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一文读懂车用雷达系统设计

2019年11月03日 文章来源:网络整理 热度:156℃ 作者:刘英

车用雷达技术方兴未艾。无论是于现阶段之盲点侦测,抑或是发展中的自动驾驶控制,高性能、高可靠性、小巧兼低价,都是相辅相成的关键要素,更是促进其核心技术不断发展与完善不可或缺的诱因与动机。

车用雷达是驾驶辅助系统的重要组成部份。其不仅提供驾驶人员舒适从而减少紧张感的驾驶环境,更为全面提高道路交通安全奠定必要的基础。从设计车用雷达及其最佳化到大量生产,以及安装除错,都会使用到多种检验与量测方法。本文仅从射频(RF)量测技术角度探讨车用雷达的若干设计要点。

雷达波形的线性度

与其他的雷达技术相类似,车用雷达同样藉由接收目标物体的反射讯号,并进一步分析接收讯号与原始发射讯号之间在时间、频率以及相位上的多重相关性,从而判断目标物体与雷达之间的相对速度与空间位置。

车用雷达的核心技术之一是雷达波形设计。线性频率调变连续波(LFMCW,常简称为FMCW)是一种常用的雷达波形。发射讯号(亦即波形)的稳定度与线性度直接影响雷达对目标物体的辨识能力。由于车用雷达大多工作在毫米波频段,所选用的各种材料及元件固有的非线性特性都会纳入最终的发射讯号与接收讯号中,从而干扰讯号分析演算法。

车用雷达利用发射讯号与接收讯号之间相互关联的频率差与相位差,针对多个目标物体的速度与位置进行判断。当整个雷达系统,特别是发射机部份的线性度出现非理想特性时,频率差与相位差的计算结果将会产生模糊性,造成雷达系统无法正确判断目标物体,以致于发生重大差错。对于未来的自动驾驶控制技术来说,这是绝对要避免的。

为了最大程度地减少错误率,必须尽可能地提高发射讯号的线性度,并藉由量测确保产品之线性度的稳定性。基于讯号品质的严苛要求,线性度的量测大多采用高阶的仪器设备,以降低量测误差。目前的高阶仪器都可以分析频宽超过1-GHz的讯号,以确保完整量测雷达讯号。

一文读懂车用雷达系统设计

车用雷达正迅速扩展,为辆提供更多驾驶辅助与更高安全性

天线

在车用雷达应用中,无论是发射天线还是接收天线,通常都使用相控阵列。按照整体设计需要,可以采用线性阵列或是平面阵列。

众所周知,阵列天线的主要参数(例如,主瓣方向及宽度、旁瓣抑制、零点位置等等)均可藉由简单的数学公式进行计算。然而,这种计算结果的适用性是有条件的,亦即当阵列中任两单元之间的相互耦合作用与影响极其微小至可以忽略不计的时候。有一种方法可使得上述的条件得以满足,就是增加阵列单元之间的相对距离。不过,这种方法所带来的影响是终端产品的尺寸也会随加大。

如果无法藉由计算达到有效并准确地设计阵列单元的目的,量测就成为最佳化过程中的重要手段,再以相应的电脑软体作为辅佐,以利于大数据(big data)运算。阵列天线的最佳化通常分为下面几个步骤:

阵列基本单元的辐射场型设计

阵列单元之间相互耦合的评估

天线阵列的辐射场型设计

阵列馈电系统设计

雷达收发系统整合设计

车辆保险杠影响之考量

除此之外,雷达系统的整体设计方案也必须包含安全便利性的要求。而安全便利性又会直接或间接地影响到天线的设计,可谓「牵一发而动全身」。

在设计阵列基本单元时,尤其是在评估阵列单元之间的相互耦合过程中,因为相控天线通常都具有较大的阵列单元数量,使得完整、准确且快捷的量测成为最关键的因素。而要实现完整又准确的要求,多埠向量网路分析仪是必不可少的。

更进一步地考虑安全便利性的要求,车用雷达同一批产品的辐射场型稳定性至关重要。而要达到这一目标,辐射场型量测设备首先必须具备良好的量测结果之可重复性。这也是车用雷达量测技术的难点之一。

在一般情况下,天线辐射场型的量测必须在远场(far field)进行。这里的远场是一个相对的概念,按照目前业界常用的天线量测理论之定义,远场与被量测之天线的尺寸以及该天线的工作频率范围相关。具体来说,某一天线之远场与该天线的最大尺寸的平方成正比,而与该天线的工作波长成反比。

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