雷達(dá)范圍：雷達(dá)能“看到”多遠(yuǎn)？

當(dāng)然，根據(jù)應(yīng)用的不同，對(duì)范圍的期望也會(huì)有所不同。例如，遠(yuǎn)程雷達(dá)（LRR）不需要高分辨率或?qū)捯晥?chǎng)，但目標(biāo)是達(dá)到盡可能高的范圍，以增加反應(yīng)時(shí)間并避免高速行駛時(shí)發(fā)生事故。另一方面，短程雷達(dá)（SRR）不需要看很遠(yuǎn)的前方，更喜歡具有更高的分辨率和視場(chǎng)。然而，即使在這種配置中，任何可以添加到范圍的額外厘米都可能有助于防止復(fù)雜駕駛環(huán)境（例如城市或擁擠的停車場(chǎng)）中發(fā)生事故。

雷達(dá)探測(cè)距離和雷達(dá)距離方程

許多因素會(huì)影響雷達(dá)的探測(cè)范圍，這是設(shè)計(jì)者無法控制的。因此，第 一步，我們需要使用與電磁波傳播和模擬前端相關(guān)的可用基本信息。

雷達(dá)距離R通過其鏈路預(yù)算直接與雷達(dá) MMIC 收發(fā)器的 RF 性能相關(guān)，在本例中稱為雷達(dá)距離方程，它提供了傳遞到 RF 接收器前端P r的功率，作為輸出的函數(shù)發(fā)射機(jī)前端的功率 ( P t )、發(fā)射和接收天線的增益 ( G tx和G rx )、工作頻率（通過波長(zhǎng) λ）以及目標(biāo)的雷達(dá)橫截面 (σ)：

λ 4 /(4 π ? R ) 4表示雙向自由空間損耗，而 (4 π ? σ ) / λ 2表示目標(biāo)上的反射。圖 2 說明了鏈路預(yù)算和對(duì)雷達(dá)方程的不同貢獻(xiàn)。

在其系統(tǒng)參考文件 ETSI TR 103 593 V1.1.1 (2020-05) 中“傳輸特性；77GHz 至 81GHz 頻率范圍內(nèi)地面車輛應(yīng)用無線電測(cè)定設(shè)備的技術(shù)特性”，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì) (ETSI) 提供了一組不同雷達(dá)工作模式下天線增益的假設(shè)值（見表 1）以及接收鏈的最小檢測(cè)功率（-110dBm）。還列出了典型目標(biāo)的參考雷達(dá)截面值（表 2）。

雷達(dá)單片集成電路

如今，這些收發(fā)器都是硅 RFIC（射頻集成電路），它不僅可以在單個(gè)芯片上集成多種功能，而且還可以根據(jù)汽車?yán)走_(dá)的要求具有多個(gè)發(fā)送和接收通道。過渡到 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 還不受溫度變化的影響，這是惡劣汽車環(huán)境中所需的功能。圖 3 顯示了收發(fā)器 MMIC 的框圖示例。

雷達(dá)系統(tǒng)的整體性能將受到雷達(dá) MMIC 收發(fā)器中模擬 RF 發(fā)送和接收性能的強(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)。

發(fā)射功率

MMIC 的每個(gè)傳輸鏈提供的功率對(duì)于雷達(dá)性能至關(guān)重要。為此，我們必須考慮射頻功率放大器的輸出功率?；谠搮?shù)，并考慮上述雷達(dá)方程，對(duì)于給定的接收機(jī)靈敏度 (P rmin )，理想情況下的最 大可達(dá)到范圍可計(jì)算如下：

該方程表明，增加發(fā)射功率 P_t 將自動(dòng)擴(kuò)展雷達(dá)的范圍。例如，長(zhǎng)距離雷達(dá) (LRR) 的輸出功率增加 1dB，我們就能在 2.8m 范圍內(nèi)檢測(cè)自行車，在 6m 范圍內(nèi)檢測(cè)摩托車，在 11m 范圍內(nèi)檢測(cè)典型汽車，如圖 4 所示。在高速公路上，這可能意味著及時(shí)制動(dòng)或撞上意外的交通障礙物之間的差異。

但提高輸出功率的好處也可以在短距離應(yīng)用中看到。對(duì)于 USRR（超短程雷達(dá)），發(fā)射功率增加 1dB 將意味著增加 35 厘米至 50 厘米或檢測(cè)到小孩、行人或自行車，如圖 5 所示。這對(duì)于在擁擠的情況下駕駛尤其重要城市環(huán)境，以避免造成高度脆弱受害者的事故。

當(dāng)然，這些計(jì)算沒有考慮實(shí)際場(chǎng)景中的額外損耗（例如，下雨、多徑傳播……）所有這些因素都會(huì)相對(duì)于理想情況減少雷達(dá)探測(cè)范圍。例如，雷達(dá)模塊通常放置在汽車標(biāo)志或保險(xiǎn)杠后面。保險(xiǎn)杠面板會(huì)產(chǎn)生 2dB 至 8dB 的損失，具體取決于其成分和油漆。這意味著檢測(cè)范圍損失 11% 到 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)，至關(guān)重要。

噪聲系數(shù)

除了檢測(cè)閾值之外，系統(tǒng)還需要最小信噪比 (SNR) 來執(zhí)行雷達(dá)處理。雷達(dá)接收機(jī)的SNR是接收功率P r與噪聲功率N之間的比值。考慮環(huán)境溫度T和信號(hào)持續(xù)時(shí)間T meas ，可以從雷達(dá)方程推導(dǎo)出來：

其中k是玻爾茲曼常數(shù)，F是噪聲系數(shù)（以 dB 為單位，噪聲系數(shù)NF），它說明了接收器的噪聲貢獻(xiàn)。

給定一定的檢測(cè)閾值SNR min，理論上可實(shí)現(xiàn)的最 大范圍可以確定為：

該方程表明，通過降低噪聲系數(shù) F（以及相反的噪聲系數(shù) NF），雷達(dá)探測(cè)范圍將會(huì)增加。讓我們假設(shè)系統(tǒng)需要 20dB 的 SNR 閾值，并考慮與上述相同的示例。

對(duì)于 LRR，如圖 6 所示，噪聲系數(shù)降低 1dB 將使范圍增加 4m（自行車）、10m（摩托車）和 13m（汽車）。

這種范圍的增加在短距離內(nèi)也很顯著，通過降低 1dB 的噪聲系數(shù)，可以贏得 50cm 至 1m 的距離，以檢測(cè)最脆弱的交通參與者（兒童和成人行人和自行車），如圖 7 所示。

因此，接收器鏈的噪聲系數(shù)也將成為雷達(dá) MMIC 收發(fā)器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。由于噪聲的主要來源是模擬接收鏈中的第 一個(gè)放大器（圖 8），因此雷達(dá) MMIC 收發(fā)器中的 LNA 應(yīng)仔細(xì)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)低噪聲系數(shù)。

設(shè)計(jì)權(quán)衡

鑒于這些結(jié)果，如果我們想要通過優(yōu)化雷達(dá) MMIC 收發(fā)器的 RF 性能來擴(kuò)展雷達(dá)系統(tǒng)的范圍，那么有兩個(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)的更好性能都會(huì)增加檢測(cè)范圍。但應(yīng)該選擇哪一個(gè)進(jìn)行優(yōu)化呢？
擁有更高的輸出功率將有助于補(bǔ)償現(xiàn)實(shí)生活環(huán)境造成的額外損耗。此外，它將提供更好的抗干擾保護(hù)。另一方面，MMIC將具有較高的功耗和功耗。隨著更多數(shù)量的傳輸通道的集成，這個(gè)問題將會(huì)更加嚴(yán)重。
如果功耗至關(guān)重要，調(diào)整噪聲系數(shù)可能是更好的選擇。這是針對(duì)節(jié)能 MMIC 的優(yōu)雅解決方案。然而，低噪聲系數(shù)將需要更高的 RX 增益，這反過來又會(huì)影響接收器的線性度。此外，針對(duì)干擾的保護(hù)可能較少，因?yàn)椴恍枰男盘?hào)將沿著所需的信號(hào)被放大。

理想情況下，考慮到所選半導(dǎo)體技術(shù)和整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)的限制，兩者都應(yīng)盡可能地進(jìn)行調(diào)整。

結(jié)論

在本條目中，介紹了雷達(dá)距離檢測(cè)的局限性和設(shè)計(jì)參數(shù)。當(dāng)然，我們只關(guān)注 MMIC 的 RF 性能。雷達(dá) MMIC 的其他參數(shù)也可能限制范圍，例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。還可以通過優(yōu)化數(shù)字接收和處理鏈來增加范圍，以便能夠以較低的接收功率和信噪比獲得有用的信號(hào)。