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  車用雷達(dá)系統(tǒng)的性能，從最大偵測(cè)距離開始：可以偵測(cè)到多遠(yuǎn)的障礙物?我們需要盡可能有「遠(yuǎn)見」，以便能夠盡早偵測(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，如何進(jìn)行優(yōu)化以擴(kuò)大偵測(cè)距離?

  根據(jù)應(yīng)用范圍，對(duì)距離的要求會(huì)有所不同。例如，長距雷達(dá)(LRR)不需要高分辨率或大視角，但要盡量增加偵測(cè)距離，以增加高速行駛時(shí)的反應(yīng)時(shí)間并避免發(fā)生事故。另一方面，短距雷達(dá)(SRR)不需要看得很遠(yuǎn)，傾向于更高的分辨率和視角。然而，即便在這樣的配置下，只要提升幾公分的距離都可能有助于避免在復(fù)雜駕駛環(huán)境中的事故，例如城市或擁擠的停車場。

  圖1：雷達(dá)偵測(cè)范圍

  1.1 雷達(dá)偵測(cè)距離和計(jì)算方程式

  影響雷達(dá)偵測(cè)范圍的因素很多是設(shè)計(jì)者無法控制的，因此，需要先由與電磁波和模擬前端訊號(hào)傳遞相關(guān)的基本信息著手。

  雷達(dá)偵測(cè)范圍(R)通過其鏈路預(yù)算直接與雷達(dá)MMIC收發(fā)器的射頻 (RF) 性能相關(guān)聯(lián)，在這種情況下稱為雷達(dá)范圍方程。RF接收器前端所接收到的功率(Pr)是由發(fā)射器前端的輸出功率(Pt)、發(fā)射和接收天線的增益(Gtx和Grx)、工作頻率(通過波長λ)和目標(biāo)的雷達(dá)橫截面(σ)所組成的函數(shù)：

  λ4/(4π?R)4代表在自由空間中的雙向傳播損耗，而(4π?σ)/λ2代表目標(biāo)上的反射。鏈路預(yù)算和對(duì)雷達(dá)方程式的不同貢獻(xiàn)如圖2所示。

  圖2：雷達(dá)系統(tǒng)鏈路預(yù)算示意圖

  在系統(tǒng)參考文件ETSI TR 103 593 V1.1.1(2020-05)「傳輸特性：77GHz至81GHz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)為不同雷達(dá)操作模式下天線增益(見表1)和接收鏈的最小檢測(cè)功率(-110dBm)提供了一組假設(shè)值，也列出典型目標(biāo)的參考雷達(dá)截面(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)典型目標(biāo)的雷達(dá)截面積。

  這些數(shù)值可作為評(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

  目前大部分收發(fā)器都是硅基的RFIC(射頻整合電路)，不僅可以在單個(gè)芯片上整合多種功能，也可以根據(jù)車用雷達(dá)的要求整合多個(gè)發(fā)射和接收通道。轉(zhuǎn)換到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的方塊圖如圖3所示。

  圖3：多通道雷達(dá)MMIC收發(fā)器的簡易方塊圖

  雷達(dá)系統(tǒng)的整體性能受到雷達(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每個(gè)傳輸鏈提供的功率是雷達(dá)性能的關(guān)鍵。為此，必須考慮射頻功率放大器的輸出功率。根據(jù)此參數(shù)并考慮上述的雷達(dá)方程式，在理想情況下，指定接收器靈敏度(Prmin)時(shí)最大可達(dá)到范圍可由以下算式計(jì)算得到：

  由這個(gè)方程式可以知道，增加發(fā)射功率P_t將可以進(jìn)一步擴(kuò)展雷達(dá)的偵測(cè)范圍。例如，長距雷達(dá)(LRR)的輸出功率每增加1dB，便能夠分別增加2.8公尺(自行車)、6公尺(摩托車)，和11公尺(一般房車)的偵測(cè)距離，如圖4所示。在高速公路上高速行駛時(shí)，這意味著面對(duì)非預(yù)期的交通障礙物是否來得及剎車。

  圖4：LRR的偵測(cè)范圍與射頻輸出功率

  增加輸出功率的好處也可以在短距離應(yīng)用中看到。對(duì)于超短距雷達(dá)(USRR)，發(fā)射功率增加1dB，意味著增加35~50公分的范圍來偵測(cè)小孩、行人或自行車，如圖5所示。這對(duì)于行駛在擁擠的城市環(huán)境中尤其重要，可避免與高度脆弱的受害者發(fā)生事故。

  圖5：USRR的偵測(cè)范圍與射頻輸出功率

  當(dāng)然，這些計(jì)算沒有考慮實(shí)際場景中的額外損耗(例如下雨、多徑傳播...)，這些因素都會(huì)相對(duì)于理想情況降低雷達(dá)的偵測(cè)范圍。例如，雷達(dá)模塊通常放置在汽車標(biāo)志或保險(xiǎn)桿后面，保險(xiǎn)桿面板將造成2~8db的損耗，實(shí)際數(shù)值取決于成分和油漆。這意味著在偵測(cè)范圍內(nèi)損失了11~37%，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)

  除了偵測(cè)閾值外，系統(tǒng)還需要最小化信號(hào)噪聲比(SNR)以確保訊號(hào)的質(zhì)量。雷達(dá)接收器的SNR是接收功率Pr與噪聲功率N的比值，可以從考慮環(huán)境溫度T和信號(hào)持續(xù)時(shí)間Tmeas的雷達(dá)方程式推導(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)，可解釋來自接收器的噪聲。

  給予一定的偵測(cè)閾值SNRmin，理論上可達(dá)到的最大范圍為：

  此方程式說明，透過降低噪聲因子F(以及相反的噪聲系數(shù)NF)，雷達(dá)偵測(cè)范圍將增加。假設(shè)系統(tǒng)需要20dB的SNR閾值，并考慮與上述相同的范例。

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

  圖6：LRR的偵測(cè)范圍與噪聲系數(shù)

  這對(duì)短距離范圍的影響也很顯著：降低1dB的噪聲系數(shù)，可以獲得50公分到1公尺的距離，以偵測(cè)出道路上最脆弱的使用者(兒童、成人行人和自行車)，如圖7所示。

  圖7：USRR的偵測(cè)范圍與噪聲系數(shù)

  因此，接收器鏈的噪聲系數(shù)也是雷達(dá)MMIC收發(fā)器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。由于噪聲主要來自于仿真接收鏈中的第一個(gè)放大器(圖8)，所以雷達(dá)MMIC收發(fā)器中的LNA應(yīng)精心設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以降低噪聲系數(shù)。

  圖8：射頻接收鏈的簡易方塊圖

  1.2.3 設(shè)計(jì)權(quán)衡

  鑒于這些結(jié)果，如果想透過優(yōu)化雷達(dá)MMIC收發(fā)器的RF性能來增加雷達(dá)系統(tǒng)的范圍，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)。其中任何一個(gè)的性能提升都可以增加偵測(cè)范圍，但是應(yīng)該選擇哪一個(gè)進(jìn)行優(yōu)化呢?

  更高的輸出功率有助于補(bǔ)償因現(xiàn)實(shí)環(huán)境造成的額外損失，此外，也可提供更好的抗干擾保護(hù)。但另一方面，MMIC將會(huì)有更高的功耗和能量轉(zhuǎn)換，多發(fā)射通道的整合也會(huì)讓這個(gè)問題更加嚴(yán)重。

  如果功耗很重要，調(diào)整噪聲系數(shù)可能是更好的選擇，因此節(jié)能的MMIC將會(huì)是簡潔的解決方案。然而，低噪聲系數(shù)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)可能會(huì)較少，因?yàn)椴恍枰男盘?hào)將跟著所需的信號(hào)被放大。

  理想情況下，考慮到所選的半導(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。

  雷達(dá)距離偵測(cè)的限制和相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，只著重MMIC的射頻性能。雷達(dá)MMIC還有一些額外的參數(shù)規(guī)格會(huì)限制偵測(cè)距離，例如模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)。也可以透過優(yōu)化訊號(hào)鏈上的數(shù)字接收和處理來增加范圍，以便獲得有用的信號(hào)以降低接收功率和SNR。