic ，1980，p．633，5．41．
［5］Alfredo Linz ，Alan Hendrickson．Efficient Imple-mentation of an I －Q GMSK Modulator．IEEE Transactions on circuits and system ，1996，43
（1）：14－23．
［6］陈志堂，宫玉斌，秦开宇等．新型GMSK 调制
．电子测量技术，实现算法研究与设计［J ］
2010，33（11）：41－45．
［7］AULIN T．，ＲYDBECKN．，SUNDBEＲGCarl －
Erik W．Continuous phase modulation －part ．IEEE Ⅱ：partial response signaling ［J ］
Transactions on Communication ，1981，29（3）：210－225．