先进雷达的四项颠覆性基础技术

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转自：蓝海星智库（SICC_LHX）

作者：张旭

第五代战机卓越的隐身性能使防空探测难度越来越大。主要国家都在积极研发电子战技术，希望能够控制频谱。电磁频谱作战域的角逐日益激烈，电子对抗技术变得越来越复杂。与此同时，电磁频谱的商业应用呈指数级增长，如移动运营商推出5G通信、汽车制造商推出V2X通信、物联网推动各类设备增加无线连接能力等。

这种发展态势对情报监视侦察（ISR）系统的设计与测试提出新的挑战，工程师必须使用更少成本和时间开发更复杂的系统。值得庆幸的是，支撑这些复杂系统的基础技术也在不断发展。作为雷达设计和测试设备供应商，美国国家仪器公司（NI）认为，以下四项新兴技术将在未来几年对雷达技术产生颠覆性影响。

一、基于氮化镓半导体的前端组件

氮化镓（GaN）半导体被很多人认为是自硅以来最大的半导体创新，其工作电压比传统半导体材料高很多。工作电压高意味着工作效率更高，因此基于GaN材料的射频功率放大器和衰减器会浪费更少功率并产生更少热量。目前，越来越多GaN射频元件供应商进入市场，扩大了GaN放大器的使用规模。

这项技术对有源相控阵（AESA）雷达系统的发展具有重要意义。AESA阵列通常包含数百到数千个阵元，每个阵元都有各自的相位/增益控制单元，通过发射阵列和接收阵列的相位控制，可在不移动天线的情况下调整波束指向。AESA雷达系统越来越受青睐，因为这种雷达比传统雷达的发射功率和空间分辨率更高、鲁棒性更强。例如，某个阵元发生故障，雷达可以继续工作。在输出功率相当的情况下，使用GaN放大器可减小AESA雷达的尺寸，并降低散热需求。

图1 AESA雷达架构示意图

随着GaN技术的应用规模不断扩大，相关装备的性能也会越来越高，相关元件级测试和系统级测试也越来越重要。传统元件测试方法采用矢量网络分析仪，可准确获得前向/反射增益和相位的窄带视图。然而，这种常见方法中使用的连续波（CW）激励不能准确反映实际使用时的信号环境。相反，可利用矢量信号分析仪和矢量信号发生器的宽带灵活性，构建更能体现真实应用环境的脉冲和调制激励。将其与S参数分析方法结合是未来元件级测试方法的发展方向。

二、基于高速数据转换器的发射/接收技术

转换技术每年都会取得突破。目前，主要半导体公司的模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）的采样速率都比前几年的同类产品高数个量级。这些高速ADC可使雷达具备更高的动态范围和更宽的瞬时带宽。动态范围是限制最大工作距离的关键因素。例如，它可使F-35等第五代战机能在更远距离识别目标。更宽的瞬时带宽带来以下几个好处：一是通过脉冲压缩提高空间分辨率，使低截获概率（LPI）雷达等先进雷达的实现成为可能；二是可为单个信号链分配多个功能，促进传感数据融合，如宽带传感器可在多个频段同时生成多种波形，分别用于通信系统和雷达系统。

此外，许多半导体公司相继推出“直接射频采样转换器”产品，如美国德州仪器公司的ADC12DJ3200，采样速率高达6.4GSPS。12位射频采样转换器以这种采样速率，可直接转换C波段射频输入信号，无需上变频或下变频。随着转换器的不断发展，未来C波段雷达和X波段雷达均将受益于直接射频采样。

图2 差频/直接射频采样架构

直接射频采样架构将彻底改变AESA雷达。在有源阵列中，每个阵元都需要自己的ADC和DAC。这意味着如果ADC和DAC的采样速率无法直接满足雷达工作频率的要求，每个发射/接收模块（TRM）都需增加上变频/下变频过程。这会导致设计成本增加、阵列尺寸增大、性能不稳定性提高。但采用直接射频采样架构无需混频器和本地振荡器（LO），可简化射频前端架构，从而降低成本、减小阵列尺寸和设计复杂度。相同大小的发射/接收阵列，直接射频采样架构可显著增加信道密度，降低每个信道的成本。

由于仪器仪表采用模块化设计，美国国家仪器公司可快速向市场提供最新的转换器件。例如，最新的FlexRIO收发器使用直接射频采样转换器，最高采样速率可达6.4GSPS，可帮助研发人员开发尖端雷达测试平台、快速研发具备真实输入/输出的系统样机。这些设备还可利用PXI的先进时钟同步背板，使整个系统的数十到数百个通道保持相位一致。

三、基于先进现场可编程门阵列的认知技术

现场可编程门阵列（FPGA）技术也在不断进步。现代FPGA包含更多的逻辑门，单位功率具备更强大的计算能力，可支持高速数据流，采用特殊设计的知识产权（IP）模块，最高可支持150Gbps的数据流。现在FPGA计算能力的提高使五年前根本无法实现的技术成为可能。

图3 认知雷达中基于FPGA的机器学习技术

机器学习技术在认知雷达中的应用就是其中之一。该技术使雷达对环境的响应更灵敏，从而提供了更可操作的洞察力。机器学习没有预先编程好的工作模式，如搜索模式、跟踪模式等，可使雷达自动调整为最佳工作参数，包括工作频率和波形等。机器学习还可解锁自动目标识别（ATR）等功能。

航空航天和国防领域应用FPGA技术已经很多年，FPGA设计工具也在不断发展。高级设计工具可简化基于主机的FPGA迁移算法，并在设计中集成低级HDL，从而提高开发效率。LabVIEW FPGA的软硬件高度集成，可直接使用抽象的基础模型，如PCI Express、JESD204B、内存控制器和时钟等。这将把FPGA的开发重点从板卡设计转移到算法设计上，从而在不牺牲性能的前提下减少开发工作。更抽象的FPGA工具将大幅缩短开发周期，甚至可用由没有VHDL或Verilog设计经验的软件工程师或科学家，或者时间紧迫的硬件工程师使用。

四、基于高带宽数据总线的传感器数据融合技术

另一个发展趋势是数据总线带宽越来越高，如PCI Express Gen 3、40/100GbE、光纤信道和Xilinx Aurora，使将高带宽传感器数据集中到中央处理器进行计算成为可能。例如，F-35的核心处理器集中、综合处理来自多个传感器的数据，为飞行员提供更好的态势感知能力。实现这一功能的关键是高速串行收发技术（也称为多路千兆位收发器，MGT）的发展。近几年，该技术发展迅速，目前线路速率最高可达32Gbps/路；采用PAM4信号体制，支持56Gbps速率的收发器也即将问世。FPGA主要用于数据处理，但也会包含一些最先进的MGT，使其成为传感器开发的理想对象。

图4 使用高速数据总线集中处理多源数据副本

使用模块化仪器仪表的好处是系统可以跟随处理能力和带宽的快速增长而轻松升级。PXI平台特别适用于需要高带宽数据流和时钟同步的系统。

 结  语

随着这些基础技术的快速发展，雷达技术与架构的复杂性和性能都在不断提高，系统开发也必须与时俱进。开发完全定制化的雷达原型和测试系统软硬件似乎是实现所需性能的唯一选择。然而，这些解决方案仍需要长期的维护和随机成本。

FPGA的出现及模块化转换器和流技术的迅速应用，使商用现货解决方案不仅能满足特定需求，还能提供足够的灵活性，确保系统拥有更长的使用寿命。通过模块化设计和使用商用现成器件，可快速集成这些技术成果，满足先进雷达系统不断发展的需求，同时满足严格的时间和经费预算限制。

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