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  車用雷達系統(tǒng)的性能，從最大偵測距離開始：可以偵測到多遠的障礙物?我們需要盡可能有「遠見」，以便能夠盡早偵測到障礙物并采取必要的行動(圖1)。雷達MMIC收發(fā)器的參數(shù)有哪些，如何進行優(yōu)化以擴大偵測距離?

  根據(jù)應用范圍，對距離的要求會有所不同。例如，長距雷達(LRR)不需要高分辨率或大視角，但要盡量增加偵測距離，以增加高速行駛時的反應時間并避免發(fā)生事故。另一方面，短距雷達(SRR)不需要看得很遠，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：雷達偵測范圍

  1.1 雷達偵測距離和計算方程式

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

  雷達偵測范圍(R)通過其鏈路預算直接與雷達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)和目標的雷達橫截面(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代表目標上的反射。鏈路預算和對雷達方程式的不同貢獻如圖2所示。

  圖2：雷達系統(tǒng)鏈路預算示意圖

  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)地面車輛應用的無線電測定設備的技術(shù)特性」，歐洲電信標準協(xié)會(ETSI)為不同雷達操作模式下天線增益(見表1)和接收鏈的最小檢測功率(-110dBm)提供了一組假設值，也列出典型目標的參考雷達截面(表2)。

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

  表2：根據(jù)ETSI TR 103 593 V1.1.1(2020-05)典型目標的雷達截面積。

  這些數(shù)值可作為評估和比較不同雷達系統(tǒng)理論性能的基準。

  1.2 雷達MMIC

  目前大部分收發(fā)器都是硅基的RFIC(射頻整合電路)，不僅可以在單個芯片上整合多種功能，也可以根據(jù)車用雷達的要求整合多個發(fā)射和接收通道。轉(zhuǎn)換到CMOS(互補金屬氧化物半導體)將降低雷達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MMIC收發(fā)器的簡易方塊圖

  雷達系統(tǒng)的整體性能受到雷達MMIC收發(fā)器中模擬射頻發(fā)射和接收性能的強烈影響。在范圍限制的情況下，需要考慮兩個主要參數(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每個傳輸鏈提供的功率是雷達性能的關(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)并考慮上述的雷達方程式，在理想情況下，指定接收器靈敏度(Prmin)時最大可達到范圍可由以下算式計算得到：

  由這個方程式可以知道，增加發(fā)射功率P_t將可以進一步擴展雷達的偵測范圍。例如，長距雷達(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)的偵測距離，如圖4所示。在高速公路上高速行駛時，這意味著面對非預期的交通障礙物是否來得及剎車。

  圖4：LRR的偵測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用中看到。對于超短距雷達(USRR)，發(fā)射功率增加1dB，意味著增加35~50公分的范圍來偵測小孩、行人或自行車，如圖5所示。這對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的偵測范圍與射頻輸出功率

  當然，這些計算沒有考慮實際場景中的額外損耗(例如下雨、多徑傳播...)，這些因素都會相對于理想情況降低雷達的偵測范圍。例如，雷達模塊通常放置在汽車標志或保險桿后面，保險桿面板將造成2~8db的損耗，實際數(shù)值取決于成分和油漆。這意味著在偵測范圍內(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，是至關(guān)重要的。

  1.2.2 噪聲系數(shù)

  除了偵測閾值外，系統(tǒng)還需要最小化信號噪聲比(SNR)以確保訊號的質(zhì)量。雷達接收器的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和信號持續(xù)時間Tmeas的雷達方程式推導出：

  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。

  給予一定的偵測閾值SNRmin，理論上可達到的最大范圍為：

  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)，雷達偵測范圍將增加。假設系統(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的偵測范圍與噪聲系數(shù)

  這對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的偵測范圍與噪聲系數(shù)

  因此，接收器鏈的噪聲系數(shù)也是雷達MMIC收發(fā)器設計的關(guān)鍵參數(shù)。由于噪聲主要來自于仿真接收鏈中的第一個放大器(圖8)，所以雷達MMIC收發(fā)器中的LNA應精心設計和優(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 設計權(quán)衡

  鑒于這些結(jié)果，如果想透過優(yōu)化雷達MMIC收發(fā)器的RF性能來增加雷達系統(tǒng)的范圍，有兩個關(guān)鍵的設計參數(shù)，即輸出功率和噪聲系數(shù)。其中任何一個的性能提升都可以增加偵測范圍，但是應該選擇哪一個進行優(yōu)化呢?

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

  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，這反過來會影響接收器的線性度;此外，對干擾的保護可能會較少，因為不需要的信號將跟著所需的信號被放大。

  理想情況下，考慮到所選的半導體技術(shù)和整體系統(tǒng)設計的局限性，兩者都應盡可能地進行調(diào)整。

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