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基于FPGA的相控阵天线波束控制算法优化研究

2021年电子技术应用第9期

高嵩，胥剑涛

成都理工大学信息科学与技术学院(网络安全学院、牛津布鲁克斯学院)，四川成都610059

摘要： 目前FPGA是开发波束控制系统的首选控制芯片，但FPGA在计算浮点数据时存在耗时长并且资源占用大的问题，对波束控制算法的实现存在一定限制。基于此提出一种查表与FPGA计算相结合的优化型波束控制算法，以8×8矩形相控阵天线为控制对象，详细介绍了该优化型算法以及FPGA算法模块的逻辑设计，优化型算法降低FPGA资源占用率，节约系统功耗的同时又规避了FPGA难以计算三角函数的问题，最后基于Vivado/Xsim搭建仿真平台，仿真与测试结果证明了该方案的正确性和高效性。

關鍵詞： FPGA 波束控制系统波束控制算法相控阵天线三角函数

中圖分類號： TN958.92
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.211372
中文引用格式： 高嵩，胥劍濤. 基于FPGA的相控陣天線波束控制算法優化研究[J].電子技術應用，2021，47(9)：82-85，95.
英文引用格式： Gao Song，Xu Jiantao. Optimization of phased array antenna beam control algorithm based on FPGA[J]. Application of Electronic Technique，2021，47(9)：82-85，95.

Optimization of phased array antenna beam control algorithm based on FPGA

Gao Song，Xu Jiantao

School of Information Science and Technology(School of Cyber Security，Oxford Brookes College)，Chengdu University of Technology， Chengdu 610059，China

Abstract： At present, FPGA is the preferred control chip in the development of beam control system, but FPGA has the problems of long time consuming and large resource occupation in computing floating-point data, which limits the implementation of beam control algorithm. Based on this, this paper proposes an optimized beam control algorithm which combines look-up table and FPGA calculation. Taking 8×8 rectangular phased array antenna as the control object, the optimization algorithm is introduced in detail. Finally, a simulation platform is built based on Vivado/Xsim. The simulation and test results prove the correctness and efficiency of the scheme.

Key words : FPGA；beam control system；beam control algorithm；phased array antenna；trigonometric function

0 引言

相控陣天線是相控陣雷達的重要組成部分，其天線陣面上排列著許多天線陣元^[1]。每一個天線陣元后都配置有移相器來改變陣元通道間的相位關系。在波束控制(下稱“波控”)系統的控制下，改變天線陣元通道之間的幅度和相位關系可以快速地改變天線波束的形狀以及波束的指向^[2]，波控系統的優良與否是衡量相控陣性能的重要標準之一^[3-4]。

對于要求安全快速布相的產品來說，能夠快速并行運算的FPGA芯片是設計波控系統最好的選擇^[5]。但FPGA存在難以實現浮點運算的問題^[6]，對于波控算法中三角函數的計算很不方便，現FPGA實現波控算法的方式通常有兩種：一是通過調用IP core CORDIC計算的方法；二是通過查表的方法。以上兩種方法中，方法一在FPGA中實現比較困難，在調用CORDIC運算前，需要先將輸入角度轉換為16 bit量化的相位值，且相位值需滿足?茲∈[-π，π]，并且輸出值的小數也難以直接代入公式計算，這種方法不僅浪費資源而且耗時長。而單一的查表法雖然結構簡單，工作穩定，波束形成快速，但如若陣元數目過多或指向角精度要求過高，需要存儲的碼值太多，數據量太大，也難以實現在大型陣列高指向精度的場合^[7]。張延曹等人使用直接查表法實現了對16通道相控陣天線系統的控制^[8]。但單一的查表法只對這種陣元數目少，指向精度不高的場合適用^[9]。隨后郭立俊提出了一種查表法與實時計算相結合的方法，這種方法雖然規避了FPGA難以實現浮點運算的缺陷，但在設計中生成了多個ROM表，增加了FPGA資源占用率的同時也增加了系統功耗。航空航天產品對設備功耗要求很嚴格，增加設備的功耗等于降低了設備有效作戰時間^[10]。

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作者信息：

高嵩，胥劍濤

(成都理工大學信息科學與技術學院(網絡安全學院、牛津布魯克斯學院)，四川成都610059)

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