芯片化微型SAR系统方案设计与验证

丁满来; 梁兴东; 唐跞; 温智磊; 王逸潇

doi:10.11999/JEIT171203

芯片化微型SAR系统方案设计与验证

doi: 10.11999/JEIT171203

丁满来^{1, 2, 3},
梁兴东^{1, 2, ,},
唐跞^{1, 2},
温智磊^{1, 2},
王逸潇^{1, 2}

1.
中国科学院电子学研究所北京 100190
2.
微波成像重点实验室北京 100190
3.
中国科学院大学北京 100049

详细信息

作者简介:
丁满来：男，1982年生，博士，主要研究方向包括微波毫米波电路与系统、高分辨率合成孔径雷达系统、信号与信息处理

梁兴东：男，1973年生，研究员，研究领域包括高分辨率合成孔径雷达系统、干涉合成孔径雷达系统、成像处理及应用和实时数字信号处理

唐跞：男，1988年生，助理研究员，主要研究方向为微小型雷达系统关键技术

温智磊：男，1988年生，研究实习员，主要研究方向为微波毫米波电路设计

王逸潇：男，1986年生，助理研究员，主要研究方向为射频毫米波芯片及系统设计

通讯作者:
梁兴东　 xdliang@mail.ie.ac.cn

中图分类号: TN955
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出版历程
- 收稿日期: 2017-12-21
- 修回日期: 2018-07-27
- 网络出版日期: 2018-08-21
- 刊出日期: 2018-11-01

Design and Verification of Monolithic Integrated SAR System

Manlai DING^{1, 2, 3},
Xingdong LIANG^{1, 2
, ,},
Li TANG^{1, 2},
Zhilei WENG^{1, 2},
Yixiao WANG^{1, 2}

1.
Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
2.
Science and Technology on Microwave Imaging Laboratory, Beijing 100190, China
3.
University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

摘要

摘要: 传统分立器件设计的微型合成孔径雷达(SAR)系统，在体积、功耗、重量、成本方面的发展瓶颈日益显现，且系统设计方案不利于单片集成，无法满足未来微型化和泛在化的无人平台对低成本微型载荷的需求。该文针对微型雷达载荷的迫切需求，开展高分辨率微型SAR系统研究，提出了全相参的调频连续波(FMCW)系统设计方案，解决了系统高脉间相位稳定性及高隔离度设计难题，并利用K波段高密度硅基芯片对该微型SAR方案进行技术验证，研制了原理样机并开展成像应用试验。该微型SAR系统斜距分辨率7.5 cm，系统总功耗仅为1.5 W，相比传统SAR系统在体积、重量、功耗等方面取得了显著的进步，同时为微型SAR系统的硅基单片集成奠定技术基础。
- 微型SAR /
- 单片集成SAR /
- 调频连续波 /
- 锁相环
Abstract: The micro Synthetic Aperture Radar (SAR) system based on the traditional GaAs and GaN devices is not conducive to the monolithic integration, and the development bottleneck of volume, power consumption, weight and cost is becoming increasingly apparent, which is impossible to meet the needs of the miniaturized and ubiquitous unmanned platforms in the future. A new scheme for the design of a fully coherent Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) SAR with high resolution is proposed. The design method of high pulse phase stability and high isolation is studied and realized. The prototype of micro SAR is developed based on silicon chip and experimentally demonstrated. The micro SAR operates at K band, producing a signal bandwidth of wider than 2 GHz, enabling a range resolution of 7.5 cm. The system has made remarkable progress in terms of size, weight, power consumption and lay technical foundation for the monolithic integration of micro SAR system in a silicon chip.
- Mini SAR /
- Monolithic integrated SAR /
- Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) /
- Phase Locked Loop (PLL)

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图 1 传统小型SAR系统方案

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图 2 芯片化微型SAR系统方案

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图 3 收发隔离度与通道间距关系

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图 5 系统相参性及相位稳定性

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图 4 调频源输出频率误差仿真

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图 7 系统隔离度测试结果

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图 6 射频对消方案

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图 8 微型SAR的NESZ仿真结果

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图 9 微型SAR试验结果

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表 1 系统主要性能指标

参数名称	指标
工作频率	K 波段
带宽	≥2 GHz
脉冲宽度	100 μs(可调)
分辨率	7.5 cm
作用距离	2～1000 m

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表 2 典型微小型SAR系统核心指标对比

系统名称	工作频段	分辨率(m)	重量(kg)
MicroASAR^[13]	C	0.75	2.5
AMBER^[14]	X	0.1	6
NanoSAR	X	1	0.9
UAV SAR^[15]	Ka	0.5	4
中科院电子所MiniSAR	Ku	0.15	2.5
本文原理样机	K	0.075	0.150

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表 3 微型SAR原理样机体积、重量和功耗指标

参数名称	指标
体积	80 mm×80 mm×10 mm
重量	150 g
射频系统功耗	<1.5 W

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参考文献(15)

ESSEN H, STANKO S, SOMMER R, et al. Millimetre wave SAR for UAV operation[C]. IEEE Asia-Pacific Microwave Conference, Melbourne, Australia, 2011: 963–966.

JOHANNES W, ESSEN H, STANKO S, et al. Miniaturized high resolution Synthetic Aperture Radar at 94 GHz for microlite aircraft or UAV[C]. IEEE Sensors 2011, Limerick, Ireland, 2011: 2022–2025.

AGUASCA A, ACEVOHERRERA R, BROQUETAS A, et al. ARBRES: Light-Weight CW/FM SAR sensors for small UAVs[J]. Sensors, 2013, 13(3): 3204–3216 doi: 10.3390/s130303204

EDRICH M. Ultra-lightweight synthetic aperture radar based on a 35 GHz FMCW sensor concept and online raw data transmission[J]. IEE Proceedings-Radar,Sonar and Navigation, 2006, 153(2): 129–134 doi: 10.1049/ip-rsn:20045080

张明友, 汪学刚. 雷达系统[M]. 北京: 电子工业出版社, 2005: 36–44.

ZHANG Mingyou and WANG Xuegang. Radar System[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2005: 36–44.

STOVE A G. Linear FMCW radar techniques[J]. IEE Proceedings F:Radar and Signal Processing, 1992, 139(5): 343–350 doi: 10.1049/ip-f-2.1992.0048

STANKO S, JOHANNES W, SOMMER R, et al. SUMATRA—A miniaturized millimetre wave SAR[C]. 2013 14th International Radar Symposium (IRS), Dresden, German, 2013: 37–40.

EDWARDS M, MADSEN D, STRINGHAM C, et al. MicroaSAR: A small, robust LFM-CW SAR for operation on UAVS and small aircraft[C]. 2008 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Boston, USA, 2008, 5: V514–V517.

BROOKNER E. Developments and breakthroughs in radars and phased-arrays[C]. IEEE Radar Conference, Philadelphia, USA, 2016: 1–6.

贝斯特, 著, 李永明, 译. 锁相环设计、仿真与应用[M]. 北京: 清华大学出版社, 2007: 29–33.

ZHAO Zhiyong, LI Xiangyang, and CHANG Wenge. LFM-CW signal generator based on hybrid DDS-PLL structure[J]. Electronics Letters, 2013, 49(6): 391–393 doi: 10.1049/el.2012.2852

王岩飞, 刘畅, 詹学丽, 等. 无人机载合成孔径雷达系统技术与应用[J]. 雷达学报, 2016, 5(4): 333–349 doi: 10.12000/JR16089

WANG Yanfei, LIU Chang, ZHAN Xueli, et al. Technology and applications of UAV synthetic aperture radar system[J]. Journal of Radars, 2016, 5(4): 333–349 doi: 10.12000/JR16089

ZAUGG E, EDWARDS M, LONG D, et al. Developments in compact high-performance synthetic aperture radar systems for use on small Unmanned Aircraft[C]. Aerospace Conference, Montana, USA, 2011: 1–14.

VAN DER GRAAF M W, OTTEN M P G, HUIZING A G, et al. AMBER: An X-band FMCW digital beam forming synthetic aperture radar for a tactical UAV[C]. IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology, Waltham, USA, 2013: 165–170.

EDRICH M and WEISS G. Second-generation Ka-band UAV SAR system[C]. European Radar Conference, Amsterdam, Holland, 2008: 479–482.

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