某一特定頻段的雷達通常具有不同于其他頻段雷達的性能、特點和應用場合。例如，眾所周知，穿透能力基本取決于微波頻率[1]。通常，穿透距離與微波頻率成反比。頻率越高，穿透深度越低。此外，地形特征會影響穿透能力，濕度對微波穿透起屏蔽的作用[2]。P波段和L波段雷達系統的新興軍事和民用應用包括探測被樹葉和/或偽裝隱藏的目標、探測掩埋的物體、林業應用、生物量測量、考古和地質勘探。

在另一方面，在更高的頻率，例如X、Ku和Ka波段，雷達更容易實現精確的距離和位置測量，因為它們具有更寬的帶寬（其決定了距離精度和距離分辨率）和對于特定尺寸的物理天線的更窄的波束天線（其決定了角度精度和角度分辨率）[3]?？紤]到以上幾點，單一的多波段SAR系統在操作靈活性和不同應用以及最終用戶的觀測能力方面的優點是顯而易見的。

核心技術：DAC和ADC

具有超寬模擬帶寬的高采樣率DAC和ADC是實現全數字多波段SAR系統的關鍵技術。

特別是，雙通道DAC EV12DD700支持12Gsps采樣率，瞬時帶寬高達6GHz，可同時在多個奈奎斯特域(NZ)中工作，-3dB模擬帶寬最高可達25GHz。包括2RF的多種輸出模式允許在21GHz及更高的頻率進行無需上變頻的直接信號合成（圖1）。

圖1 不同DAC工作模式下的DAC輸出功率 vs 輸出頻率

EV12PS640概念款ADC是一款單通道器件，支持用于波束形成的鏈式同步功能。在單端ADC輸入時，它最高支持30GHz的直接射頻（RF）采樣（圖2）。單端輸入使接收器信號路徑的設計無需使用射頻巴倫，從而避免相關的信號失真和帶寬限制。

圖2 單端信號的輸入帶寬性能

初步架構

本文提出了一種全數字四波段SAR。由于采樣率高達12Gsps，任意1-1.5GHz的L波段波形和4.75到5.5GHz的C波段信號可在非歸零（NRZ）模式下同時直接合成而不發生重疊。此外，由于在RF模式下DAC可工作在多個NZ中，X波段的波形可在第二奈奎斯特域中產生，同時在第三奈奎斯特域中產生Ku波段的波形。特別是，X波段的9-10.2GHz可與Ku波段的16-17.5GHz一起生成。圖3展示了DAC輸出的噪聲波形頻譜。

為了避免混疊，DAC的NRZ輸出在5.5GHz進行低通濾波。然后，它被放大并發送至寬帶天線。而RF輸出則使用雙波段濾波器進行濾波，以選擇出第2奈奎斯特域的X波段和第3奈奎斯特域的Ku波段（圖3b）。

a) L+C波段，NRZ模式，第1奈奎斯特域

b) X+Ku波段，RF模式，第2和第3奈奎斯特域

圖3 DAC輸出噪聲頻譜

圖4所示的多波段SAR架構采用了脈沖雷達方案。因此，連接接收鏈的兩根天線各使用一個環行器。與DAC輸出類似，在使用兩個工作在相同的12GHz采樣時鐘的ADC對接收信號放大和數字化之前，需先對其進行L+C通道的低通濾波和X+Ku通道的雙波段濾波。

圖4 多波段SAR架構

圖5給出了兩種ADC的頻率規劃。L波段和C波段可直接采樣而不發生混疊，因為它們都落在第1奈奎斯特域（6GHz）的范圍內。另一方面，由于X波段和Ku波段位于第2奈奎斯特域和第3奈奎斯特域，它們分別對應于第1奈奎斯特域的1.8-3GHz和4-5.5GHz的范圍，沒有重疊。高性能的現場可編程邏輯門陣列（FPGA）可實現任意波形發生器的功能，用于合成所需的雷達信號并處理從ADC到高速固態硬盤（SSD）的高速數字信號。

a) L+C波段

b) X+Ku波段

圖5 第1奈奎斯特域的ADC頻率規劃

在前端架構中，輸入和輸出濾波器尤其重要。輸出濾波器是選擇所需的波段和抑制無關的混疊波段的必要器件。另一方面，為了防止其他帶外信號的干擾并降低整體噪聲水平，需使用輸入濾波器濾除噪聲和無關信號。這些濾波器可使用多波段濾波器技術在微帶上設計并實現。另一個選項是將寬帶信號分成兩個單獨的波段，使用單波段濾波器濾波，然后重新組合。

為了使DAC的輸出電平與功率放大器的輸入端所需的電平匹配，我們需要使用中間驅動器。功率放大器應能夠處理合適的功率，以滿足每個頻段的發射功率要求。由于系統是基于脈沖的，因此有必要考慮傳輸功率的平均值，這可簡化放大器的選擇。為了使發射器和接收器共用同一個天線，功率放大器的輸出端的寬帶環行器是必要的器件。

在接收端，根據發射功率的不同，需采用功率限制器件對低噪聲放大器（LNA）進行保護。否則，如果環行器的隔離度不夠（通常為20dB），在傳輸階段可能損壞LNA。

機載系統演示樣機的研制

所有的4個工作頻段使用單一天線可實現SAR成像的單相中心。然而，考慮到實際的增益和天線尺寸，單天線很難容納從1到18GHz的超寬頻率跨度。此外，由于L和C波段使用相同的DAC和ADC進行合成和數字化，X和Ku波段也是如此，我們可方便地實現兩個單獨的模擬鏈路（圖4）。

對于機載應用，L和C波段可使用寬帶喇叭天線（如英聯微波的LB-560[6]）進行發射和接收，這款天線支持0.5-6GHz的頻率范圍的10-12dBi的恒定增益（圖6）。另一方面，多倍頻程喇叭天線（如英聯微波的LB-60180-20[7]）擁有6-18GHz的帶寬，支持X和Ku波段，X波段的增益約為20dBi，Ku波段的增益約為22dBi（圖7）。

圖6 LB-560寬帶天線增益

圖7 LB-60180-20多倍頻程天線增益

對于L+C波段，可使用RF-Lambda的功率放大器RFLUPA0706GG進行功率放大[8]，其典型功率輸出為48dBm，頻率范圍是0.7-6GHz。對于X+Ku波段，可使用RF-Lambda的RFLUPA0618GE放大器[9]，其典型輸出功率是50dBm，頻率范圍是6-18GHz。

功率放大器的輸出可能需要使用帶通諧波抑制濾波器。在這種情況下，根據發射功率的不同，應仔細評估微帶功率的處理。對于X+Ku波段的高功率寬帶環行器，一個可行的選擇是DORADO國際的4CCM14-1同軸型號[10]，它可覆蓋9-18GHz的范圍，功率為150W。在L+C波段的情況下，很難找到一款具有如此大分數帶寬的環行器。另一個選擇是采用大功率同軸開關，例如RF-Lambda的RFSP2TR5M06GS[11]。

在這樣的高頻數字系統中，低抖動的時鐘信號是必不可少的。時鐘發生器可使用基于鎖相環的信號合成器來實現。ADI的微波合成器ADF4152集成了壓控振蕩器[12]，可實現優秀的噪聲特性。時鐘分配器可使用高頻窄帶分配器來實現。

Hitech Global HTG-960 Virtex UltraScale+ VU19P開發平臺[13]是一款優秀的FPGA板卡，支持通過FMC標準與DAC和ADC連接。FMC接口還允許連接到非易失性內存主機控制器接口規范（NVMe）的高速SSD（Raid0配置），以記錄采集的數據。

該系統的功能可在輕型飛機上演示，如Tecnam P92JS SmartBay[14]，它支持在機翼下的專用吊艙中安裝實驗設備。

預期的雷達性能

可根據表1中的參數計算預期的SAR性能。我們已經考慮了損耗和噪聲的保守值，并假定飛行平臺在平均地面高度之上2000m的高度以40m/s的地面速度飛行。

參考表1中的參數，可依據下式計算不同波段的NESZ[15]：

表1 仿真參數

其中kB為玻爾茲曼常數，TN為290°K的參考溫度，r0是刈幅中心的傾斜范圍。假設分布反射為0dBm2/m2，圖8展示了各子波段的地塊接收功率和傾斜范圍的函數關系。天線的整個-3dB范圍的總集成功率也被標出。由于L和C波段共享LB-560天線，其半功率波束寬度大于39度仰角，L波段的頻率的刈幅非常大，從2337m到10369m。盡管LB-560天線在L和C波段的增益幾乎相同，但由于自由空間的衰減不同，C波段的接收功率比L波段低20dB。另一方面，X和Ku波段共享更直接的LB-60180-20，因此在這兩個更高的波段的刈幅更窄。

圖8 接收的功率，假設σ0 = 0dBm2/m2

圖9展示了期望的NESZ和不同子波段的傾斜范圍的函數關系。期望的NESZ在Ku和X波段分別優于-23dBm2/m2和-25dBm2/m2。低頻天線的范圍允許SAR在L波段產生高達10km的成像，但靈敏度較差。由于通常認為優于-20dBm2/m2的NESZ值表征良好的SAR成像質量，L和C波段的最大成像范圍被分別限制在5819m和4092m。

圖9 NESZ

機載處理和預期數據率

為了降低需記錄的數據的數據率，我們需要對四個波段的接收信號進行機載采樣和預處理（圖10）。具體地說，每個采樣波段都分別依據第一奈奎斯特域的中心頻率數字下變頻(DDC)到基帶。然后，通過級聯積分梳(CIC)濾波器對采樣率進行抽取，以適應瞬時帶寬。我們還需使用有限脈沖響應(FIR)濾波器對CIC濾波器的響應進行補償。然后，使用交叉相關器(Xcorr)對已濾波的信號進行范圍壓縮，并將其限制在每個波段4倍過采樣的范圍以內。最后，經過合成的6160MB/s的數據率被發送到雙通道Raid0 Gen.4 NVMe IP中[16]，這個IP將壓縮的數據以3080MB/s的數據率分別寫入兩個Gen.4 NVMe SSD中[17]。

圖10 機載處理架構

實測結果

我們在實驗室對本文提出的系統做了詳細的測試，其輸出頻譜如圖11和圖12所示。

圖11 L波段和C波段的輸出頻譜

圖12 X波段和Ku波段的輸出頻譜

結論和展望

本文對一種在L、C、X和Ku波段工作的全數字多波段SAR系統進行了可行性研究。首先介紹了Teledyne e2v的DAC和ADC，然后提出了一種基于脈沖的SAR系統的初步架構，最后以幾種商業器件和技術為例，評估了空中多波段SAR成像的機載演示系統的可行性。未來我們將會對系統性能進行更詳細的分析，包括脈沖響應、相位線性度和雜散水平，然后進行所述的機載多波段SAR演示樣機的開發工作。這個演示樣機是更廣闊的技術路線圖的第一步。我們期待未來會有更新的設計，并由新的宇航機構和私營公司推動航天載荷的發展。

本文轉載自：微波世界微信公眾號

審核編輯：湯梓紅