引言

相控陣雷達主要是采用相控陣天線的雷達，相控陣天線由多個天線單元組成，通過改變每一個天線單元通道傳輸信號的相位與幅度，改變相控陣列天線口徑照射函數，可以實現天線波束的快速掃描與形狀變化[1]。相控陣雷達主要由相控陣天線陣列、饋電網絡、波束掃描控制系統（以下簡稱“波控系統”）、發射/接收機和雷達信號處理機等部分組成。其中，無源相控陣雷達是將能量進行集中發射和接收，通過功分網絡將能量分配到每一個天線單元，并通過波束控制系統和移相器等實現波束的快速掃描、波束指向和形狀變化。

平面相控陣天線波束和柵瓣產生條件與天線單元的排布方式有關，其排列方式主要有兩種：矩形排列與三角形排列[1]。相對矩形排列，三角形排列的優勢是更高的陣元密度與空間利用率，可在相同面積內容納更多陣元，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。但是三角排布的缺點也較為明顯，首先，三角排布這類非矩形排布需要精確控制陣元位置，這增加了設計和制造的復雜度，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處理算法的復雜度，由于傳統的FFT波速形成算法依賴于矩形排布的假設，三角排布依賴于非均勻FFT或者迭代優化方法，使信號處理的計算量大大增加；另外，由于相鄰陣元間距在不同方向上不一致，由此可能帶來互耦特性的復雜化。因此，在相控陣天線整體設計時，需要權衡性能、成本和復雜度等約束條件來選擇陣元排布方式：矩形排布更加適合線性掃描或資源受限的系統；三角排布更適合對柵瓣抑制、寬角掃描、高增益等要求嚴格的場景，但需接受設計復雜度和計算成本的增加。

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的關聯。天線波束掃描控制主要通過動態調整陣列單元的相位和幅度，實現天線波束的快速掃描、多目標跟蹤以及抗干擾功能。在波束控制系統的構建形式上，從單片機、FPGA、DSP運算單元到“FPGA+ARM”“FPGA+DSP”“FPGA+嵌入式內核”等再到基于ASIC、SoC的整體架構設計，每種構建形式的實現過程差異較大[2]。2021年，高嵩等[3]以8×8矩形相控陣天線為控制對象，給出了該排布下波控算法的數學模型并針對該模型提出了一種優化時延性能的方法；2022年，張業斌等[4]提出了一種對均勻分布的二維平面相控陣在應對多任務多場景時采用的陣列波控碼切割和陣列單元分別布控的算法，通過FPGA并行控制的特點對子陣列進行切換控制；虞伶俐等[5]針對波束控制碼計算問題上，提出一種單波束內基于截斷歸一化的流水線計算、多波束并行計算的方法，通過FPGA內部“面積換速度”的方式，不僅提高了運算速度同時提高了天線單元的整體集成度；其中對波控碼和控制字的配相值的計算包含有較復雜的算法。

從實時性以及算法復雜度上考慮，為了優化計算復雜度和量化誤差，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的不同實現架構。常見的實現架構包括硬件方式，即利用查找表預存常用角度的相位補償表等，或者采用CORDEIC算法構建集中式運算方法；以及采用軟件方式，即通過嵌入式處理器通過軟件方式計算波控碼，或者采用更加復雜的分布式計算方法等[6]。文獻[7-8]給出了基于查找表方式并利用FPGA芯片內部豐富的存儲器資源、乘法器和加法器資源實現了二維相控陣天線的配相算法。

本文主要探討平面相控陣雷達天線波束控制算法的原理和相位補償等關鍵數學模型，以及給出在滿足符合ARINC-781指標性能的前提下，L頻段2×6型三角柵格排布海事衛通天線波束控制系統的研制方法，涉及天線陣列與饋電網絡設計部分只給出結論不做深入分析。

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作者信息：

徐波，石中立

（中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036）