從射頻角度來看車用雷達(dá)若干設(shè)計(jì)方案

車用雷達(dá)是駕駛輔助系統(tǒng)的重要組成部份。其不僅提供駕駛?cè)藛T舒適從而減少緊張感的駕駛環(huán)境，更為全面提高道路交通安全奠定必要的基礎(chǔ)。從設(shè)計(jì)車用雷達(dá)及其最佳化到大量生產(chǎn)，以及安裝除錯(cuò)，都會(huì)使用到多種檢驗(yàn)與測(cè)量方法。本文僅從射頻(RF)測(cè)量技術(shù)角度探討車用雷達(dá)的若干設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

雷達(dá)波形的線性度

與其他的雷達(dá)技術(shù)相類似，車用雷達(dá)同樣借由接收目標(biāo)物體的反射信號(hào)，并進(jìn)一步分析接收信號(hào)與原始發(fā)射信號(hào)之間在時(shí)間、頻率以及相位上的多重相關(guān)性，從而判斷目標(biāo)物體與雷達(dá)之間的相對(duì)速度與空間位置。

車用雷達(dá)的核心技術(shù)之一是雷達(dá)波形設(shè)計(jì)。線性頻率調(diào)變連續(xù)波(LFMCW，常簡(jiǎn)稱為FMCW)是一種常用的雷達(dá)波形。發(fā)射信號(hào)(亦即波形)的穩(wěn)定度與線性度直接影響雷達(dá)對(duì)目標(biāo)物體的辨識(shí)能力。由于車用雷達(dá)大多工作在毫米波頻段，所選用的各種材料及元件固有的非線性特性都會(huì)納入最終的發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)中，從而干擾信號(hào)分析算法。

車用雷達(dá)利用發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)之間相互關(guān)聯(lián)的頻率差與相位差，針對(duì)多個(gè)目標(biāo)物體的速度與位置進(jìn)行判斷。當(dāng)整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)，特別是發(fā)射機(jī)部份的線性度出現(xiàn)非理想特性時(shí)，頻率差與相位差的計(jì)算結(jié)果將會(huì)產(chǎn)生模糊性，造成雷達(dá)系統(tǒng)無法正確判斷目標(biāo)物體，以致于發(fā)生重大差錯(cuò)。對(duì)于未來的自動(dòng)駕駛控制技術(shù)來說，這是絕對(duì)要避免的。

為了最大程度地減少錯(cuò)誤率，必須盡可能地提高發(fā)射信號(hào)的線性度，并借由測(cè)量確保產(chǎn)品之線性度的穩(wěn)定性?；谛盘?hào)品質(zhì)的嚴(yán)苛要求，線性度的測(cè)量大多采用高階的儀器設(shè)備，以降低測(cè)量誤差。目前的高階儀器都可以分析頻寬超過1-GHz的信號(hào)，以確保完整測(cè)量雷達(dá)信號(hào)。

車用雷達(dá)正迅速擴(kuò)展，為輛提供更多駕駛輔助與更高安全性

天線

在車用雷達(dá)應(yīng)用中，無論是發(fā)射天線還是接收天線，通常都使用相控陣列。按照整體設(shè)計(jì)需要，可以采用線性陣列或是平面陣列。

眾所周知，陣列天線的主要參數(shù)(例如，主瓣方向及寬度、旁瓣抑制、零點(diǎn)位置等等)均可借由簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行計(jì)算。然而，這種計(jì)算結(jié)果的適用性是有條件的，亦即當(dāng)陣列中任兩單元之間的相互耦合作用與影響極其微小至可以忽略不計(jì)的時(shí)候。有一種方法可使得上述的條件得以滿足，就是增加陣列單元之間的相對(duì)距離。不過，這種方法所帶來的影響是終端產(chǎn)品的尺寸也會(huì)隨加大。

如果無法借由計(jì)算達(dá)到有效并準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)陣列單元的目的，測(cè)量就成為最佳化過程中的重要手段，再以相應(yīng)的電腦軟體作為輔佐，以利于大數(shù)據(jù)(big data)運(yùn)算。陣列天線的最佳化通常分為下面幾個(gè)步驟：

· 陣列基本單元的輻射場(chǎng)型設(shè)計(jì)
· 陣列單元之間相互耦合的評(píng)估
· 天線陣列的輻射場(chǎng)型設(shè)計(jì)
· 陣列饋電系統(tǒng)設(shè)計(jì)
· 雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)整合設(shè)計(jì)
· 車輛保險(xiǎn)杠影響之考量

除此之外，雷達(dá)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案也必須包含安全便利性的要求。而安全便利性又會(huì)直接或間接地影響到天線的設(shè)計(jì)，可謂“牽一發(fā)而動(dòng)全身”。

在設(shè)計(jì)陣列基本單元時(shí)，尤其是在評(píng)估陣列單元之間的相互耦合過程中，因?yàn)橄嗫靥炀€通常都具有較大的陣列單元數(shù)量，使得完整、準(zhǔn)確且快捷的測(cè)量成為最關(guān)鍵的因素。而要實(shí)現(xiàn)完整又準(zhǔn)確的要求，多埠向量網(wǎng)路分析儀是必不可少的。

更進(jìn)一步地考慮安全便利性的要求，車用雷達(dá)同一批產(chǎn)品的輻射場(chǎng)型穩(wěn)定性至關(guān)重要。而要達(dá)到這一目標(biāo)，輻射場(chǎng)型測(cè)量設(shè)備首先必須具備良好的測(cè)量結(jié)果之可重復(fù)性。這也是車用雷達(dá)測(cè)量技術(shù)的難點(diǎn)之一。

在一般情況下，天線輻射場(chǎng)型的測(cè)量必須在遠(yuǎn)場(chǎng)(far field)進(jìn)行。這里的遠(yuǎn)場(chǎng)是一個(gè)相對(duì)的概念，按照目前業(yè)界常用的天線測(cè)量理論之定義，遠(yuǎn)場(chǎng)與被測(cè)量之天線的尺寸以及該天線的工作頻率范圍相關(guān)。具體來說，某一天線之遠(yuǎn)場(chǎng)與該天線的最大尺寸的平方成正比，而與該天線的工作波長(zhǎng)成反比。

例如，某個(gè)車用雷達(dá)產(chǎn)品的最大尺寸是7.5cm，如果它的工作頻率處在24GHz，這時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)大約在0.9m以外。但是如果它工作在77GHz，其遠(yuǎn)場(chǎng)將擴(kuò)大到3m左右。在一般的量產(chǎn)條件下，這樣大的距離范圍幾乎無法實(shí)現(xiàn)。

77GHz車用雷達(dá)頻譜的噪聲級(jí)