“繼續(xù) SAR 無人機項目，開始電子系統(tǒng)以及天線的設計。”

FPGA

數(shù)字部分框圖

面對雷達系統(tǒng)嚴苛的時序控制與海量數(shù)據(jù)處理需求，傳統(tǒng)微控制器方案已無法滿足性能要求，必須采用FPGA架構。本設計選用Zynq 7020 SoC平臺，該芯片集成了可編程邏輯單元與雙核ARM處理器，在過往脈沖雷達設計中已積累成熟應用經驗。該型號FPGA在歐洲標準渠道報價約150歐元，而通過中國供應鏈可獲得顯著成本優(yōu)勢。

存儲接口性能分析：

FPGA 控制器部分沒有很多高速接口，SD卡與EMMC控制器理論帶寬限制為25 MB/s，無法匹配ADC 50 MSPS的原始數(shù)據(jù)流

受限于無人機空間布局，1 Gbps 以太網接口無法添加樹莓派或其他類似計算機資源

新型Ultrascale+系列FPGA雖支持高速存儲接口（SD卡52 MB/s，EMMC 200 MB/s），但其500歐元級價格與供應鏈限制不適用于本項目

存儲器擴展方案：

在空間約束下，DDR3模組最大容量限制為1 GB，而單次測量數(shù)據(jù)量可達數(shù)GB量級。因此必須通過可編程邏輯單元構建高速外部通信接口。幸運的是，Dan Gisselquist（ZipCPU）開發(fā)了一個GPL3許可的SD卡和eMMC控制器，其支持的高速通信模式比ARM處理器附帶的硬IP更快。

冗余設計實現(xiàn)：

1. 雙路徑存儲架構

SD卡連接至ARM集成控制器（25 MB/s保底帶寬）

EMMC接入PL端高速控制器（基于sdspi內核）

2. 實測驗證

初期對sdspi控制器的50 MB/s穩(wěn)定性存疑，實際驗證后確認其可靠性

保留傳統(tǒng)接口作為應急方案，最終未啟用

擴展接口設計：

集成FT600 USB3.0橋接芯片實現(xiàn)與PC的高速連接，該接口雖非無人機作業(yè)必需，但為實驗室調試、實時監(jiān)控等應用場景提供靈活擴展能力。未來版本建議將SD卡全面遷移至PL端以釋放完整性能，預計可提升存儲帶寬至理論極限值。

FPGA程序模塊框圖

在框圖層面，F(xiàn)PGA的功能架構相對簡潔。其核心設計由多個獨立功能模塊構成，通過DMA或AXI總線與處理器互聯(lián)。對于雷達系統(tǒng)而言，雷達定時器模塊尤為關鍵，其作用是在測量過程中實現(xiàn)內外信號的精準切換。該模塊需直接部署于FPGA邏輯單元中，以確保時鐘周期級的時間精度，從而保障雷達測量的相位穩(wěn)定性。AXI總線在處理器端采用內存映射機制，通過向固定內存地址寫入控制參數(shù)即可實現(xiàn)雷達系統(tǒng)的靈活操控。

在ADC數(shù)據(jù)輸入后級聯(lián)的FIR濾波器，可通過1倍、2倍或4倍抽取率動態(tài)調整采樣速率。針對不同應用場景：

遠距離測量：需禁用抽取功能以保留最大中頻帶寬，確保信號完整性

中短距測量：建議啟用高倍抽取（如4倍），顯著降低數(shù)據(jù)存儲量并提升處理效率

此架構通過AXI總線的高效互聯(lián)與FPGA邏輯資源的靈活配置，實現(xiàn)了雷達系統(tǒng)在時序精度與數(shù)據(jù)處理效率間的平衡。

PCB

KiCad 中的3D模型

PCB 有六層，通過高密度元件布局實現(xiàn)空間最小化。由于單面組裝比雙面組裝成本低，除底部需手動焊接的SD卡接口外，其余元件均集中布置于頂層。

與我以前的許多雷達一樣，射頻部分在 PCB 和整個設計工作中占的空間相對較小。數(shù)字器件和穩(wěn)壓器占據(jù)了 PCB 的大部分空間。

組裝完的 PCB

本雷達采用寬壓輸入設計，直接兼容無人機電池供電系統(tǒng)，支持12-30V直流輸入范圍。通過優(yōu)化電源拓撲結構，省去外置DC/TC穩(wěn)壓模塊，顯著提升系統(tǒng)集成度與能效表現(xiàn)。

由于空間有限，沒有足夠的空間安裝四個 SMA 連接器，我也不想使用任何微型射頻連接器。最上面的兩個連接器是用于 H 極化和 V 極化天線輸入的可切換 TX 輸出，最下面的第三個連接器是 RX 輸入。RX 極化開關位于外部 PCB 上，與 PCB 板右下方的三個四針 JST 連接器之一相連。另一個 JST 連接器用于連接飛行控制器的串行端口，第三個連接器目前未使用，但可用于連接 GPS 等設備。

還有兩個 USB-C 連接器：一個用于 JTAG 編程和調試 FPGA，另一個連接 USB3 到 FIFO 橋接芯片，可將數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)?PC。無人機使用時不需要它，但在測試和其他應用中很有用。

PCB 尺寸為 113 x 48 毫米。寬度剛好可以裝在無人機上，而長度則可以稍長一些。

SD 卡插接 PCB

我確實犯了一個錯誤： 把 SD 卡的引腳誤連接到 1.8 V I/O 端口，而它們應該連接到 3.3 V I/O，SD 卡在這種較低電壓下無法工作。雷達可以不使用 SD 卡，而是將數(shù)據(jù)存儲到 EMMC 中，然后通過 USB 讀取數(shù)據(jù)，但使用 SD 卡要方便得多。我真的不想再訂購一塊 PCB 來彌補這個錯誤，于是我設計了一塊帶有電平轉換器的小型插接 PCB，焊接在之前的 SD 卡封裝上，從而彌補了這個錯誤。

雷達 PCB 下的鋁制 PCB 散熱器

如果發(fā)射占空比較高，功率放大器會變得很熱。為了保持低溫，我訂購了定制的鋁基板 PCB，用螺栓固定在雷達 PCB 板下面。在功率放大器下面去掉阻焊層，在 PCB 和散熱片之間放置隔熱墊。5 塊電路板只花了 4 美元，而且效果很好。

無人機電子系統(tǒng)

Speedybee F405 V3 飛行控制器

無人機套件附帶飛行控制器。附帶的飛行控制器是 Speedybee F405 V3。這是一款廉價的低端飛行控制器，只有 1 MB 閃存。它能勝任工作，但我還是建議購買更好一點的飛行控制器，閃存容量為 2 MB，價格相差不大。

有幾種可能的飛行控制器軟件。FPV 無人機最常用的有三種： Betaflight、Inav 和 ArduPilot。它們的主要區(qū)別在于 Betaflight 側重于快速響應的手動飛行，不支持自主飛行；Inav 與 Betaflight 共享大量代碼，也包括一些自主飛行支持；ArduPilot 具有最先進的自主飛行能力，功能豐富，但配置起來更具挑戰(zhàn)性。

我選擇使用 Ardupilot，發(fā)現(xiàn)它在這方面非常出色。它有非常好的 IMU 和 GPS 傳感器融合算法，對提高定位精度很有幫助。飛行控制器可以通過串行端口與雷達通信，從而在自主飛行任務期間啟用或禁用雷達，并為雷達提供位置信息。

集成指南針的 GPS。它需要安裝在遠離電池導線的地方，以避免磁場對指南針造成影響。

合成孔徑雷達 SAR 成像需要非常精確的位置信息，以實現(xiàn)正確的圖像聚焦。定位信息應精確到波長的幾分之一，在此頻率下僅為幾厘米（1 - 2 英寸）。許多商用合成孔徑雷達成像無人機使用 RTK GPS，并在地面上安裝第二個固定 GPS 接收機，可以獲得約 1 厘米的精確定位。缺點是成本比普通 GPS 高得多，而且 RTK GPS 接收機通常比普通 GPS 接收機大得多，很難安裝在無人機上。

好的非 RTK GPS 定位精度可能在1米左右。如此大的定位誤差如果不加以糾正，會對圖像造成很大誤差。幸運的是，可以通過雷達數(shù)據(jù)解決定位誤差問題，這就是所謂的自動對焦。自動對焦的缺點是需要在圖像形成過程中進行更多處理，但也可以使用普通 GPS。與慣性測量單元（IMU）進行傳感器融合可提高定位的準確性，獲得位置更新的速度也比僅使用 GPS 時的最高約 4 Hz 更快。

要實現(xiàn)自主飛行，無人機的飛行計算機還需要 GPS、IMU 和指南針。如果為雷達單獨再配備一套GPS和IMU，不僅會浪費空間，而且沒有必要。因此我依靠飛行計算機通過串行接口向雷達輸出其位置估計值。

無人機框圖 無人機通過無線電遙控器進行操控。我使用的是 FPV 無人機常用的 ExpressLRS 無線電鏈路。無人機還通過無線電與電腦上運行的地面控制軟件連接。該軟件可用于編程自主任務參數(shù)、更改無人機設置、控制無人機以及在飛行過程中顯示遙測數(shù)據(jù)。地面站還可以通過飛行控制器向雷達發(fā)送信息，這樣就可以通過筆記本電腦對雷達參數(shù)進行編程。 近期，ExpressLRS（ELRS）增加了對Mavlink的支持，這使得可以使用單一的無線電設備來同時實現(xiàn)無線電遙控器和遙測通信的功能。這種改進大大簡化了無人機的通信系統(tǒng)架構，減少了設備數(shù)量和成本，同時也降低了通信干擾的可能性，提高了通信的可靠性和穩(wěn)定性，對于無人機的飛行控制和數(shù)據(jù)傳輸來說是非常便利的，尤其在一些對通信效率和穩(wěn)定性要求較高的應用場景中，這種改進的優(yōu)勢更加明顯。

天線

理論上，天線波束寬度越寬，SAR圖像的分辨率就越高。SAR成像領域的一個著名結論是：在條帶模式SAR（固定天線角度和直線基線）中，最佳橫向分辨率可達L/2，其中L為天線長度。然而在實際應用中，更寬的波束未必更好。寬波束意味著更低的增益，這會降低信噪比并限制最大探測距離。由于天線增益在鏈路預算中是平方關系，當天線增益減半時，需要將脈沖數(shù)量增加四倍才能保持相同信噪比。

橫向分辨率取決于目標可見的基線長度，而天線波束越寬該基線越長。在聚束成像模式（天線持續(xù)跟蹤目標）下，橫向分辨率不再受限于天線波束寬度，且無人機平臺更易實現(xiàn)聚束成像。對于無人機SAR系統(tǒng)，最大可用基線長度常成為分辨率的主要限制因素，因為受限于視距飛行難以實現(xiàn)超長航跡。

聚束成像模式（或天線波束始終覆蓋目標的條帶模式）下的方位角分辨率可近似為：Δθ≈λ/L，其中λ為波長，L為航跡長度。橫向分辨率可通過Δy=2rsin(Δθ/2) 計算，r為目標距離。

無人機SAR面臨的主要挑戰(zhàn)是如何在有限空間內安裝足夠大的天線。由于采用FMCW雷達，需要獨立的發(fā)射和接收天線，這進一步壓縮了單天線的可用空間，同時低發(fā)射-接收泄漏要求需要保持一定間距。

我曾使用自制喇叭天線，但其尺寸（總長100mm，僅同軸-波導轉換器就達25mm）無法適配螺旋槳間距僅50mm的無人機平臺。雖然原喇叭天線未實現(xiàn)雙極化，但通過正交90度的雙饋源可輕松實現(xiàn)雙極化設計。

貼片天線因采用PCB覆銅工藝可實現(xiàn)小型化，同樣可通過正交雙饋源實現(xiàn)雙極化。但1.6mm厚FR4基板的簡單貼片存在帶寬窄（FR4介質參數(shù)偏差易致頻偏）、增益低等缺陷。雖然陣列設計可提升增益，但FR4基板的饋電網絡損耗會顯著增加。

疊層孔徑耦合貼片天線。側視圖（左）和俯視圖（右）

在閱讀了一些科學論文后，我發(fā)現(xiàn)了這篇雙極化槽饋疊層貼片天線論文。它由貼片天線組成，貼片天線由微帶線饋電，微帶線通過地平面上的 H 型槽與貼片耦合。可以使用兩條饋電線和相距 90 度的槽來實現(xiàn)雙極化。第二個貼片懸掛在離第一個貼片幾毫米遠的地方，中間夾著空氣。與單個貼片相比，這種結構能獲得更寬的帶寬，因此能承受因 FR4 介電常數(shù)不準確而引起的頻率偏移。第二個貼片還能略微提高增益。

發(fā)送和接收貼片饋電喇叭天線

然而，更高的增益有助于提升信噪比。90度方向的旁瓣也應進一步抑制以降低發(fā)射-接收泄漏。為此，我在天線外圍增設了金屬板喇叭結構，形成疊層貼片饋電喇叭天線。該設計使天線高度增加10毫米，但實驗發(fā)現(xiàn)僅環(huán)繞貼片間隙的金屬板包裹結構（不增加高度）也能有效提升增益并抑制旁瓣。雖然尚未在文獻中發(fā)現(xiàn)類似結構，但考慮到其設計直觀性，類似方案可能早已存在。

相較于當前四瓣式設計，采用填充邊角的金字塔形喇叭可能在增益和機械強度方面略有優(yōu)勢。但現(xiàn)有方案更便于手工制作——我使用剪刀手工裁剪銅片并通過焊接完成組裝。

該天線完美滿足所有需求：雙極化特性、超寬帶寬、高增益、相比同增益的同軸-波導饋電喇叭天線更薄型化，且制造成本低廉（僅需兩塊FR4電路板、少量銅片及緊固件）。若采用低損耗射頻材料（如羅杰斯RO4350B），增益預計可提升0.5-1.0 dB，但原型階段成本將激增百倍，性價比過低。

天線間設置的0.25×0.5波長微型隔離墻有效降低了收發(fā)耦合。經多尺寸測試驗證，該微型隔離墻的效果優(yōu)于無隔離墻方案及更高墻體方案。

不計SMA接頭時，天線總高度為18毫米（其中喇叭結構占10毫米）。含SMA接頭的總高度為28毫米。貼片基板尺寸為45×45毫米，喇叭開口尺寸為65×65毫米。

天線背面。每根天線都有兩個 SMA 接頭，一個用于 H 極化，另一個用于 V 極化

天線背面覆蓋銅箔以抑制后向輻射。這一設計至關重要，因為天線直接安裝在無屏蔽的雷達PCB板正上方。若無屏蔽措施，發(fā)射天線的后向輻射將加劇收發(fā)通道耦合。此外，在收發(fā)天線隔離墻內嵌銅箔（通過膠帶固定），進一步增強了隔離效果。

天線的模擬輻射模式

仿真結果顯示：在0°/90°方向上，天線-3 dB波束寬度分別為50度/60度。H/V饋電槽呈90度正交布局，兩端口輻射方向圖形態(tài)相似但空間取向正交。仿真峰值增益達10.0 dB。

90度方向旁瓣抑制約-10 dB，這對降低收發(fā)泄漏至關重要。由于天線輻射方向圖存在非對稱性，將另一副天線旋轉90度安裝可確保HH與VV極化間的方向圖匹配度。當發(fā)射天線通過首端口發(fā)射H極化波時，接收天線通過另一端口接收H極化波，V極化同理，從而保證兩種同極化模式的雙程方向圖匹配。然而在交叉極化（HV/VH）模式下，由于收發(fā)共用同端口，其方向圖特性與同極化模式存在差異。

測量的天線 S 參數(shù)

由于耦合槽尺寸略有不同，H 端口和 V 端口的匹配略有差異。天線的可用帶寬約為 4.5 千兆赫至 6.2 千兆赫，對這一應用來說綽綽有余。

原文轉載自 https://hforsten.com/homemade-polarimetric-synthetic-aperture-radar-drone.html，已進行翻譯及校對優(yōu)化

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審核編輯 黃宇