I sistemi radar sono in grado di supportare operazioni critiche attraverso la previsione meteo, la sicurezza dell'aviazione, la sorveglianza della difesa e la guida autonoma. La qualità del segnale ricevuto da un radar determina direttamente la sua capacità di rilevare, individuare e identificare gli obiettivi con precisione. Tra i componenti più efficaci per preservare la fedeltà del segnale è il filtro passabanda. Trasmettendo selettivamente solo le frequenze di interesse, attenuando tutti gli altri, un filtro passaband riduce drasticamente il rumore, sopprime le tendenze di qualità e migliora le tendenze dell'articolo.

Fondamenti dei filtri per il passo della banda

Un filtro passabanda è una rete a due porte progettata per passare i segnali all'interno di una gamma di frequenze definita, la banda passante, con una minima attenuazione, mentre rifiuta i segnali al di fuori di tale gamma. Nei ricevitori radar, i filtri passabanda sono tipicamente posizionati dopo l'antenna e l'amplificatore a basso rumore (LNA) per modellare lo spettro ricevuto prima di un'ulteriore elaborazione.

Parametri di filtro chiave

  • Frequenza del cliente (f0):[] Il mezzo geometrico delle frequenze di taglio superiori e inferiori (spesso definite a −3 punti dB). In radar, f0 si allinea con la frequenza del vettore del polso trasmesso, come 9,4 GHz per i radar meteo X-band o 77 GHz per i radar automobilistici.
  • Bandwidth (BW):] La gamma di frequenze passava. La larghezza di banda radar influisce direttamente sulla risoluzione dell'intervallo: la larghezza di banda più ampia produce una risoluzione dell'intervallo più fine. Un filtro passabanda deve avere una larghezza di banda sufficiente per ospitare lo spettro di impulso modulato senza alterare il segnale.
  • Quality Factor (Q):]] Definito come f0 / BW. I filtri High-Q forniscono passabande strette e un'alta selettività, che è utile per rifiutare le interferenze adiacenti-canale ma possono introdurre variazioni di ritardo del gruppo più elevate.
  • Perdita di inserzione:[] L'alimentazione persa come il segnale attraversa il filtro. Nei ricevitori radar, la perdita di inserimento bassa è fondamentale per evitare di degradare la figura del rumore.
  • Rigetto a banda larga:[] L'attenuazione fornita al di fuori della banda passante. Il rifiuto profondo (60 dB o più) è spesso richiesto per sopprimere forti interferenze a banda larga o frequenze di immagine.
  • Dista di gruppo:[] Il derivato della risposta di fase rispetto alla frequenza. Il ritardo del gruppo lineare (constant over the passband) preserva la forma di impulso, il ritardo del gruppo non lineare può alterare le forme d'onda modulate in fase utilizzate nei radar moderni.

Topologie filtro comuni per Radar

I filtri per il passaggio della banda radar sono implementati utilizzando una varietà di tecnologie, ognuna con i trade-off tra dimensioni, gestione della potenza, fattore Q e costi.

  • Filtri di Burworth:[ Risposta a banda larga ma un roll-off graduale. Adatto quando l'ampiezza della banda è fondamentale.
  • Filtri Chebyshev:[] Steeper roll-off rispetto a Butterworth a spese della banda passante.Utile per il rifiuto aggressivo di interferenze ravvicinate.
  • Filtri ellittici (Cauer):[] Equiripple sia in banda passante che in stopband, ottenendo la transizione più nitida per un dato ordine di filtro.
  • Filtri di cavità:[] Cavità di risonanza vuoto (waveguide o coassiali) per raggiungere la Q molto alta (thousands) e la perdita di inserimento basso.
  • Filtri a microstrip e a righe:[[] Progetti planari utilizzando la tecnologia di circuiti stampati. Più piccolo e più economico, ma con Q moderata, adatto per moduli radar compatti come sensori automobilistici.
  • Filtri SAW/BAW:[ I dispositivi a onde acustiche a superficie o a massa forniscono un Q molto alto in un piccolo pacchetto per le fasi IF (ad esempio, dopo la conversione down‐conversion).

Come i filtri del passo della banda migliorano la qualità del segnale radar

I segnali radar sono vulnerabili a una vasta gamma di disagi: rumore termico dal ricevitore front-end, clutter restituisce da terreno o tempo, interferenza co-canale intenzionale o involontario, e segnali spuri da miscelazione armonica. Il filtro passaband agisce come la prima linea di difesa in diversi modi.

Riduzione del rumore e miglioramento del SNR

Senza un filtro passabanda, il ricevitore amplierebbe il rumore su tutte le frequenze, degradando SNR. Limitando la larghezza di banda di rumore a quella occupata dal segnale desiderato, il filtro riduce la potenza di rumore che entra nel rilevatore. Il miglioramento della banda di SNR è proporzionale al rapporto tra la larghezza di banda del ricevitore totale e il filtro di segnale equivalente a banda di trasmissione MHz.

Rigetto e discriminazione di destinazione

Il Clutter – eco indesiderati da terra, mare, pioggia o edifici – spesso ha un cambio di frequenza Doppler diverso da quello degli obiettivi in movimento. Mentre l'indicazione di destinazione (MTI) e l'elaborazione Doppler si basano sui cambiamenti di fase di impulso-to-pulse, il filtro passabanda impedisce segnali di ingombro stazionari che cadono al di fuori della gamma di frequenza prevista di obiettivi in movimento da saturare il ricevitore.

Interferenza Mitigazione

I radar operano spesso in ambienti di spettro affollati, oltre ai collegamenti di comunicazione, alle stazioni di trasmissione o ad altri radar. Un filtro passabanda con alto rigetto a banda fissa attenua i segnali da queste fonti prima di raggiungere le fasi di amplificatore sensibili. Ciò è particolarmente importante per i radar militari che devono operare in ambienti elettromagnetici contestati. Il filtro sopprime anche le frequenze di immagine prodotte durante il processo di miscelazione down-conversion, impedendo obiettivi falsi.

Conservazione della forma e della risoluzione della gamma di impulsi

Nei radar di compressione del polso, la forma d'onda trasmessa è graduale o modulata in frequenza (ad esempio, modulazione lineare della frequenza). Il segnale ricevuto viene elaborato con un filtro abbinato per ricostruire un impulso corto e ad alta risoluzione. Qualsiasi distorsione nell'ampiezza o nella risposta di fase del filtro passa banda causerà degrado sidelobe, ampliando il lobo principale e riducendo la risoluzione dell'intervallo.

Considerazioni di progettazione per filtri Radar Band Pass

La progettazione di un filtro passabanda ottimale per un'applicazione radar richiede il bilanciamento dei requisiti di conflitto.

Larghezza di banda e risoluzione di gamma

Una larghezza di banda più ampia migliora la risoluzione dell'intervallo (ΔR = c / (2 BW)), ma ammette anche più rumore e interferenze. La larghezza di banda del filtro deve essere accuratamente abbinata alla larghezza di banda di impulso trasmessa. Per un semplice impulso ondulato, la larghezza di banda del filtro è tipicamente impostata a circa 1 / τ (τ = larghezza di impulso) per massimizzare SNR evitando l'allungamento del polso.

Linearità di fase e piattanza del distacco del gruppo

La risposta di fase non lineare introduce la dispersione, che può distorcere il polso e causare la compressione sidelobe asimmetria. I progettisti del filtro radar specificano il ritardo del gruppo ripple (spesso meno di 10 ns sul passband per i sistemi a banda X) e possono usare le tecniche di equalizzazione o scegliere le topologie del filtro di Bessel o lineare-fase per ridurre al minimo la distorsione.

Stabilità della temperatura e della vibrazione

I sistemi radar operano in ambienti difficili: i radar aerodinamici sperimentano oscillazioni e vibrazioni estreme; i radar a terra devono funzionare in pioggia, ghiaccio e in vaste gamme termiche. La frequenza centrale del filtro e la larghezza di banda devono rimanere stabili. I filtri a cavità che utilizzano Invar o altri materiali a bassa espansione, o i risonatori dielettrici a temperatura controllata, sono spesso necessari.

Integrazione con il ricevitore Front‐End

Il filtro passa banda viene solitamente posizionato dopo l'LNA per ridurre i contributi della figura del rumore. Tuttavia, la perdita di inserimento del filtro aggiunge direttamente alla figura del rumore del ricevitore (NF). Pertanto, il filtro deve avere una perdita molto bassa (tipicamente <1 dB per i filtri della cavità della guida d'onda, <2 dB per il microstrip).

Applicazioni in diversi sistemi radar

Controllo del traffico aereo (ATC) Radars

I radar ATC (ad esempio, ASR‐11) operano nella banda S (2.7-2.9 GHz) e richiedono un alto rifiuto di interferenze da comunicazioni e di navigazione nelle vicinanze. I filtri passanti a banda con gonne ripide (rifiuti a 80 dB a 10 MHz) vengono utilizzati per garantire che solo i ritorni all'interno della banda di frequenza assegnata vengano elaborati.

Radars meteo

I sistemi radar meteorologici, come il WSR‐88D (NEXRAD) che operano a 2.7–3.0 GHz, utilizzano filtri per il passaggio della banda per sopprimere la disfunzione del suolo e rifiutare le interferenze dai radar vicini. La larghezza di banda del filtro è abbinata alla lunghezza del polso utilizzata per diverse strategie di scansione (ad esempio, 1 μs di larghezza di impulso produce una larghezza di banda di 1 MHz).

Radars militari e di difesa

I filtri per il passaggio di band nei radar militari (ad esempio AN/SPY‐1, PESA/AESA) sono spesso implementati come filtri per la cavità di waveguide con Q molto alto per rifiutare i segnali di jamming. Possono includere banche commutabili di filtri per selezionare diversi canali di frequenza, consentendo l'agilità di frequenza per evadere il rilevamento e il jamming nemico.

Radar automobilistici

I moduli radar automobilistici (24 GHz banda stretta e 77 GHz banda larga) devono essere piccoli, leggeri e poco costosi. tipicamente utilizzano filtri per il passaggio a banda integrata a microstrip o substrato (SIW) per ottenere la larghezza di banda del filtro deve ospitare la larghezza di banda di cirp (ad esempio, 4 GHz nella banda 77 GHz) per ottenere la risoluzione di portata richiesta di 5-10 cm.

Confronto con altri tipi di filtro in Sistemi radar

Mentre i filtri per il passaggio della banda sono i più comuni, altri tipi di filtro servono ruoli complementari.

Filtri a basso passi e ad alto passo

I filtri a basso passaggio vengono utilizzati dopo che i mixer rifiutano la banda laterale superiore o la frequenza delle immagini, mentre i filtri ad alto passaggio possono sopprimere il rumore a bassa frequenza (ad esempio il rumore del flicker). Tuttavia, non fornisce il rifiuto a banda esterna necessario per rimuovere i forti interferenze situati su entrambi i lati del vettore.

Filtri di Notch

I filtri Notch (band-stop) vengono utilizzati per eliminare i noti interferenziatori a banda stretta, come ad esempio un canale di comunicazione specifico o un'armonica del trasmettitore.

In pratica, i ricevitori radar possono incorporare una catena di filtri: un filtro passabanda preimpostatore all'antenna, un filtro di risoluzione immagine dopo il primo mixer, un filtro passabanda selettore a canale all'IF, e un filtro passa-basso prima dell'ADC.

Tendenze future nella tecnologia Radar Band Pass Filter

Poiché i sistemi radar si evolvono verso frequenze più elevate, le larghezze di banda più grandi e gli ambienti più dinamici, la tecnologia dei filtri deve avanzare.

Filtri per computer e computer

I filtri passabanda regolabili utilizzando varagori, condensatori MEMS o materiali ferroelettrici consentono a un singolo radar di operare attraverso bande di frequenza multiple.Il controllo software consente un rapido battito di frequenza per la condivisione di radar e spettro cognitivi, rendendo il filtro un componente adattativo della catena del segnale.

Filtri attivi integrati

I filtri per il passaggio a banda attiva On-chip che utilizzano i processi SiGe o CMOS sono in fase di sviluppo per i array a onde mm. Offrono una tunability e piccole dimensioni, ma affrontano le sfide con il rumore e la linearità. Le tecniche di feedback-forward o negativo-feedback possono migliorare le loro prestazioni per le applicazioni radar.

Filtri per il passaggio della banda MMIC

I circuiti integrati monolitici a microonde possono integrare i filtri passabanda con LNA, mixer e turner di fase su un unico stampo, riducendo le perdite di interconnessione.Per i radar 5G e automotive a 28 GHz, 39 GHz e 77 GHz, questi filtri si affidano a risuonare lumped-element (induttori dispirale e condensatori MIM) o alle strutture di linea di trasmissione distribuite.

Filtri a onde acustiche per frequenze più elevate

Sebbene i filtri SAW e BAW siano tradizionalmente limitati a circa 6 GHz, nuovi materiali come nitride in alluminio e nitruro in alluminio con scandio spingono i risonatori BAW nella gamma mm-wave, che offrono un'impronta molto alta e piccola, rendendoli attraenti per le future fasi radar IF.

Conclusioni

Grazie alla scelta della banda di interesse, essi riducono il rumore termico, riducono il rumore, rifiutano le interferenze e preservano la fedeltà delle forme d'onda modulate. Il design di questi filtri richiede un'attenta considerazione della larghezza di banda, del fattore Q, della perdita di inserimento, del ritardo di gruppo e della stabilità ambientale, tutto su misura per la specifica applicazione radar.

Per ulteriori informazioni, vedere la revisione completa dei filtri del ricevitore radar IEEE Transazioni su Teoria e Tecniche del microonde[], la nota di applicazione sul disegno del filtro per i sistemi radar da Analog Devices, e il tutorial sui principi fondamentali del filtro della banda RadarTutorial.eu[