引言
相控阵雷达主要是采用相控阵天线的雷达，相控阵天线由多个天线单元组成，通过改变每一个天线单元通道传输信号的相位与幅度，改变相控阵列天线口径照射函数，可以实现天线波束的快速扫描与形状变化[1]。相控阵雷达主要由相控阵天线阵列、馈电网络、波束扫描控制系统（以下简称“波控系统”）、发射/接收机和雷达信号处理机等部分组成。其中，无源相控阵雷达是将能量进行集中发射和接收，通过功分网络将能量分配到每一个天线单元，并通过波束控制系统和移相器等实现波束的快速扫描、波束指向和形状变化。
平面相控阵天线波束和栅瓣产生条件与天线单元的排布方式有关，其排列方式主要有两种：矩形排列与三角形排列[1]。相对矩形排列，三角形排列的优势是更高的阵元密度与空间利用率，可在相同面积内容纳更多阵元，提高阵列孔径效率，抑制栅瓣效果明显，三角排布还可以提供更加均匀的波束宽度和旁瓣分布，抗干扰能力强。但是三角排布的缺点也较为明显，首先，三角排布这类非矩形排布需要精确控制阵元位置，这增加了设计和制造的复杂度，加工难度的增加还可能引入额外损耗。其次，这种排布也增加了信号处理算法的复杂度，由于传统的FFT波速形成算法依赖于矩形排布的假设，三角排布依赖于非均匀FFT或者迭代优化方法，使信号处理的计算量大大增加；另外，由于相邻阵元间距在不同方向上不一致，由此可能带来互耦特性的复杂化。因此，在相控阵天线整体设计时，需要权衡性能、成本和复杂度等约束条件来选择阵元排布方式：矩形排布更加适合线性扫描或资源受限的系统；三角排布更适合对栅瓣抑制、宽角扫描、高增益等要求严格的场景，但需接受设计复杂度和计算成本的增加。
天线波束扫描控制作为相控阵天线的核心功能，与天线阵元的排布方式等有较强的关联。天线波束扫描控制主要通过动态调整阵列单元的相位和幅度，实现天线波束的快速扫描、多目标跟踪以及抗干扰功能。在波束控制系统的构建形式上，从单片机、FPGA、DSP运算单元到“FPGA+ARM”“FPGA+DSP”“FPGA+嵌入式内核”等再到基于ASIC、SoC的整体架构设计，每种构建形式的实现过程差异较大[2]。2021年，高嵩等[3]以8×8矩形相控阵天线为控制对象，给出了该排布下波控算法的数学模型并针对该模型提出了一种优化时延性能的方法；2022年，张业斌等[4]提出了一种对均匀分布的二维平面相控阵在应对多任务多场景时采用的阵列波控码切割和阵列单元分别布控的算法，通过FPGA并行控制的特点对子阵列进行切换控制；虞伶俐等[5]针对波束控制码计算问题上，提出一种单波束内基于截断归一化的流水线计算、多波束并行计算的方法，通过FPGA内部“面积换速度”的方式，不仅提高了运算速度同时提高了天线单元的整体集成度；其中对波控码和控制字的配相值的计算包含有较复杂的算法。
从实时性以及算法复杂度上考虑，为了优化计算复杂度和量化误差，波束扫描控制算法在FPGA/DSP资源的适配性上也代表了天线系统的不同实现架构。常见的实现架构包括硬件方式，即利用查找表预存常用角度的相位补偿表等，或者采用CORDEIC算法构建集中式运算方法；以及采用软件方式，即通过嵌入式处理器通过软件方式计算波控码，或者采用更加复杂的分布式计算方法等[6]。文献[7-8]给出了基于查找表方式并利用FPGA芯片内部丰富的存储器资源、乘法器和加法器资源实现了二维相控阵天线的配相算法。
本文主要探讨平面相控阵雷达天线波束控制算法的原理和相位补偿等关键数学模型，以及给出在满足符合ARINC-781指标性能的前提下，L频段2×6型三角栅格排布海事卫通天线波束控制系统的研制方法，涉及天线阵列与馈电网络设计部分只给出结论不做深入分析。
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作者信息：
徐波，石中立
（中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036）
