《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種三角柵格排布的小型相控陣波控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
電子技術(shù)應(yīng)用
徐波，石中立
中國(guó)西南電子技術(shù)研究所
摘要： L頻段因受雨衰等環(huán)境影響小、收發(fā)組件技術(shù)成熟以及制造成本低等優(yōu)點(diǎn)而被海事衛(wèi)通相控陣天線廣泛采用。隨著機(jī)載衛(wèi)通天線不斷朝小型化和低剖面方向發(fā)展，對(duì)相控陣天線的設(shè)計(jì)改進(jìn)則提出了更高的挑戰(zhàn)。在滿足符合ARINC-781-8指標(biāo)性能的前提下，相對(duì)矩形柵格排布，三角柵格排布因其布陣緊湊，可有效抑制柵瓣從而提高相控陣掃描性能；同時(shí)該排布結(jié)構(gòu)所需天線單元數(shù)更少，更容易實(shí)現(xiàn)天線終端的小型化和低成本設(shè)計(jì)。以某L頻段2×6 三角柵格排布海事衛(wèi)通相控陣天線為設(shè)計(jì)對(duì)象，對(duì)三角柵格排布結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵數(shù)學(xué)模型進(jìn)行建模，介紹了該型天線的研制方法，設(shè)計(jì)了適用于該天線終端的波束掃描控制算法并在FPGA上進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。天線實(shí)物樣機(jī)隨通信終端在室外環(huán)境下進(jìn)行了靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，該實(shí)物樣機(jī)可與海事衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定通信，通信質(zhì)量?jī)?yōu)良。
中圖分類號(hào)：TN47 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256426
中文引用格式： 徐波，石中立. 一種三角柵格排布的小型相控陣波控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2025，51(8)：126-131.
英文引用格式： Xu Bo，Shi Zhongli. Design of a small phased array wave control system with triangular grid arrangement[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(8)：126-131.
Design of a small phased array wave control system with triangular grid arrangement
Xu Bo，Shi Zhongli
Southwest China Institute of Electronic Technology
Abstract： L-band phased array antennas are widely used in maritime satellite communication due to their advantages of being less affected by environmental factors such as rain attenuation, mature transceiver technology, and low manufacturing costs. With the continuous development of airborne satellite communication antennas towards miniaturization and low profile, this poses higher challenges for the design improvement of phased array antennas. On the premise of meeting the performance requirements of ARINC-781-8, compared to rectangular grid arrangement, triangular grid arrangement can effectively suppress grid lobes and improve phased array scanning performance due to its compact layout. At the same time, this layout structure requires fewer antenna units, making it easier to achieve miniaturization and low-cost design of antenna terminals. This article takes a certain L-band 2×6 triangular grid layout maritime satellite communication phased array antenna as the design object, models the key mathematical model of the triangular grid layout structure, introduces the development method of this type of antenna, designs a beam scanning control algorithm suitable for the antenna terminal, and implements it on FPGA. The physical prototype of the antenna was subjected to static experiments in an outdoor environment with the communication terminal. The physical prototype can achieve stable communication with the maritime satellite system and has excellent communication quality.
Key words : L-band phased array antenna；maritime satellite communication；beam scanning control；triangular grid layout architecture；phased array miniaturization design

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“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波速形成算法依賴于矩形排布的假設(shè)，三角排布依賴于非均勻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）


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