Содержание
Радар с частотно-модулированной непрерывной волной (FMCW) — это архитектура радара, в которой излучается непрерывная волна, частота которой линейно изменяется во времени, и которая использует разность частот между излученным сигналом и принятым эхом для одновременного измерения дальности и скорости цели. В отличие от импульсного радара, работающего по схеме “излучение — ожидание — прием”, радар с непрерывной модуляцией частоты (FMCW) одновременно излучает и принимает сигнал, извлекая информацию о цели в то время, как сигнал непрерывно излучается.
Академик Мао Эрке однажды отметил, что основным противоречием в развитии радиолокационных технологий всегда был баланс между “четким видением” и “точным измерением”, и выступил за “проведение инновационных исследований в области радиолокационных систем и разработку радиолокаторов новой архитектуры”. Радар с непрерывной волновой длиной (FMCW) является классическим инженерным воплощением этой философии — он использует “непрерывный” подход для обеспечения обнаружения с высоким разрешением при ограничениях по низкой пиковой мощности.
1. Основной принцип работы радара с непрерывной модуляцией частоты (FMCW)
1.1 Структура сигнала: линейная частотная модуляция и “чирп”
Сигнал, передаваемый Радар с модулированной частотой сигнала (FMCW) — это непрерывная волна, частота которой линейно изменяется во времени; её обычно называют “чирпом”. Возьмём в качестве примера наиболее распространённую пилообразную модуляцию: частота передаваемого сигнала линейно увеличивается от начальной частоты f₀ до f₀+B, где B — полоса развертки, T — период развертки, а наклон чирпа равен S = B/T.
1.2 Принцип определения расстояния: метод разности частот
Суть метода определения расстояния с помощью радара с непрерывной модуляцией частоты (FMCW) заключается в “разности частот”. Переданный и принятый сигналы смешиваются с образованием сигнала промежуточной частоты (IF), частота f_IF которого равна разности частот между переданным и принятым сигналами в данный момент времени.
Поскольку сигнал затрачивает время τ = 2R/c на прохождение до цели и обратно (где R — дальность до цели, а c — скорость света), частота переданного сигнала за этот промежуток времени увеличилась на величину S·τ. Следовательно, частота сигнала промежуточной частоты равна:
f_IF = S · τ = S · 2R / c
Исходя из этого, целевой диапазон составляет:
R = c · f_IF / (2S)
Дальность пропорциональна частоте промежуточной частоты — чем выше частота промежуточной частоты, тем дальше находится цель.
1.3 Принцип измерения скорости: доплеровский фазовый метод
Радар с модулированной частотой (FMCW) измеряет скорость посредством Допплеровское изменение фазы. Система непрерывно излучает несколько импульсов и определяет радиальную скорость цели путем анализа изменения фазы сигнала промежуточной частоты между соседними импульсами.
Если фазовое смещение цели за интервал времени T_c между двумя соседними чирпами составляет ΔΦ, то радиальная скорость цели равна:
v = λ · ΔΦ / (4π · T_c)
где λ — длина волны передаваемого сигнала.
1.4 Принцип измерения угла: разность фаз между несколькими антеннами
Радар с модулированной частотой (FMCW) требует наличия как минимум двух приемных антенн для измерения угла. Путем сравнения разности фаз одного и того же эхо-сигнала на двух приемных антеннах можно рассчитать угол прихода сигнала от цели. Взаимосвязь между разностью фаз Δφ и углом цели θ выражается следующим образом:
Δφ = 2π · d · sinθ / λ
где d — расстояние между антеннами.
2. Основные преимущества радара с непрерывной модуляцией частоты (FMCW)
Чрезвычайно низкая пиковая мощность. Это самое заметное преимущество радара с непрерывной модуляцией частоты (FMCW). Поскольку он вещает непрерывно, радару FMCW не нужно выделять огромное количество энергии за крайне короткий промежуток времени, как в случае с импульсным радаром. Вместо этого он обеспечивает сопоставимую эффективность обнаружения при низкой мощности в режиме установившегося состояния. Это позволяет использовать в радарах FMCW недорогие твердотельные передатчики, избавляясь от необходимости в высоковольтных модуляторах и вакуумных лампах.
Отсутствие «слепых зон» в диапазоне. Импульсный радар не может принимать эхо-сигналы во время передачи, что приводит к появлению «слепой зоны» на ближнем расстоянии. Радар с непрерывной модуляцией частоты (FMCW) осуществляет непрерывную передачу и прием сигналов, что устраняет эту проблему и делает его особенно подходящим для высокоточного обнаружения на ближнем расстоянии.
Разрешение по дальности напрямую зависит от полосы пропускания. Разрешение по дальности радара с непрерывной модуляцией частоты (FMCW) составляет ΔR = c/(2B) и определяется исключительно полосой пропускания развертки, не зависящей от ширины импульса. Это означает, что разрешение можно повысить за счет увеличения полосы пропускания без сокращения ширины импульса.
Относительно простая структура и обработка сигналов. Радиочастотный блок радиолокатора с непрерывной модуляцией частоты (FMCW) имеет простую конструкцию, а обработка сигнала основана на быстром преобразовании Фурье (БПФ) — это недорого и просто в реализации.
Защита от помех и низкая вероятность перехвата. Низкая пиковая мощность означает, что сигналы радаров с непрерывной модуляцией частоты (FMCW) трудно обнаружить системам радиотехнической разведки противника на больших расстояниях, что обеспечивает им врождённые преимущества в плане скрытности.
3. Основные ограничения радаров с непрерывной модуляцией частоты (FMCW)
Ограниченная дальность обнаружения. Дальность обнаружения радаров с модулированной частотой (FMCW) обычно ограничивается сотнями метров — несколькими километрами. Проблемы с развязкой между каналами передачи и приёма ограничивают достижимую мощность передачи, не позволяя достичь дальности обнаружения в сотни километров, характерной для импульсных радаров.
Спектральное наложение в сценариях с несколькими целями. В условиях высокой плотности целей эхосигналы от нескольких целей могут перекрываться в частотной области, что приводит к взаимосвязи дальности и скорости и ухудшает разрешение по целям.
Взаимосвязь между дальностью и скоростью. При модуляции треугольной волной дальность и скорость необходимо определять совместно; при модуляции пилообразной волной один чирп не позволяет одновременно определить дальность и скорость — для этого требуется фазовая информация, полученная от нескольких чирпов.
4. Основные технические достижения в области радиолокаторов с непрерывной волной (FMCW) (2025–2026 гг.)
Высокоточные алгоритмы определения расстояния. В исследовании, опубликованном в 2025 году, был предложен высокоточный алгоритм определения дальности для радара с непрерывной волной (FMCW), основанный на обобщённом разложении по собственным значениям (GEVD). Благодаря установлению аналитической зависимости между обобщёнными собственными значениями и биением сигнала алгоритм позволяет эффективно снизить погрешности дискретизации и влияние шума. Экспериментальные данные показывают, что при частоте дискретизации свыше 400 кГц максимальное отклонение дальности удерживается в пределах 0,2 мм.
Обучение с разреженными данными и оценка с суперразрешением. В ходе исследований, проведённых в 2025 году, метод разреженного обучения был применен к совместной оценке дальности и доплеровского сдвига для широкополосного радара с непрерывной модуляцией частоты (FMCW), что позволило повысить разрешение в условиях наличия нескольких целей.
Распределенные сети MIMO с непрерывной модуляцией частоты (FMCW). Распределенные радиолокационные сети MIMO, основанные на сигналах FMCW со ступенчатой частотой (SF-FMCW), расширяют синтезированную полосу пропускания за счет постепенного увеличения начальной частоты каждого чирпа, что позволяет добиться более высокого разрешения по дальности без увеличения полосы пропускания отдельного чирпа.
Подавление помех при обнаружении дронов. В ходе исследования, проведённого в 2025 году, была рассмотрена проблема сильных помех в радиолокационных системах с непрерывной модуляцией частоты (FMCW) при обнаружении дронов. В рамках исследования был предложен надёжный метод подавления помех, основанный на предварительном обучении с учётом физических законов, что позволило эффективно улучшить обнаружение низколетящих, медленно движущихся и малоразмерных целей в сложных городских условиях.
5. Типичные области применения радаров с непрерывной модуляцией частоты (FMCW)
5.1 Автомобильные радары
Радар с непрерывной модуляцией частоты (FMCW) является основной архитектурой для автомобильных радаров. Миллиметровые FMCW-радары широко используются в системах адаптивного круиз-контроля, автоматического экстренного торможения, контроля «слепых зон» и автоматической парковки. В исследовании, опубликованном в 2025 году, была продемонстрирована система радара FMCW с частотой 135 ГГц, основанная на технологическом процессе CMOS 28 нм, которая успешно обнаружила целевой автомобиль на расстоянии 112 метров с отношением сигнал/шум 14,58 дБ.
5.2 Обнаружение дронов и наблюдение за объектами, летящими на малой высоте
Радар с непрерывной модуляцией частоты (FMCW) обладает уникальными преимуществами при ведении наблюдения на малых высотах. Благодаря низкой пиковой мощности он подходит для использования в городских условиях, а высокое разрешение по дальности позволяет обнаруживать небольшие дроны с радиолокационной площадью отражения всего 0,01 м². Исследования, проведенные в 2025 году, показали, что радиолокатор FMCW в X-диапазоне способен надежно обнаруживать дроны с радиолокационной площадью 0,01 м² на расстоянии 300 метров.
5.3 Промышленная и бытовая электроника
Радары с модуляцией FMCW нашли применение в промышленном измерении уровня, системах определения присутствия в «умных» домах и мониторинге жизненно важных показателей. В исследовательском отчете за 2026 год описаны многорежимные радиочастотные микросхемы для радаров с модуляцией FMCW на частотах 60 ГГц и 77 ГГц с конфигурацией 4T/4R, которые позволяют создавать компактные и энергоэффективные решения для измерения в миллиметровом диапазоне на основе 28-нм CMOS-технологии.
5.4 Метеорология и дистанционное зондирование
Радар с непрерывной модуляцией частоты (FMCW) уже на протяжении десятилетий используется для измерения высоты ионосферы и обнаружения осадков. В последние годы, благодаря достижениям в области твердотельных устройств и цифровых процессоров сигналов, метеорологические радары FMCW продемонстрировали значительное повышение разрешения и чувствительности.
6. Портфель технологий компании STARDL для радиочастотных входных блоков радаров с непрерывной модуляцией частоты (FMCW)
Предельные характеристики радара с модуляцией FMCW зависят от качества его РЧ-блока входа-выхода: линейность передатчика определяет точность измерения расстояния, коэффициент шума приемника — предельный уровень чувствительности системы, а фазовый шум сигнальной цепи — точность измерения скорости. Портфель технологий STARDL в области РЧ-блоков входа-выхода обеспечивает полную аппаратную поддержку радаров с модуляцией FMCW:
Цепочка передачи сигнала — силовые устройства на основе GaN. Хотя радиолокационные системы с модуляцией FMCW не требуют высокой пиковой мощности, к линейности и КПД передаваемого сигнала предъявляются строгие требования. Силовые устройства STARDL на основе GaN охватывают диапазон частот 0,5–8,0 ГГц и оснащены предварительно согласованными сетями внутреннего импеданса, которые обеспечивают стабильную линейность как в режиме непрерывной волны, так и в импульсном режиме. Высокий КПД и термическая стабильность GaN делают его особенно подходящим для радиолокационных систем FMCW, требующих длительной непрерывной работы.
Приемная цепь — малошумящие усилители. Цепочка приема радара FMCW должна выделять слабые сигналы эха из непрерывного утечного излучения, что предъявляет чрезвычайно высокие требования к коэффициенту шума и динамическому диапазону. Усилители низкого шума (LNA) компании STARDL, изготовленные по технологии GaAs, обеспечивают коэффициент шума на уровне всего 0,35 дБ при сохранении хорошей линейности, что позволяет обеспечить высокочувствительный прием для радаров FMCW.
Сигнальная цепь — интегральные схемы для радиочастотного и микроволнового диапазонов. К радиолокаторам с модулированной частотой (FMCW) предъявляются строгие требования к фазовому шуму и линейности в цепи обработки сигнала. Микроволновые интегральные схемы STARDL охватывают диапазон частот от постоянного тока до 50 ГГц — от смесителей до умножителей и фазосдвигателей — и образуют комплексное решение для цепи обработки сигнала. Конструкция с низким фазовым шумом напрямую влияет на точность измерения скорости радаром FMCW и его способность разделять взаимосвязь между дальностью и скоростью.
Системная интеграция — готовые интегральные схемы и модули приёма-передачи. Для приложений, требующих многоканальной передачи и приема (таких как радиолокационные системы MIMO с непрерывной модуляцией частоты), линейки интегральных схем в корпусе и модулей приёма/передачи компании STARDL предлагают решения с высокой степенью интеграции. Интегральные схемы в корпусе охватывают диапазон частот от постоянного тока до 40 ГГц, совместимы со стандартными технологиями поверхностного монтажа (SMT) и снижают барьеры для интеграции в радиолокационные системы с непрерывной модуляцией частоты.
7. Радар с непрерывной модуляцией частоты (FMCW) и импульсный радар: сравнение при выборе
| Размер | Радар с модулированной частотой волны (FMCW) | Импульсный радар |
|---|---|---|
| Пиковая мощность | Низкий | Высокий |
| Зона ограниченной видимости | Нет | Существует |
| Метод определения дальности | Разница в частотах (косвенная) | Временная задержка (прямая) |
| Разрешение по дальности | Определяется пропускной способностью | Определяется по ширине импульса/степени сжатия |
| Максимальная дальность обнаружения | От сотен метров до нескольких километров | От десятков до сотен километров |
| Возможность одновременного поражения нескольких целей | Ограничение, связанное со спектральным наложением | Сильнее |
| Типичные области применения | Автомобильные радары, обнаружение дронов, промышленные датчики уровня | Поисковый радар, следящий радар, метеорологический радар |
8. Система принятия решений по выбору инженерных решений
Выбирайте радар с модулированной частотой (FMCW) в следующих случаях: требуется высокоточное обнаружение на малых расстояниях без «слепых зон»; пиковая мощность строго ограничена; размер, стоимость и энергопотребление являются важными факторами; необходимо постоянное обновление информации о цели.
Выбирайте импульсный радар в следующих случаях: требуется обнаружение на больших расстояниях (десятки километров и более); необходима высокая пиковая мощность для преодоления затухания на больших расстояниях; в условиях наличия нескольких целей требуется более высокая разрешающая способность.
Реальность инженерного дела
Суть радара с непрерывной модуляцией частоты (FMCW) заключается в том, что “непрерывность” заменяется на “низкую пиковую мощность” и “отсутствие слепой зоны”, а “разность частот” — на “информацию о дальности”. Это позволяет обеспечить обнаружение с высоким разрешением при ограничениях по низкой пиковой мощности — успешная инженерная практика, основанная на философии “радаров новой архитектуры”, которую отстаивает академик Мао Эрке.
Для инженеров, занимающихся разработкой радиолокационных систем с непрерывной модуляцией частоты (FMCW), качество радиочастотного входного каскада напрямую определяет пределы возможностей системы. Линейность передатчика определяет точность определения дальности, коэффициент шума приемника — предельный уровень чувствительности, а фазовый шум сигнальной цепи — точность измерения скорости. Ассортимент продукции STARDL для всех этих этапов — от силовых устройств на основе GaN до малошумящих усилителей, от микроволновых РЧ-микросхем до готовых устройств — обеспечивает полную аппаратную поддержку РЧ-блока для радиолокационных систем с непрерывной модуляцией частоты (FMCW).
