【技术】雷达距离侦测限制和雷达MMIC收发器相关设计参数

关注车用雷达系统的性能，从最大侦测距离开始：可以侦测到多远的障碍物？我们需要尽可能有「远见」，以便能够尽早侦测到障碍物并采取必要的行动（图1）。雷达MMIC收发器的参数有哪些，如何进行优化以扩大侦测距离？本文RENESAS将为您介绍。

当然，根据应用范围，对距离的要求会有所不同。例如，长距雷达（LRR）不需要高分辨率或大视角，但要尽量增加侦测距离，以增加高速行驶时的反应时间并避免发生事故。另一方面，短距雷达（SRR）不需要看得很远，倾向于更高的分辨率和视角。然而，即便在这样的配置下，只要提升几公分的距离都可能有助于避免在复杂驾驶环境中的事故，例如城市或拥挤的停车场。

图1：雷达侦测范围

1、雷达侦测距离和计算方程式

影响雷达侦测范围的因素很多是设计者无法控制的，因此，需要先由与电磁波和模拟前端讯号传递相关的基本信息着手。

雷达侦测范围（R）通过其链路预算直接与雷达MMIC收发器的射频 (RF) 性能相关联，在这种情况下称为雷达范围方程。RF接收器前端所接收到的功率（Pr）是由发射器前端的输出功率（Pt）、发射和接收天线的增益（Gtx和Grx）、工作频率（通过波长λ）和目标的雷达横截面（σ）所组成的函数：

λ4/(4π∙R)4代表在自由空间中的双向传播损耗，而(4π∙σ)/λ2代表目标上的反射。链路预算和对雷达方程式的不同贡献如图2所示。

图2：雷达系统链路预算示意图

在系统参考文件ETSI TR 103 593 V1.1.1（2020-05）「传输特性：77GHz至81GHz频率范围内地面车辆应用的无线电测定设备的技术特性」，欧洲电信标准协会（ETSI）为不同雷达操作模式下天线增益（见表1）和接收链的最小检测功率（-110dBm）提供了一组假设值，也列出典型目标的参考雷达截面（表2）。

表1：根据ETSI TR 103 593 V1.1.1（2020-05）对雷达传感器天线增益的假设（假设Gtx=Grx）。

表2：根据ETSI TR 103 593 V1.1.1（2020-05）典型目标的雷达截面积。

这些数值可作为评估和比较不同雷达系统理论性能的基准。

2、雷达MMIC

目前大部分收发器都是硅基的RFIC（射频整合电路），不仅可以在单个芯片上整合多种功能，也可以根据车用雷达的要求整合多个发射和接收通道。转换到CMOS（互补金属氧化物半导体）将降低雷达MMIC的成本和功耗。CMOS不受温度变化的影响，这是恶劣汽车环境中的理想特性。收发器MMIC的方块图如图3所示。

图3：多通道雷达MMIC收发器的简易方块图

雷达系统的整体性能受到雷达MMIC收发器中模拟射频发射和接收性能的强烈影响。在范围限制的情况下，需要考虑两个主要参数：发射器的输出功率和接收器的噪声系数。

发射功率

MMIC每个传输链提供的功率是雷达性能的关键。为此，必须考虑射频功率放大器的输出功率。根据此参数并考虑上述的雷达方程式，在理想情况下，指定接收器灵敏度（P_rmin）时最大可达到范围可由以下算式计算得到：

由这个方程式可以知道，增加发射功率P_t将可以进一步扩展雷达的侦测范围。例如，长距雷达（LRR）的输出功率每增加1dB，便能够分别增加2.8公尺（自行车）、6公尺（摩托车），和11公尺（一般房车）的侦测距离，如图4所示。在高速公路上高速行驶时，这意味着面对非预期的交通障碍物是否来得及刹车。

图4：LRR的侦测范围与射频输出功率

增加输出功率的好处也可以在短距离应用中看到。对于超短距雷达（USRR），发射功率增加1dB，意味着增加35~50公分的范围来侦测小孩、行人或自行车，如图5所示。这对于行驶在拥挤的城市环境中尤其重要，可避免与高度脆弱的受害者发生事故。

图5：USRR的侦测范围与射频输出功率

当然，这些计算没有考虑实际场景中的额外损耗（例如下雨、多径传播...），这些因素都会相对于理想情况降低雷达的侦测范围。例如，雷达模块通常放置在汽车标志或保险杆后面，保险杆面板将造成2~8db的损耗，实际数值取决于成分和油漆。这意味着在侦测范围内损失了11~37%，提供尽可能多的输出有助于解决这个问题。因此，优化射频发射链的性能，尤其是功率放大器的最后一级，是至关重要的。

噪声系数

除了侦测阈值外，系统还需要最小化信号噪声比（SNR）以确保讯号的质量。雷达接收器的SNR是接收功率Pr与噪声功率N的比值，可以从考虑环境温度T和信号持续时间Tmeas的雷达方程式推导出：

其中k是波尔兹曼常数，F是噪声因子（以dB为单位，噪声系数NF），可解释来自接收器的噪声。给予一定的侦测阈值SNRmin，理论上可达到的最大范围为：

此方程式说明，透过降低噪声因子F（以及相反的噪声系数NF），雷达侦测范围将增加。假设系统需要20dB的SNR阈值，并考虑与上述相同的范例。

在LRR的情况下，如图6所示，噪声系数降低1dB，将分别使范围增加4公尺（自行车）、10公尺（摩托车）和13公尺（汽车）。

图6：LRR的侦测范围与噪声系数

这对短距离范围的影响也很显著：降低1dB的噪声系数，可以获得50公分到1公尺的距离，以侦测出道路上最脆弱的使用者（儿童、成人行人和自行车），如图7所示。

图7：USRR的侦测范围与噪声系数

因此，接收器链的噪声系数也是雷达MMIC收发器设计的关键参数。由于噪声主要来自于仿真接收链中的第一个放大器（图8），所以雷达MMIC收发器中的LNA应精心设计和优化，以降低噪声系数。

图8：射频接收链的简易方块图

设计权衡

鉴于这些结果，如果想透过优化雷达MMIC收发器的RF性能来增加雷达系统的范围，有两个关键的设计参数，即输出功率和噪声系数。其中任何一个的性能提升都可以增加侦测范围，但是应该选择哪一个进行优化呢？更高的输出功率有助于补偿因现实环境造成的额外损失，此外，也可提供更好的抗干扰保护。但另一方面，MMIC将会有更高的功耗和能量转换，多发射通道的整合也会让这个问题更加严重。

如果功耗很重要，调整噪声系数可能是更好的选择，因此节能的MMIC将会是简洁的解决方案。然而，低噪声系数需要更高的RX增益，这反过来会影响接收器的线性度；此外，对干扰的保护可能会较少，因为不需要的信号将跟着所需的信号被放大。理想情况下，考虑到所选的半导体技术和整体系统设计的局限性，两者都应尽可能地进行调整。

3、结论

在本文中，介绍了雷达距离侦测的限制和相关设计参数。当然，我们只着重MMIC的射频性能。雷达MMIC还有一些额外的参数规格会限制侦测距离，例如模拟数字转换器（ADC）。也可以透过优化讯号链上的数字接收和处理来增加范围，以便获得有用的信号以降低接收功率和SNR。