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第五代戰機卓越的隱身性能使防空探測難度越來越大。主要國家都在積極研發電子戰技術，希望能夠控制頻譜。電磁頻譜作戰域的角逐日益激烈，電子對抗技術變得越來越複雜。與此同時，電磁頻譜的商業應用呈指數級增長，如移動運營商推出5G通信、汽車製造商推出V2X通信、物聯網推動各類設備增加無線連接能力等。
這種發展態勢對情報監視偵察（ISR）系統的設計與測試提出新的挑戰，工程師必須使用更少成本和時間開發更復雜的系統。值得慶幸的是，支撐這些複雜系統的基礎技術也在不斷髮展。作為雷達設計和測試設備供應商，美國國家儀器公司（NI）認為，以下四項新興技術將在未來幾年對雷達技術產生顛覆性影響。
一、基於氮化鎵半導體的前端組件
氮化鎵（GaN）半導體被很多人認為是自硅以來最大的半導體創新，其工作電壓比傳統半導體材料高很多。工作電壓高意味著工作效率更高，因此基於GaN材料的射頻功率放大器和衰減器會浪費更少功率併產生更少熱量。目前，越來越多GaN射頻元件供應商進入市場，擴大了GaN放大器的使用規模。
這項技術對有源相控陣（AESA）雷達系統的發展具有重要意義。AESA陣列通常包含數百到數千個陣元，每個陣元都有各自的相位/增益控制單元，通過發射陣列和接收陣列的相位控制，可在不移動天線的情況下調整波束指向。AESA雷達系統越來越受青睞，因為這種雷達比傳統雷達的發射功率和空間分辨率更高、魯棒性更強。例如，某個陣元發生故障，雷達可以繼續工作。在輸出功率相當的情況下，使用GaN放大器可減小AESA雷達的尺寸，並降低散熱需求。
圖1 AESA雷達架構示意圖
隨著GaN技術的應用規模不斷擴大，相關裝備的性能也會越來越高，相關元件級測試和系統級測試也越來越重要。傳統元件測試方法採用矢量網絡分析儀，可準確獲得前向/反射增益和相位的窄帶視圖。然而，這種常見方法中使用的連續波（CW）激勵不能準確反映實際使用時的信號環境。相反，可利用矢量信號分析儀和矢量信號發生器的寬帶靈活性，構建更能體現真實應用環境的脈衝和調製激勵。將其與S參數分析方法結合是未來元件級測試方法的發展方向。
二、基於高速數據轉換器的發射/接收技術
轉換技術每年都會取得突破。目前，主要半導體公司的模數轉換器（ADC）和數模轉換器（DAC）的採樣速率都比前幾年的同類產品高數個量級。這些高速ADC可使雷達具備更高的動態範圍和更寬的瞬時帶寬。動態範圍是限制最大工作距離的關鍵因素。例如，它可使F-35等第五代戰機能在更遠距離識別目標。更寬的瞬時帶寬帶來以下幾個好處：一是通過脈衝壓縮提高空間分辨率，使低截獲概率（LPI）雷達等先進雷達的實現成為可能；二是可為單個信號鏈分配多個功能，促進傳感數據融合，如寬帶傳感器可在多個頻段同時生成多種波形，分別用於通信系統和雷達系統。
此外，許多半導體公司相繼推出“直接射頻採樣轉換器”產品，如美國德州儀器公司的ADC12DJ3200，採樣速率高達6.4GSPS。12位射頻採樣轉換器以這種採樣速率，可直接轉換C波段射頻輸入信號，無需上變頻或下變頻。隨著轉換器的不斷髮展，未來C波段雷達和X波段雷達均將受益於直接射頻採樣。
圖2 差頻/直接射頻採樣架構
直接射頻採樣架構將徹底改變AESA雷達。在有源陣列中，每個陣元都需要自己的ADC和DAC。這意味著如果ADC和DAC的採樣速率無法直接滿足雷達工作頻率的要求，每個發射/接收模塊（TRM）都需增加上變頻/下變頻過程。這會導致設計成本增加、陣列尺寸增大、性能不穩定性提高。但採用直接射頻採樣架構無需混頻器和本地振盪器（LO），可簡化射頻前端架構，從而降低成本、減小陣列尺寸和設計複雜度。相同大小的發射/接收陣列，直接射頻採樣架構可顯著增加信道密度，降低每個信道的成本。
由於儀器儀表採用模塊化設計，美國國家儀器公司可快速向市場提供最新的轉換器件。例如，最新的FlexRIO收發器使用直接射頻採樣轉換器，最高採樣速率可達6.4GSPS，可幫助研發人員開發尖端雷達測試平臺、快速研發具備真實輸入/輸出的系統樣機。這些設備還可利用PXI的先進時鐘同步背板，使整個系統的數十到數百個通道保持相位一致。
三、基於先進現場可編程門陣列的認知技術
現場可編程門陣列（FPGA）技術也在不斷進步。現代FPGA包含更多的邏輯門，單位功率具備更強大的計算能力，可支持高速數據流，採用特殊設計的知識產權（IP）模塊，最高可支持150Gbps的數據流。現在FPGA計算能力的提高使五年前根本無法實現的技術成為可能。
圖3 認知雷達中基於FPGA的機器學習技術
機器學習技術在認知雷達中的應用就是其中之一。該技術使雷達對環境的響應更靈敏，從而提供了更可操作的洞察力。機器學習沒有預先編程好的工作模式，如搜索模式、跟蹤模式等，可使雷達自動調整為最佳工作參數，包括工作頻率和波形等。機器學習還可解鎖自動目標識別（ATR）等功能。
航空航天和國防領域應用FPGA技術已經很多年，FPGA設計工具也在不斷髮展。高級設計工具可簡化基於主機的FPGA遷移算法，並在設計中集成低級HDL，從而提高開發效率。LabVIEW FPGA的軟硬件高度集成，可直接使用抽象的基礎模型，如PCI Express、JESD204B、內存控制器和時鐘等。這將把FPGA的開發重點從板卡設計轉移到算法設計上，從而在不犧牲性能的前提下減少開發工作。更抽象的FPGA工具將大幅縮短開發週期，甚至可用由沒有VHDL或Verilog設計經驗的軟件工程師或科學家，或者時間緊迫的硬件工程師使用。
四、基於高帶寬數據總線的傳感器數據融合技術
另一個發展趨勢是數據總線帶寬越來越高，如PCI Express Gen 3、40/100GbE、光纖信道和Xilinx Aurora，使將高帶寬傳感器數據集中到中央處理器進行計算成為可能。例如，F-35的核心處理器集中、綜合處理來自多個傳感器的數據，為飛行員提供更好的態勢感知能力。實現這一功能的關鍵是高速串行收發技術（也稱為多路千兆位收發器，MGT）的發展。近幾年，該技術發展迅速，目前線路速率最高可達32Gbps/路；採用PAM4信號體制，支持56Gbps速率的收發器也即將問世。FPGA主要用於數據處理，但也會包含一些最先進的MGT，使其成為傳感器開發的理想對象。
圖4 使用高速數據總線集中處理多源數據副本
使用模塊化儀器儀表的好處是系統可以跟隨處理能力和帶寬的快速增長而輕鬆升級。PXI平臺特別適用於需要高帶寬數據流和時鐘同步的系統。
結 語
隨著這些基礎技術的快速發展，雷達技術與架構的複雜性和性能都在不斷提高，系統開發也必須與時俱進。開發完全定製化的雷達原型和測試系統軟硬件似乎是實現所需性能的唯一選擇。然而，這些解決方案仍需要長期的維護和隨機成本。
FPGA的出現及模塊化轉換器和流技術的迅速應用，使商用現貨解決方案不僅能滿足特定需求，還能提供足夠的靈活性，確保系統擁有更長的使用壽命。通過模塊化設計和使用商用現成器件，可快速集成這些技術成果，滿足先進雷達系統不斷髮展的需求，同時滿足嚴格的時間和經費預算限制。
（藍海星：張旭）
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