本文首发于公众号【调皮连续波】，其他平台为自动同步，同步内容若有不全，请前往公众号阅读。保持关注调皮哥，获得更多雷达干货学习资料和建议，助力大家轻松、快乐、有方向地学习雷达技术。
转发下面链接中的文章，免费下载500+雷达技术专业电子书籍：
本文将重点讨论雷达系统的性能，即从它的最大检测距离开始，讨论雷达能检测到多远的前方障碍物，以及可以优化雷达 MMIC 收发器以增加雷达探测距离的参数是什么？因为考虑到汽车需要尽可能具备远视功能，以便能够检测到障碍并采取所需的行动（如图 1）。根据应用的不同，对检测距离的要求也会有所不同。例如，远程雷达 (LRR) 不需要高分辨率或宽视野，但旨在实现尽可能大的检测距离，以增加反应时间并避免高速行驶时发生事故。另一方面，短程雷达 (SRR) 不需要看得很远，但更需要具有更高的分辨率和视野，但即使在这种配置中，也可以增加额外的厘米距离都可能有助于防止在复杂的驾驶环境中发生事故，例如城市或拥挤的停车场。一、雷达探测距离和雷达距离方程许多因素会影响雷达的探测范围，这是雷达系统设计者无法控制的，因此第一步需要使用与电磁波传播和模拟射频前端相关的可用基本信息。
雷达距离R通过雷达链路预算与雷达 MMIC 收发器的射频性能直接相关。在这种情况下，雷达距离方程提供作为输出函数传递给射频接收器前端的功率Pr发射机前端的功率 ( Pt )、发射和接收天线的增益 ( Gtx和Grx )、工作频率 (波长λ) 和目标的雷达横截面 (σ)：其中，λ 4 /(4 π ∙ R ) 4项表示双向自由空间损耗，而 (4 π ∙ σ )/ λ 2表示目标上的反射。链路预算和对雷达方程式的不同贡献如图 2 所示。在雷达系统参考文件 ：ETSI TR 103 593 V1.1.1 (2020-05)“传输特性和77GHz 至 81GHz 频率范围内用于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的天线增益提供了一组假设值（见表 1）以及接收链路的最小检测功率 (-110dBm)，还列出了典型目标的参考雷达横截面值（表 2）。表 1. 根据 ETSI TR 103 593 V1.1.1 (2020-05) 的雷达传感器天线增益假设（假设 Gtx=Grx）表 2. 根据 ETSI TR 103 593 V1.1.1 (2020-05) 的典型目标的雷达横截面值这些值可用作评估和比较不同雷达系统理论性能的基准。如今，雷达收发器是硅 RFIC（射频集成电路），它不仅可以在单个芯片上集成多种功能，还可以根据汽车雷达的要求提供多个发射和接收通道。如果过渡到 CMOS（互补金属氧化物半导体）将降低雷达 MMIC 的成本和功耗，CMOS 也完全不受温度变化的影响，这是恶劣汽车环境中的理想特性。图 3 给出了收发器 MMIC 的框图示例。雷达系统的整体性能将受到雷达 MMIC 收发器中模拟射频发射和接收性能的强烈影响。在距离限制的情况下，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。MMIC 的每个传输链提供的功率将是雷达性能的关键，故而必须考虑射频功率放大器的输出功率。基于这个参数，并考虑上面给出的雷达方程，在给定接收器灵敏度 (Prmin ) 的理想情况下的最大可检测距离可以计算为：上述公式表明，增加发射功率 P_t 将增加雷达的探测距离。例如，远程雷达 (LRR) 的输出功率增加 1dB 后，可以检测到 2.8 米的自行车、6 米的摩托车和 11 米的普通汽车，如图 4 所示。在高速行驶时高速公路，这可能意味着按时制动或撞上意想不到的交通障碍之间的区别。但在短距离应用中也可以看到增加输出功率的好处。对于 USRR（超短程雷达），发射功率增加 1dB 意味着增加 35cm 至 50cm 或检测到小孩、行人或自行车，如图 5 所示。这对于在拥挤的环境中驾驶尤为重要城市环境，以避免与高度脆弱的受害者发生事故。当然，这些估算没有考虑实际场景中的额外损耗（例如，下雨、多径传播等等）所有这些因素都会相对于理想情况降低雷达探测距离。例如，雷达模块通常放置在汽车标志或保险杠的后面，保险杠面板会引入 2dB 到 8dB 的损耗，具体取决于它们的成分和油漆，这意味着检测距离损失了 11% 到 37%（雷达链路运算需要考虑）。尽可能提供多的功率输出有助于解决这个问题，故而优化 RF 传输链的性能，尤其是功率放大器的最后一级，至关重要。除了检测阈值外，系统还需要最小信噪比 (SNR) 才能执行雷达信号处理。雷达接收机的信噪比是接收功率Pr与噪声功率N的比值。它可以从考虑环境温度T和信号持续时间Tmeas的雷达方程导出：其中，k是玻尔兹曼常数，F是噪声因子（以 dB 为单位，噪声系数NF），它说明了来自接收器的噪声贡献。给定某个检测阈值SNRmin，理论上可实现的最大范围可确定为：上述公式表明，通过降低噪声系数 F（以及相反的噪声系数 NF），雷达探测距离将增加。假设系统需要 20dB 的 SNR 阈值，并考虑与上述相同的示例。在 LRR 的情况下，如图 6 所示，将噪声系数降低 1dB 将使范围增加 4m（自行车）、10m（摩托车）和 13m（汽车）。这距离范围增加在短距离内也很重要，通过降低 1dB 的噪声系数，可以为最脆弱的交通参与者（儿童和成人行人和自行车）的检测赢得 50cm 到 1m，如图 7 所示。因此，接收器链的噪声系数也将成为雷达 MMIC 收发器设计的关键参数。由于噪声的主要贡献者是模拟接收链中的第一个放大器（图 8），雷达 MMIC 收发器中的 LNA 应仔细设计和优化以实现低噪声系数。五、设计权衡鉴于上述分析的结果，如果想通过优化雷达 MMIC 收发器的 RF 性能来扩展雷达系统的探测距离，则有两个关键的设计参数，即发射功率和噪声系数。其中，任何一个提高都会增加检测距离。但是应该选择哪一个进行优化呢？拥有更高的输出功率将有助于补偿现实生活环境造成的额外损失。此外，它将提供更好的抗干扰保护。但在另一方面，MMIC 的功耗和功耗会更高。随着更多发射通道的集成，这个问题将会凸显。如果功耗很关键，调整噪声系数可能是更好的选择，这是针对高能效 MMIC 的完美解决方案。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，可能存在较少的抗干扰保护，因为不需要的信号将随着所需信号被放大。理想情况下，考虑到所选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。本文围绕MMIC 的 RF 性能介绍了雷达测距的限制和设计参数，但雷达 MMIC 还有一些可以限制距离的附加参数，例如，模数转换器 (ADC)，另外还可以通过优化数字接收和处理链来增加距离，以便可以获得较低接收功率和 SNR 的有用信号。【1】https://www./us/en/blogs/radar-range-how-far-can-radar-see喜欢本文，可以转发朋友圈~，让更多人一起学习雷达！关注【调皮连续波】，和1万+人一起学雷达！加入世界上最大的【雷达技术交流群】，随时和行业大牛畅聊雷达技术！
|
