Как собрать собственный фазированный радар на 10 ГГц

Когда мы говорим о радарах с фазированной антенной решеткой, в голове обычно всплывают военные истребители, корабельные системы ПВО или закрытые лаборатории с бюджетами в миллионы долларов. Долгое время эта область оставалась вещью в себе: закрытые патенты, недоступные микросхемы и заоблачные цены.

Инженер Новфал Мотии (Nawfal Motii) из Марокко выложил в открытый доступ проект AERIS-10 (PLFM_RADAR). Это полностью открытый радар диапазона 10.5 ГГц с импульсно-линейной частотной модуляцией (LFM) и электронным управлением лучом. Проект мгновенно разлетелся по инженерным сообществам и собрал более 24 тысяч звезд на GitHub. Давайте разберем, как устроено это железо, что там внутри и реально ли повторить такую конструкцию в обычной лаборатории.

Что умеет эта железка

В репозитории представлены две версии радара, которые отличаются дальностью действия и конструкцией антенн:

• Версия Nexus (AERIS-10N) работает на дистанциях до 3 км. В ней используется печатная патч-антенная решетка 8x16. Выходная мощность составляет порядка 1 Вт на канал (всего 16 каналов).
• Версия Extended (AERIS-10E) рассчитана на дальность до 20 км. Тут уже установлена щелевая волноводная решетка 32x16 с диэлектрическим заполнением и внешние GaN-усилители QPA2962 по 10 Вт на канал.

Обе модификации поддерживают электронное сканирование лучом в секторе ±45° по азимуту и углу места. Для кругового обзора на 360° вся конструкция вращается шаговым двигателем через скользящий контакт (slip-ring).

Радар не просто фиксирует отраженный сигнал, а выполняет полную цифровую обработку: сжатие импульсов, доплеровскую фильтрацию для измерения скорости целей, селекцию движущихся целей (MTI) и адаптивное обнаружение CFAR.

Из чего собран радар

Архитектура системы разделена на несколько специализированных модулей. Если вы когда-нибудь разводили СВЧ-платы, то знаете, насколько сложно совместить шумную цифровую часть с чувствительным радиоприемником на 10 ГГц на одном куске текстолита. Автор поступил логично и разнес узлы по отдельным платам.

Плата питания и синтезатор частот

Управление питанием контролирует микроконтроллер. СВЧ-усилители на основе нитрида галлия (GaN) требуют строгой последовательности подачи напряжений на затвор и сток: если нарушить порядок подачи смещения хотя бы на долю секунды, дорогой чип моментально сгорит.

Для тактирования всей системы используется генератор AD9523-1 с ультранизким джиттером. Он синхронизирует синтезаторы частот ADF4382 для трактов приема и передачи, тактовые входы ЦАП, АЦП и плисины (FPGA). Фазовый шум здесь критичен, иначе радар ослепнет от собственных шумов на ближних дистанциях.

Основная плата и СВЧ-тракт

На материнской плате сосредоточена вся магия формирования и приема сигналов:

• ЦАП формирует ЛЧМ-импульсы (чирпы).
• Смесители LTC5552 переносят сигнал вверх на 10.5 ГГц при передаче и опускают на промежуточную частоту при приеме.
• Четыре микросхемы ADAR1000 (4-канальные фазовращатели от Analog Devices) отвечают за фазирование 16 независимых каналов. Именно они отклоняют луч в пространстве без механического поворота антенны.
• 16 чипов ADTR1107 работают как фронтенд, объединяя малошумящий усилитель приемника и предварительный усилитель передатчика со встроенными антенными переключателями.

Управляет всей низкоуровневой обвязкой микроконтроллер STM32F746. Он опрашивает датчики тока смещения усилителей (через связку шунтов и АЦП ADS7830), подстраивает смещение затворов через ЦАП DAC5578, считывает температуру с восьми терморезисторов, управляет вентиляторами охлаждения и собирает телеметрию с GPS-модуля UM982 и гироскопа GY-85.

Обработка сигналов на FPGA

Цифровая обработка возложена на чип Xilinx Artix-7 (XC7A50T). На входе FPGA принимает оцифрованный квадратурный сигнал с АЦП, после чего запускается вычислительный конвейер:

1. Квадратурный перенос в базовую полосу (I/Q down-conversion).
2. Децимация и фильтрация входного потока с помощью каскада CIC и FIR фильтров.
3. Согласованная фильтрация во временной или частотной области (сжатие импульса для повышения разрешающей способности по дальности).
4. Быстрое преобразование Фурье (FFT) по пачке импульсов для выделения доплеровского сдвига частоты.
5. Алгоритмы селекции движущихся целей (MTI) и алгоритм постоянного уровня ложных тревог (CFAR), который отделяет реальные объекты от шумов фона и помех от земли.

Все данные после первичной фильтрации летят по USB на управляющий компьютер. Для визуализации автор написал приложение на Python (PyQt6), которое накладывает обнаруженные цели на карту в реальном времени с учетом данных собственного компаса и GPS.

Лицензия и юридические тонкости

Автор проекта подошел к вопросу лицензирования грамотно. Часто разработчики вешают обычный MIT на аппаратные проекты, но MIT не учитывает специфику физических устройств, патенты на топологию и ответственность за силовую электронику.

Схемотехника, разводка печатных плат, Gerber-файлы и механические чертежи защищены лицензией CERN Open Hardware Licence Version 2 Permissive (CERN-OHL-P). Исходный код прошивок для STM32, Verilog-код для FPGA и софт верхнего уровня распространяются под лицензией MIT.

Реально ли собрать проект самому

Честно говоря, это проект не для новичков с паяльником. Чтобы повторить AERIS-10, вам понадобятся:

• Опыт заказа и монтажа многослойных СВЧ-плат на специализированных высокочастотных подложках (обычный текстолит FR-4 на частоте 10.5 ГГц работать не будет из-за огромных диэлектрических потерь).
• Оборудование для пайки BGA и QFN компонентов без выводов.
• Измерительные приборы хотя бы начального уровня: генератор сигналов, анализатор спектра или векторный анализатор цепей (VNA) до 12 ГГц для проверки согласования антенн и фильтров.
• Среда Xilinx Vivado для сборки прошивки плисины.

Себестоимость компонентов даже для младшей версии выйдет в круглую сумму, одни только микросхемы от Analog Devices и GaN-транзисторы стоят ощутимых денег.

Однако ценность проекта даже не в том, чтобы каждый собрал себе радар в гараже. Это готовый учебник по современной радиолокации. В репозитории лежат детальные схемы, отчеты о моделировании, скрипты автоматизации и готовые блоки цифровой обработки сигналов. Если вы делаете беспилотники, исследуете радиоэлектронику или пишете софт для SDR, изучение исходников AERIS-10 сэкономит месяцы чтения закрытых справочников.

Исходный код прошивок, схемы плат и документация доступны в репозитории автора на GitHub. Если проект показался вам любопытным, не забудьте поставить звезду автору.