在本篇專門介紹汽車?yán)走_(dá)的博客中，介紹了使用雷達(dá)的原因以及調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的工作原理。現(xiàn)在，我們將關(guān)注系統(tǒng)的性能，從它的最大檢測(cè)范圍開始：我們可以檢測(cè)到多遠(yuǎn)的前方障礙物？我們需要盡可能有遠(yuǎn)見，以便能夠檢測(cè)到障礙物并采取必要的行動(dòng)（圖 1）。雷達(dá)MMIC收發(fā)器的參數(shù)有哪些，可以優(yōu)化到這個(gè)范圍？

當(dāng)然，根據(jù)應(yīng)用程序，對(duì)范圍的期望會(huì)有所不同。例如，遠(yuǎn)程雷達(dá) （LRR） 不需要高分辨率或?qū)捯晥?chǎng)，但旨在實(shí)現(xiàn)盡可能高的范圍，以增加反應(yīng)時(shí)間并避免高速行駛時(shí)發(fā)生事故。另一方面，短程雷達(dá) （SRR） 不需要看得很遠(yuǎn)，更喜歡具有更高的分辨率和視場(chǎng)。然而，即使在這種配置中，任何可以添加到范圍的額外厘米都可能有助于防止復(fù)雜駕駛環(huán)境中的事故，例如城市或擁擠的停車場(chǎng)。

1.1 雷達(dá)探測(cè)距離和雷達(dá)距離方程

影響雷達(dá)探測(cè)范圍的因素很多，設(shè)計(jì)者無法控制。因此，在第一步中，我們需要使用與電磁波傳播和模擬前端相關(guān)的可用基本信息。

雷達(dá)范圍R通過其鏈路預(yù)算直接與雷達(dá) MMIC 收發(fā)器的 RF 性能相關(guān)，在這種情況下稱為雷達(dá)范圍方程，它提供作為輸出函數(shù)的傳遞到 RF 接收器前端的功率Pr發(fā)射器前端的功率 （ P t ），發(fā)射和接收天線的增益 （ G tx和G rx）、工作頻率（通過波長 λ）和目標(biāo)的雷達(dá)橫截面（σ）：

λ 4 /（4 π ? R ） 4表示 雙向自由空間損失，而 （4 π ? σ ）/ λ 2 表示目標(biāo)上的反射。鏈路預(yù)算和對(duì)雷達(dá)方程的不同貢獻(xiàn)如圖 2 所示。

圖 2：雷達(dá)系統(tǒng)鏈路預(yù)算示意圖。

在其系統(tǒng)參考文件 ETSI TR 103 593 V1.1.1 （2020-05） “傳輸特性；77 GHz 至 81 GHz 頻率范圍內(nèi)地面車輛應(yīng)用的無線電測(cè)定設(shè)備的技術(shù)特性”，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì) （ETSI） 提供了一組不同雷達(dá)操作模式下天線增益的假設(shè)值（見表 1 ） 和接收鏈的最小檢測(cè)功率 （-110dBm）。還列出了典型目標(biāo)的參考雷達(dá)截面值（表 2）。

表 1：根據(jù) ETSI TR 103 593 V1.1.1 （2020-05） 對(duì)雷達(dá)傳感器天線增益的假設(shè)（假設(shè) Gtx=Grx）。

表 2：根據(jù) ETSI TR 103 593 V1.1.1 （2020-05） 的典型目標(biāo)的雷達(dá)橫截面值。

這些值可用作評(píng)估和比較不同雷達(dá)系統(tǒng)理論性能的基準(zhǔn)。

1.2 雷達(dá)MMIC

如今，這些收發(fā)器是硅 RFIC（射頻集成電路），不僅可以在單個(gè)芯片上集成多種功能，而且還可以根據(jù)汽車?yán)走_(dá)的要求具有多個(gè)發(fā)射和接收通道。過渡到 CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）將降低雷達(dá) MMIC 的成本和功耗。CMOS 還完全不受溫度變化的影響，這是惡劣汽車環(huán)境中的理想特性。收發(fā)器 MMIC 的框圖示例如圖 3 所示。

圖 3：多通道雷達(dá) MMIC 收發(fā)器的簡(jiǎn)化框圖。

雷達(dá)系統(tǒng)的整體性能將受到雷達(dá) MMIC 收發(fā)器中模擬射頻發(fā)射和接收性能的強(qiáng)烈影響。在范圍限制的情況下，需要考慮兩個(gè)主要參數(shù)：發(fā)射器的輸出功率和接收器的噪聲系數(shù)。

1.2.1 發(fā)射功率

MMIC 的每個(gè)傳輸鏈提供的功率將是雷達(dá)性能的關(guān)鍵。為此，我們必須考慮射頻功率放大器的輸出功率。基于該參數(shù)，并考慮上述雷達(dá)方程，在理想情況下，給定接收器靈敏度 （P rmin ） 的最大可達(dá)到范圍可計(jì)算為：

這個(gè)方程表明，增加發(fā)射功率 P_t 將自動(dòng)擴(kuò)展雷達(dá)的范圍。例如，遠(yuǎn)程雷達(dá) （LRR） 的輸出功率增加 1dB 將使我們能夠檢測(cè)到自行車 2.8 m、摩托車 6 m 和典型汽車 11 m，如圖 4 所示。高速行駛時(shí)在高速公路上，這可能意味著按時(shí)制動(dòng)或撞到意外的交通障礙物之間的差異。

圖 4 LRR 的檢測(cè)范圍與射頻輸出功率

但增加輸出功率的好處也可以在短距離應(yīng)用中看到。對(duì)于 USRR（超短程雷達(dá)），發(fā)射功率增加 1 dB 將意味著增加 35 到 50 cm 或檢測(cè)到小孩、行人或自行車，如圖 5 所示。這對(duì)于駕駛尤其重要在擁擠的城市環(huán)境中，以避免與高度脆弱的受害者發(fā)生事故。

圖 5 USRR 的檢測(cè)范圍與射頻輸出功率

當(dāng)然，這些計(jì)算沒有考慮實(shí)際場(chǎng)景中的額外損耗（例如下雨、多徑傳播……），所有這些因素都會(huì)相對(duì)于理想情況降低雷達(dá)探測(cè)范圍。例如，雷達(dá)模塊通常放置在汽車標(biāo)志或保險(xiǎn)杠后面。保險(xiǎn)杠面板將引入 2 到 8 分貝的損失，具體取決于它們的成分和油漆。這意味著在檢測(cè)范圍內(nèi)損失了 11% 到 37%。提供盡可能多的輸出有助于解決這個(gè)問題。因此，優(yōu)化射頻發(fā)射鏈的性能，尤其是功率放大器的最后一級(jí)，是至關(guān)重要的。

1.2.2 噪聲系數(shù)

除了檢測(cè)閾值外，系統(tǒng)還需要最小信噪比 （SNR） 來執(zhí)行雷達(dá)處理。雷達(dá)接收機(jī)的 SNR 是接收功率P r與噪聲功率N之間的比值。它可以從考慮環(huán)境溫度T和信號(hào)持續(xù)時(shí)間T meas的雷達(dá)方程中推導(dǎo)出：

其中k是波爾茲曼常數(shù)，F(xiàn)是噪聲因子（以 dB 為單位，噪聲系數(shù)NF），它解釋了接收器的噪聲貢獻(xiàn)。

給定一定的檢測(cè)閾值SNR min，理論上可達(dá)到的最大范圍可以確定為：

該方程表明，通過降低噪聲因子 F（以及相反的噪聲系數(shù) NF），雷達(dá)探測(cè)范圍將增加。讓我們假設(shè)系統(tǒng)需要 20dB 的 SNR 閾值，并考慮與上述相同的示例。

在 LRR 的情況下，如圖 6 所示，將噪聲系數(shù)降低 1dB 將使范圍增加 4m（自行車）、10m（摩托車）和 13m（汽車）。

圖 6 LRR 的檢測(cè)范圍與噪聲系數(shù)

這種范圍增加在短距離范圍內(nèi)也很顯著，通過降低 1dB 的噪聲系數(shù)，可以贏得 50cm 到 1m 的距離，以檢測(cè)最脆弱的交通參與者（兒童和成人行人和自行車），如圖 7 所示。

圖 7 USRR 的檢測(cè)范圍與噪聲系數(shù)

因此，接收器鏈的噪聲系數(shù)也將成為雷達(dá) MMIC 收發(fā)器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。由于噪聲的主要貢獻(xiàn)者是模擬接收鏈中的第一個(gè)放大器（圖 8），因此雷達(dá) MMIC 收發(fā)器中的 LNA 應(yīng)經(jīng)過精心設(shè)計(jì)和優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)低噪聲系數(shù)。

圖 8 射頻接收鏈的簡(jiǎn)化圖。

1.2.3 設(shè)計(jì)權(quán)衡

鑒于這些結(jié)果，如果我們想通過優(yōu)化雷達(dá) MMIC 收發(fā)器的 RF 性能來擴(kuò)展雷達(dá)系統(tǒng)的范圍，則有兩個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)，即輸出功率和噪聲系數(shù)。它們中的任何一個(gè)更好的性能都會(huì)增加檢測(cè)范圍。但是應(yīng)該選擇哪一個(gè)進(jìn)行優(yōu)化？

擁有更高的輸出功率將有助于補(bǔ)償由現(xiàn)實(shí)生活環(huán)境造成的額外損失。此外，它將提供更好的抗干擾保護(hù)。另一方面，MMIC 會(huì)有更高的功耗和功耗。這個(gè)問題將隨著更多傳輸通道的集成而增加。

如果功耗很關(guān)鍵，調(diào)整噪聲系數(shù)可能是更好的選擇。這是節(jié)能 MMIC 的優(yōu)雅解決方案。然而，低噪聲系數(shù)將需要更高的 RX 增益，這反過來會(huì)影響接收器的線性度。此外，對(duì)干擾的保護(hù)可能較少，因?yàn)椴恍枰男盘?hào)將沿著所需的信號(hào)被放大。

理想情況下，考慮到所選半導(dǎo)體技術(shù)和整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)的局限性，兩者都應(yīng)盡可能地進(jìn)行調(diào)整。

1.3 結(jié)論

在本條目中，介紹了雷達(dá)距離檢測(cè)的限制和設(shè)計(jì)參數(shù)。當(dāng)然，我們只關(guān)注 MMIC 的射頻性能。雷達(dá) MMIC 還有一些附加參數(shù)可以限制范圍，例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）。還可以通過優(yōu)化數(shù)字接收和處理鏈來增加范圍，從而可以獲得有用的信號(hào)以降低接收功率和 SNR。

審核編輯：郭婷