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1、西安电子科技大学 硕士学位论文 有源相控阵波束控制系统的研究 姓名：林曙光 申请学位级别：硕士 专业：电磁场与微波技术 指导教师：龚书喜 20100101 摘 要 摘 要 波束控制系统是有源相控阵 T/R 组件的关键部分，它的性能直接影响着相控 阵雷达的性能，对其进行数字化和小型化一直是人们关注的问题。本文结合数字 电路技术和微处理器技术，提出了一种数字化、小型化的有源相控阵波束控制系 统设计方案。 波束控制系统可以实现空间波束扫描，主要由波束控制处理器、移相器、衰 减器、功率放大器等组成。本文首先对单片处理器的处理能力进行了分析，综合 成本和指标要求选择 AVR 处理器作为系统的波束控制处理
2、器，并进行硬件的制作 与软件的编程；然后，对数字移相器和数字衰减器的控制方法、响应时间等性能 进行了研究，通过射频仿真软件分别对其电路进行了仿真分析，并制作了实物进 行更具体的测试；最后结合波束控制处理器实现了对数字移相器和数字衰减器的 控制，完成了 T/R 组件中的相位改变和幅度衰减功能。 另外，本文设计了小型微带天线阵列作为有源相控阵天线阵列，利用遗传算 法对其相位和幅度进行优化，得出空间中任一角度的幅度和相位关系，然后通过 射频软件模拟进行馈相和激励，实现了波束在空间的定向扫描。 关键词：有源相控阵 T/R 组件 数字移相器 数字衰减器 波束控制系统 Abstract Abstract
3、As the key part of T/R module in the active phased array, beam-steering system affects the performance of phased array radar directly. Thus digitalization and miniaturization of it calls more and more attention. This dissertation presents a design scheme for digital and miniatured beam-steering syst
4、em for active phased array. Beam scanning in space can be implemented by beam-steering system which consists of beam controlling processor、 attenuator、phase-shifter and power amplifier. As the kernel of transmit and receive module, beam controlling system plays the most important role in accomplishi
5、ng beam scanning. After analyzing the processing ability of microchip processor, AVR processor is chosen to serve as the controlling system. Then the controlling system is designed both in hardware and software. The controlling methods and the response time are analyzed for digital phase shifter and
6、 attenuator. The controlling system is fabricated and tested after the simulation of the phase shifter and attenuator circuit by HFSS. Finally phase shifting and amplitude attenuation are implemented under the control of the microchip. A compact microchip phased array is then designed. Phase and amp
7、litude of the feed are optimized by GA(genetic algorithm) to obtain the required beam. Commercial software HFSS is utilized to feed the optimized phased array. Finally Beam scanning is achieved by the microchip phased array with different optimized feed. Keywords: Active phased array T/R module Digi
8、tal phase-shifter Digital attenuator Beam-steering system 独创性（或创新性）声明独创性（或创新性）声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 日期： 关于论文使用授权的说明关于
9、论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 （保密的论文 在解密后遵守此规定） 本学位论文属于保密在 年解密后适用本授权书。 本人签名： 日期： 导师签名： 日期： 第一章 绪论 1 第一章 绪论 有源相控阵雷达（Active Phased Array Radar,APAR）是
10、集现代相控阵理论、超 大规模集成电路、高速计算机、先进固态器件及光电子技术为一体的高新技术产 物。它是将脉冲多普勒、单脉冲、脉冲压缩及捷变频等多种雷达体制集于一体的 一种新型雷达。该新型雷达充分展示出现代科技的发展水平，并以其显著的技术 特点及难以估量的潜在优势为现代雷达的发展开辟一种新的途径，成为现代雷达 发展的主流1。 1.1 有源相控阵雷达发展概况 20世纪50年代后， 军事力量的对抗使得高速飞行器的研制迈入飞速发展时期， 而正因为此，各个国家对雷达系统提出了更高要求：作用距离要远；天线波束的 扫描速度要快。对于第一个问题，一般来说只要加大天线面积和雷达系统的发射 功率即可解决，但对于第
11、二个问题，对于常规的机械扫描式雷达，已无法解决， 因此，人们提出了应用电扫描来代替常规的机械扫描，这也就标志着第二代雷达 系统相控阵雷达系统的诞生2。 所谓“有源” ，是指辐射的功率在辐射组件内产生，雷达发射的信号与接收目 标回波及其特性相匹配，实现发射与接收的一体化设计，它是指相控阵天线孔径 自身具有功率增益，而不仅是馈电网络的一个“窗口” 。在搜索和跟踪目标时，整 个天线系统固定不动，天线波束的指向通过控制阵列天线中各个单元的相位和幅 度得到，以使波束在一定的空域内按照一定的规律进行扫描。 有源相控阵雷达天线阵面的每一个天线单元通道中均含有有源电路，对收发 合一的相控阵雷达天线来说，则是T
12、/R组件，每一个T/R组件相当于一个普通雷达 的高频头，既有发射功率放大器，又有移相器、衰减器、波束控制电路等。由此 可见，一个二维相位扫描的有源相控阵雷达的设备量是相当大的，成本也相当可 观。尽管如此，在相控阵雷达发展过程中，最先研制成功并投入应用的却是有源 相控阵雷达，这就是 20 世纪 60 年代美国研制的用于空间目标监视、跟踪的大型 相控阵雷达AN/FPS-851。该相控阵雷达采用接收、发射分开的二维相位扫描相控 阵雷达平面天线，其发射天线阵中有 5184 个天线单元，5184 个用电真空器件（四 波管）实现的发射机，每一发射机的峰值功率高达 6.17Kw,平均功率为 77.8W。这
13、是因为该雷达要观察大批量的空间目标，雷达作用距离高达数千千米，只有用有 源相控阵发射天线方案，利用空间功率合成方式，方能实现雷达发射机总输出峰 有源相控阵波束控制系统的研究 2 值功率 32MW,平均功率高达 400kW的要求。 第一部实现二维相位扫描的固态相控阵雷达是美国为弹道导弹防御系统研制 的早期预警相控阵雷达 AN/FPS-115。该雷达以固态功率放大器作为发射机，天线 阵面采用密度加权方式，有源天线单元的总数为 1792 个，共有 1792 个固态 T/R 组件。20 世纪 80 年代初，中国南京电子技术研究所（NRI-ET）研制成功的第一 部一维相位扫描三坐标雷达 YLC-6 也是
14、固态有源相控阵雷达，它具有单脉冲测角 的能力。 为了进一步提高三坐标雷达的性能，二维相位扫描的三坐标雷达也陆续采用 了相控阵雷达天线与固态有源相控阵雷达天线的方案（如下图 1.1） 。这类雷达在 方位与仰角方向上均进行相位扫描，但天线还可同时进行机械转动。这大大提高 了三坐标雷达的数据率和改善了对多目标的跟踪性能，同时也克服了平面相控阵 雷达天线观察空域有限（如限制在）的缺点。例如，美国陆军已大批生产的 二维相位扫描相控阵雷达AN/TPQ-37，近年来也改为采用固态有源相控阵雷达天 线的方案，改称AN/TPQ-47；美国海军的“宙斯盾”系统中已大量生产、装备的 二维相位扫描相控阵雷达AN/SP
15、Y-1 也转为采用有源相控阵雷达的方案 60? 3。 图 1.1 固态有源相控阵雷达 目前，美国和欧洲一些国家研制的机载雷达、弹道导弹防御雷达及星载雷达 均采用固态有源相控阵雷达天线，其主要原因与有源相控阵雷达的特点或优点有 密切关系。 1.2 有源相控阵雷达特点 有源相控阵雷达特点主要包括以下 9 个方面3： 1） 可以获得很高的发射信号功率 有源相控阵雷达天线的每一个单元通道均设置有一台固态发射机，利用各天 线单元辐射相位上严格同步的信号在空间实现空间功率的合成，以此获得要求的 大功率信号，降低了对功率器件输出功率电平的依赖程度。 第一章 绪论 3 2） 降低了发射馈线的损耗和耐功率要求
16、无源相控阵雷达若要提高发射功率，必须首先提高集中式发射机的发射功率， 然后经过一系列的高功率收发开关、功率分配器、移相器以及其他传输线环节， 以上各个部分对损耗的功率要求都很高。而采用有源相控阵雷达天线后，每个单 元通道上发射机的输出信号直接传送到天线单元向空间辐射，有源相控阵天线将 射频（RF）损耗减少了 5-8dB，从而降低了发射馈线的损耗和对各个部件耐功率 的要求。 3） 简化了复杂的系统设计 采用有源相控阵雷达天线，标准化、模块化的设计流程代替了以往复杂的射 频传输线设计方法，不仅提高了设计效率，而且最重要的是方便了批量生产、测 试和降低成本。以美国的 AN/FPS-115 全固态大型有源相控阵雷达为例，该雷达采 用收发合一的天线方案，整个雷达天线阵分成 56 个子天线阵，其 56 个子天线阵 内的功率分配网络及所有 T/R 组件都是一致的。发射机激励级、子天线阵驱动级 和 T/R 组件中的高功率放大器的输出功率均是同等量级，为 300W 左右，因此标 准化、模块化设
