1引言

1.1概述

由于精确制导武器在现代战争中的大量使用及其所取得的战果，使得依赖于导引头的制导技术不断发展，未来战争也就是各种高技术精确制导武器的激烈较量。传统的导引头实验方法存在很多缺点，如：试验周期较长、试验费用高、保密性不高、受气候环境等因素的影响大，已经不能满足现代导引头设备研制需求。采用雷达天线阵列的射频仿真系统，在现代雷达系统的研制过程中得到广泛应用。

雷达天线阵列控制系统可模拟产生逼真的目标信号以及干扰信号，于是雷达天线阵列控制系统成为射频仿真系统的重要组成部分。它运用相关理论、信息技术以及领域的专业技术等，通过系统模型模拟实际系统进行动态研究，是一门综合性的学科二。在射频仿真系统中，采用大规模雷达天线阵列模拟场外实验的目标信号，在三轴转台上的导引头对射频信号进行釆集分析。由于射频仿真系统有实物参与实验，故又称为半实物仿真系统。

以雷达天线阵列为基础的射频仿真在现代导引头生产制造过程中起着很重要的作用，有以下几个原因

（1）可大量节省研制经费

导引头及其控制系统，特别是精确制导导引头的研制具有很高的技术风险，因为面对目标环境复杂而多变，同事对精度及抗干扰性要求高。射频仿真实验室的“逼真、高效、经济的特点，是精确制导导引头研制过程中最理想的实验和测试手段。国内外大量的实践表明。应用雷达天线阵列模拟实物信号，进行射频仿真，可以大量节省场外实验的数量，从而可以大量节省人力、物力和财力。

（2）可有效回避技术风险，大大缩短研制周期

导引头以及导弹控制系统，特别是毫米波精确制导导引头，如果只能通过外场试验来检验技术方案的正确性以及产品的性能，必然会带来很大的风险。因为外场试验的组织及试验条件的准备都很费时，不可能及时暴露潜在的技术问题。此外，外场实验的目标及环境条件往往很难严格控制，实验条件难以重复，因此一旦出现问题，很难查找原因，使设计者进退维谷。然而，上述问题通过室内的大规模雷达阵列控制系统，进行射频仿真来解决便是轻而易举。国内外大量事实证明，射频仿真对于回避技术风险，缩短研制周期的功效特别显著。

1.2国内外研究现状

国外的仿真试验室发展较快，技术也比较成熟，比如从上世纪90年代幵始，红石兵工厂的美国导弹司令部，就建设成毫米波红外两种模式制导的半实物仿真系统，暗室尺寸：长8550mm*宽1038mm*高1038mm。

美国的The Johns Hopkins大学的射频和红外双模制导仿真系统总体由位于暗室内的射频线阵、红外仿真系统、暗室外的转台组成。红外模式导引头位于其射频导引头的下半部分，该系统分为暗室内以及暗室外两个部分，暗室外又包含个通道，产生目标和背景，经组合后从暗室转台下锗窗进入暗室内，再从转台下面，经反射进入红外导引头视场。射频线阵一共包含了84个天线，安装在一个面半径达6.1米的圆柱墙上，导引头则安装在圆心处，暗室的宽度可达到了±30°的范围。导引头装在转台上，可进行一维方向的运动。

具有代表性的美国波音公司在上世纪九十年代建设了八毫米导引头仿真实验室，本世纪初建设了三毫米导引头仿真实验室以及毫米波红外复合制导实验室，在该试验室里完成了“长弓”等系列毫米波制导的仿真试验。

我国毫米波仿真技术起步较晚，相对来讲厘米波仿真技术比较成熟，北京仿真中心、海鹰仿真中心、空空导弹研究院、航天八院等传统的导弹研制单位都建立了厘米波导引头仿真试验室，并在导弹研制过程中发挥了重要作用；近年来607所、611所、601所等也分别建设了厘米波机载雷达仿真实验室，这些暗室的投入使用，为产品的研制、开发、测试带来了便利，缩减了研发的周期，同时减少了外场试验次数，节约了大量人力和物力。

随着越来越多的毫米波导引头研制的需要，在国内也幵展了毫米波仿真技术研究，建设毫米波仿真实验室已逐步成为毫米波制导武器的重要研制、生产手段。

2大规模雷达天线阵列控制系统整体设计

本文内容根据国内某所微波暗室进行设计。此暗室具有一个雷达天线阵列的球面结构，包括目标阵列天线和干扰阵列天线两种，可用来福射不同特性的信号。其中目标阵列天线又分为厘米波天线和毫米波天线。为了仿真空间的多目标回波信号，在相同视场角的条件下，为提高控制系统的实时性，采用三元组天线作为阵列面的基本单元。阵列天线经过微波毫米波馈电系统传输，从模拟器中获取具有幅度、相位以及频率等特性的目标射频信号或杂波背景。

2.1三元组天线简介

在现代射频仿真系统中，一般雷达天线阵面都釆用三元组作为系统基本单元。三元组天线即在任意时刻，对于每一个点目标，只有三个相邻的，构成等边三角形工作的三个天线单元。对三元组基本单元的控制成为整个仿真系统的核心。

现代射频仿真系统中，常用的三元组天线控制方案，是由美国波音公司再上世纪七十年代所提出的“幅度重心公式”，一直沿用到现在。由于受到当时计算机水平的限制，同时又必须满足严格的实时性要求，对控制方程进行了较大的简化处理，三元组天线控制理论中，假设天线单元的相位一致，即在每一个福射单元的后面增加一个移相器。天线馈电链路通道控制如下图所示:

三元组天线等效福射示意图是从二元组等效演变得到的，上图可以看做是A、B单元的等效辖射点BO与C单元等效合成得到的。图中O点即为A，B，C点的等效福射重心。

在雷达原理中，雷达与其跟踪的目标物相距较远时，雷达将其作为点目标处理，而相对距离较近时，作为体目标。雷达对目标的跟踪，实际上是对目标物等效福射中心的跟踪。雷达天线的电磁轴线此时与其相位波阵面（波前）法线的方向一致。当知道空间中任意点信号合成相位的表达式，可以根据雷达方程求得电磁波的相位波阵面。空间任意点的信号是通过三元组进行模拟的，虽然知道了三元组天线阵列的等效重心定性分析，但是要精确控制三元组天线，就需要知道三元组天线的详细工作原理。

2.2雷达天线阵列的组成

本文是以国内某所正在建设的亚洲最大的微波暗室为基础进行的研究。微波暗室的雷达天线阵列分为目标阵列和干扰阵列，其中目标阵列又分为厘米波阵列和毫米波阵列。该阵列可以模拟4个目标，故分为4个通道。釆用三元组模拟目标信号，分别用A、B、C来表示。

微波单元中A支路共有253个喇叭天线，B、C支路一共有256个天线。对每个支路天线的控制釆用区域分配的方式：

天线的控制釆用区域分配的方式：

限：整个阵列分为4个大的象限，每一个象限，B、C分别布置64个喇叭；

小区：每个象限分为4个小区，每一个小区，B、C支路分别布置16个喇叭；

小组：1个小组包括16个喇叭，

喇叭：每4个喇叭由一个SP4T开关控制。

在设计中，由于A支路只有253个喇叭天线，但是依然按照256个单元进行处理。微波天线阵列分布如下：

3阵列控制软件设计......32

3.1阵列控制指令数据帧详细说明.....33

3.1.1数据帧种类及格式.......33

3.1.2数据中贞传输实时性分析.........36

4硬件实现.......50

4.1阵列控制板详细设计.....51

5接口逻辑详细说明........53

5.1RS485差分传输机箱接口逻辑......53

5接口逻辑详细说明

阵列控制接口逻辑主要包括RS485差分机箱接口逻辑和TTL机箱接口逻辑两部分。均采用自定义CST时序进行数据传输。下面分别介绍其逻辑。

5.1RS485差分传输机箱接口逻辑

5.1.1功能描述

RS485差分机箱用于连接通用控制板和TTL机箱，完成指令的分发和数据的回传。

阵列馈电控制系统中，一共有三个RS485差分机箱，分别编号为差分发送单元#1，差分发送单元#2以及差分发送单元#3。3个差分收发单元之间形成主从的拓扑关系，差分发送单元1#通过RS485_Slave接口与通用控制板进行通信，将接收到的控制指令广播给10个RS485_Master接口，其中2个RS485_Master接口分别与差分发送单元2#和差分发送单元#3相连，其余8个接口，以及差分机箱2#和差分机箱3#的RS485_Master接口，均与TTL机箱相连接。

5.1.2系统框图

结论

以大规模雷达天线阵列为基础的射频仿真实验技术，以其逼真的信号模拟、经济性、方便灵活性、场景可再生性等诸多优点，在现代机载、舰载雷达的研制过程中得到广泛应用。场景的生成是以雷达天线阵列控制为基础的，影响到整个仿真系统的精确度。特别是对于高精度雷达系统的研制更是如此。现代战争是以精确制导武器为主导的，而精确制导武器的关键就在于雷达系统的研制。因此大规模雷达天线阵列的控制显得尤为关键，可以大大缩短导引头的研发周期，减少场外试验次数，并为场外试验提供可靠的试验数据。

本文以国内某所正在建设的微波毫米波混合射频仿真暗室为基础，设计研究其雷达天线控制系统，并为其提供参考。传统的方法对于该所如此大规模的雷达阵列已经不适用了，随着集成电路技术的不断发展，现场可编程门阵列FPGA在控制系统中的运用也越来越广泛。本文就是使用Xilinx公司的V4系列FPGA作为面阵列天线的主控芯片，以windows系统为软件平台，给出了大规模雷达天线阵列控制系统的详细设计，完成对目标通道、干扰通道和开关矩阵的控制，通过粗位控制和精位控制完成对目标的模拟仿真。软件基于windows平台开发。目前该系统已经运用在了该所微波毫米波暗室中。辅助该所进行雷达系统设计。

参考文献（略）