AERIS-10: открытый фазированный радар 10.5 ГГц

Когда речь заходит о радарах, обычно представляется что-то военное: дорогая закрытая железка, многомиллионный бюджет, NDA на схемы. Проект AERIS-10 ломает это представление: полностью открытый фазированный радар на 10.5 ГГц, собранный в маленькой мастерской в Марокко, проект с 19 000 звёзд на GitHub. Ниже — что это за проект, как он устроен, кто им пользуется и почему он важен для open-source hardware.

Что такое AERIS-10

AERIS-10 — это open-source фазированная антенная решётка на 10.5 ГГц с Pulse Linear Frequency Modulation (PLFM, линейно-частотно-модулированные импульсы). Проект разрабатывает Nawfal Motii из ABAC INDUSTRY; стартовал в маленькой мастерской в Марокко и за три года вырос в сообщество с 19 000 звёздами и сотнями форков.

Цель проекта — демократизировать радарные технологии. Полностью открытые schematics, PCB layouts, firmware, FPGA-код и Python GUI. Доступны в двух вариантах:

• AERIS-10N (Nexus) — 3 км дальность, антенна 8×16 patch array, ~1 Вт × 16 каналов. Бюджетная версия для лабораторий и обучения.
• AERIS-10X (Extended) — 20 км дальность, антенна 32×16 dielectric-filled slotted waveguide, 10 Вт × 16 каналов на GaN-усилителях QPA2962. Серьёзный инструмент для исследовательских и оборонных задач.

Обе версии используют одну и ту же FPGA-плату и STM32-плату управления; различаются только антенной решёткой и силовой частью.

Зачем это нужно

Фазированные антенные решётки (phased array) — это сердце современных радаров: они позволяют электронно управлять лучом без механического поворота, что критично для слежения за быстро движущимися целями (дроны, ракеты) и для одновременной работы по нескольким направлениям. До сих пор эта технология была либо военной (стоимость в десятки тысяч долларов), либо университетской (закрытые прошивки и NDA на чипы).

AERIS-10 открывает несколько важных сценариев:

• Университетские лаборатории — студенты могут собрать реальный фазированный радар, изучить beamforming, pulse compression, Doppler processing, CFAR detection. Не на макете, не в симуляторе — на железе.
• Drone startups — для систем обнаружения и предотвращения столкновений с БПЛА. В 2024–2025 годах рынок anti-drone растёт экспоненциально, и AERIS-10 даёт стартовую платформу для прототипирования.
• SDR-энтузиасты — для экспериментов с цифровой обработкой сигналов на реальных радиочастотах. 10.5 ГГц (X-диапазон) даёт разрешение в единицы сантиметров на коротких дистанциях.
• Научные исследования — метеорологическая радиолокация, геодезия, weather monitoring, oceanography. Любая область, где нужен custom-радар с модифицируемой прошивкой.

Архитектура системы

Архитектура AERIS-10 — это модульный stack из 5–6 плат, каждая со своей чёткой ответственностью.

Power Management Board

Радар питается от единого входа (например, 12 В или 28 В от аккумулятора/адаптера), а Power Management Board распределяет все нужные напряжения с правильной фильтрацией и — критично для RF — sequencing. Порядок включения/выключения подсистем определяется микроконтроллером, чтобы RF-цепь не вышла из строя от случайного скачка напряжения в момент старта.

Frequency Synthesizer Board

Сердце всей RF-подсистемы — высокопроизводительный Low Jitter Clock Generator AD9523-1 от Analog Devices. Он выдаёт фазово-когерентные опорные частоты для:

• TX и RX Frequency Synthesizers (ADF4382)
• DAC, который генерирует chirps
• ADC для оцифровки принятого сигнала
• FPGA, которая ведёт всю обработку

Без такого jitter-clean распределения частот невозможна нормальная когерентная обработка радарных данных.

Main Board (FPGA + STM32 + RF front-end)

Main Board — главная плата с основными вычислительными и аналоговыми компонентами:

• DAC — генерирует RADAR chirps (PLFM-импульсы с линейной перестройкой частоты)
• 2× Microwave Mixers (LTC5552) — для up-conversion (DAC → 10.5 ГГц) и IF down-conversion (10.5 ГГц → baseband)
• 4× 4-Channel Phase Shifters (ADAR1000) — формируют диаграмму направленности, по 4 элемента антенны на каждом. На 16 каналов нужно 4 таких чипа.
• 16× Front End Chips (ADTR1107) — LNA (Low Noise Amplifier) на приёме, PA (Power Amplifier) на передаче, по одному на каждый канал антенны
• XC7A50T FPGA (Xilinx Artix-7) — на плате FTG256. Занимается всей цифровой обработкой сигнала: генерирует chirps через DAC, читает сырые данные с ADC, делает I/Q baseband down-conversion, decimation, CIC/FIR-фильтрацию, forward FFT, pulse compression, Doppler/MTI/CFAR processing. Отдаёт результаты через USB.
• STM32F746xx — для всего housekeeping: power-up/power-down sequencing, общение с FPGA, инициализация ADF4382/ADAR1000, опрос ADS7830 8-канальных I²C ADC для измерения тока покоя каждого PA-канала, инициализация DAC5578 для управления Vg (gate voltage) PA с калибровкой по target Idq, GPS-модуля UM982 для geo-привязки целей, IMU GY-85 для коррекции pitch/roll, барометра BMP180, stepper motor control для механического сканирования 360°.

16×УМ (только для Extended)

Версия Extended добавляет 16 отдельных плат PA на базе QPA2962 — это GaN-усилитель на 10 Вт, монтируется между front-end чипом и антенной. Суммарная излучаемая мощность получается 10 Вт × 16 = 160 Вт, что и обеспечивает 20-километровую дальность.

Антенная решётка

• AERIS-10N — 8×16 (128 элементов) patch-антенн на Rogers RO4350B. Простая, дешёвая, подходит для 3-км дальности.
• AERIS-10X — 32×16 (512 элементов) dielectric-filled slotted waveguide. Сложнее, дороже, но даёт намного лучшее усиление и угловое разрешение.

Как работает signal processing

Весь pipeline реализован на FPGA и Python GUI. Шаги:

1. Waveform Generation — DAC создаёт PLFM-chirp (линейно-частотно-модулированный импульс) — самый распространённый тип радарного сигнала благодаря возможности «сжатия» при приёме.
2. Up-conversion — LTC5552 mixer переносит baseband chirp с DAC на 10.5 ГГц для передачи.
3. Beam Steering — ADAR1000 phase shifters выставляют нужные фазовые задержки на 16 каналах для формирования луча в нужном направлении. Электронное сканирование ±45° в elevation и azimuth.
4. I/Q Down-conversion — на приёме 10.5 ГГц от антенны через LNA смешивается обратно в baseband через LTC5552, оцифровывается ADC и разделяется на I/Q-компоненты.
5. Decimation & Filtering — CIC/FIR-фильтры уменьшают sampling rate до разумного.
6. Pulse Compression — matched filter (свёртка с replica chirp) сжимает длинный импульс в короткий пик, увеличивая разрешение по дальности.
7. Doppler FFT — FFT по импульсам в одной позиции луча выявляет допплеровский сдвиг = радиальную скорость цели.
8. MTI & CFAR detection — Moving Target Indication убирает статические отражения, Constant False Alarm Rate детектор адаптивно выставляет порог для объявления цели.

Всё это происходит на FPGA в реальном времени, и через USB результаты уходят в Python GUI для визуализации и записи.

Сравнение AERIS-10N и AERIS-10X

Параметр	AERIS-10N (Nexus)	AERIS-10X (Extended)
Частота	10.5 ГГц	10.5 ГГц
Максимальная дальность	3 км	20 км
Антенна	8×16 patch array	32×16 slotted waveguide
Электронное сканирование	±45°	±45°
Механическое сканирование	360° (stepper)	360° (stepper)
Выходная мощность	~1 Вт × 16	10 Вт × 16 (GaN)
Processing	FPGA + STM32	FPGA + STM32

Extended — это не просто «больше антенн». У него совсем другой power budget: 160 Вт излучаемой мощности требуют серьёзного охлаждения (вентиляторы, температурный мониторинг через термисторы), мощного питания и соответствующего PA-стэка. Зато 20 км дальности — это уже территория серьёзных задач.

Документация

Автор серьёзно относится к документации — есть полноценный GitHub Pages сайт с разделами:

• System Architecture — описание всех модулей и их интерфейсов
• Implementation Log — хронология решений, что работает, что нет
• Hardware Bring-Up Guide — пошаговая инструкция для тех, кто собирает самостоятельно
• Test Reports — реальные измерения, дальность, beam pattern, CFAR performance
• Release Notes — что нового в каждой версии

В репозитории также чёткая структура каталогов:

• /4_Schematics and Boards Layout — schematics, PCB, BOM, Gerber
• /5_Simulations — моделирование (MATLAB/Python скрипты)
• /8_Utils — общие утилиты, фото, mechanical drawings
• /9_Firmware — FPGA-код (9_2_FPGA) и STM32-firmware
• /docs — опубликованные отчёты (GitHub Pages)

В репозитории есть явная политика размещения файлов: «do not leave generated artifacts in the repository root». Reports — в docs/, simulation outputs — в 5_Simulations/generated/, Vivado build outputs — в 9_Firmware/9_2_FPGA/reports/. Это упрощает contribution workflow.

С чего начать, если хочется попробовать

1. Прочитать README и System Architecture — это даст полную картину.
2. Заказать PCBs через PCBWay (производственные файлы в /4_Schematics and Boards Layout/4_7_Production Files).
3. Купить компоненты по BOM (тоже в /4_7_Production Files) — ADAR1000, AD9523-1, ADF4382, XC7A50T FPGA board, STM32F746 Nucleo и т.д. Большинство — mouser, digikey, lcsc.
4. Собрать по Hardware Bring-Up Guide.
5. Запустить Python GUI (Python 3.8+), подключиться по USB, увидеть радарные данные в реальном времени.

Покупных комплектов автор не продаёт — это чисто DIY, рассчитанный на людей, которые готовы паять и читать datasheets. Минимальные требования — базовое понимание принципов радара, опыт PCB-сборки, доступ к Vivado для модификации FPGA-прошивки.

Заключение

AERIS-10 — это редкий пример open-source hardware-проекта, который не просто «репо с кодом», а реально работающее железо с полным стеком от антенны до GUI. 19 000 звёзд за три года, спонсорство PCBWay, две открытые лицензии, активное сообщество — это не хобби одного энтузиаста, а тренд в сторону democratization sensing.

Для российских разработчиков проект интересен по нескольким причинам:

• Альтернатива дорогим западным радарным системам для обучения и прототипирования
• Документация на английском, открытая — можно изучать и форкать без юридических ограничений
• Конкретные reference-дизайны (ADAR1000, AD9523, Xilinx Artix-7) — то, что в РФ сейчас труднодоступно, но принципы остаются
• Anti-drone и БПЛА-обнаружение — активно развивающаяся тема в РФ

Если профессионально занимаетесь радарами, embedded или SDR — стоит хотя бы изучить архитектуру и подход к модульности. А если есть ресурсы собрать AERIS-10N — это будет уникальный стенд для экспериментов с beamforming, PLFM и CFAR, который не купишь в магазине.