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一文了解汽车毫米波雷达工作原理与结构组成



1. 毫米波的基本特性


微波雷达使用电磁波,电磁波特性决定了微波雷达区别于超声、声呐等其它方法。

电磁波是交变电磁场,在自由空间传播,电磁场交变的频率,决定了雷达的基本属性。当然,波长和频率是一个等效的概念。电磁波按频率划分有这么几个典型的频段:
  • AM、FM广播使用的频段低于300Mhz;

  • 手机使用的主要频段范围800MHz~4GHz;

  • 微波频段有300Mhz~300GHz,是通信和雷达使用的主要频段,毫米波是微波的一个子频段。


图片来源:WIKIPEDIA


可见光、红外、激光等,这些也是电磁波的一种,但由于频率的不同,微波频段的特性有很大差异,所以所基于可见光、红外、或者激光的方法一般不称做雷达(虽然激光的机理和雷达可能是类似的)。


当电磁波在空间传播的时候,它传播的介质一改变,就会发生反射、吸收、透射、衍射等现象。不同频段的电磁波,这几种现象的占比有很大差异。


无论是微波雷达、主动红外、激光雷达都是基于反射特性,不同频率的电磁波在反射特性上有很大差异,一方面取决于介质,也就是反射面的材质。如金属的材质更容易反射微波,水主要会吸收电磁波,那么水下我们就无法使用微波雷达。


同时,反射、透射等特性还取决于电磁波的频率。比如我们的广播,一般在屋里也能接收到,但是Wi-Fi在隔了几堵墙可能就很弱了,红外和光根本就一张纸可能也透不过去。这是因为,通常波长越长,越容易发生透射和衍射现象,而波长越短,则越容易被反射。(当然波长小到一定程度,又具备了透射能力,比如X射线,但这是有别与宏观物体的粒子层面了。)


一般来讲电磁波波长和介质的尺寸之间的关系,如果波长大于介质的尺寸,那么就容易透过和衍射,如果小于则容易反射。当然这里需要区别的是射线,基本以粒子属性为主,不能简单看做是波动特性了。




我们要讲的毫米波的波长在1mm~10mm之间,波长很短,它靠近太赫兹或者红外,但是比这两者的波长还是长很多。受限于器件和工艺水平的突破,毫米波长技术早期开发起来难度很大,近十年左右才迅速和广泛的被利用和普及起来。


我们现在能用来通信和处理的电磁波频率越来越高,现在已经讲太赫兹、可见光通信了,这得益于技术的发展。毫米波频段30~300GHz,频率很高,但是频段里很多频率区域的电磁波在空气中传播很容易被水分子、氧分子所吸收,可用的就几个典型的频段,比如24G、60G、77G/79G、120GHz等。当然24GHz很特别,他严格来讲不是毫米波,因为它的波长在1.2cm左右。但是它是最早被利用的,现在各个国家把24GHz划出来可以民用,77GHz划分给了汽车雷达,24GHz也在汽车领域应用得很早。


毫米波由于它的波长很短,有别于无线电和较低频的微波,根据刚才说的反射特性等特点来讲,首先它很接近于光的传播特性,对于较小的反射面(物体)也能较好的反射,另外由于频率很高,它可用调制带宽非常大。还有,一会我们会说到,由于波长很短,天线就可以做到很小。但是由于波长小,在空间传播很容易被阻挡和吸收,这也导致它作用距离不可能太远,当然远近是相对其他波段来说的,毫米波一般作用距离也可以达到1km以上,通常在几十到几百米。


2. 毫米波雷达的目标检测:测距、测速和测角


微波雷达就是发射电磁波并通过检测回波来探测目标的有无和远近的一种电子装置。这个和超声、主动红外、激光都一样。只不过我们强调用了无线电波。


毫米波和大多数微波雷达一样,有波束的概念,也就是发射出去的电磁波是一个锥状的波束,而不像激光是一条线。这是因为这个波段的天线,主要以电磁辐射,而不是光粒子发射为主要方法。这一点,微波雷达和超声是一样的,以波束的方式发射和接收,这也导致它有明显的优缺点。优点:可靠,因为反射面大;缺点:分辨力不高。


毫米波雷达可以对目标进行有无检测,以及目标的距离、速度以及方位角测量。




判断有没有目标很简单,判断回波有没有就行了。


测距也简单,可以基于TOF原理,但电磁波传播速度是光速,所以对于近距离目标测距带来了一定的挑战。毫米波雷达作用距离都不太远,比如汽车或者无人机应用,探测距离很近,回波和发射波间隔非常短,并不适合使用简单的发射脉冲检测回波时间差测距方式,所以现在主要采用FMCW(调频连续波)测距方式较多。



毫米波雷达测速和普通微波测速雷达一样,有两种方式:一个基于Doppler原理,当发射的电磁波和被探测目标有相对移动、回波的频率会和发射波的频率不同,通过检测频率差可以测得目标相对于雷达的移动速度。但是这种方法无法探测切向速度;第二种方法就是通过跟踪位置,进行微分得到速度。



毫米波雷达的侧角,雷达对目标方位角的探测主要基于一种方法,就是使用较窄的波束进行扫描。当目标出现在波束中,我们一般没有办法判断目标具体在波束内部的哪个方向,所以必须把波束做窄,当然能和激光雷达一样最好,但这个很难。那么把波束做窄,有几种方法:一种使用定向天线,比如喇叭天线或者透镜天线。



还有一种方法,就是使用多根天线+阵列信号处理的方法。对于毫米波来讲,由于波长很短,所以做多根天线的代价就很小(代价指成本、尺寸),所以毫米波雷达大量使用阵列天线的方式来构成窄波束。能做到多窄呢?比如3~5度,这是汽车雷达常用的天线波束能力。





3. 毫米波雷达的基本构成


民用毫米波雷达首先应用的方向是就是汽车应用,大约2000年左右,毫米波雷达就被用于汽车的ACC功能(自适应巡航)了,也就是在高速上与前车保持一定距离跟车。这依赖于毫米波长达200米以上的距离探测能力,其它手段是很难做到的。后来,又陆续发展出主动防撞、盲区探测等其它功能,以及现在更为复杂的高分辨能力(第五代汽车毫米波雷达)。


毫米波雷达一般有这么几个构成部分:天线、射频、基带、以及应用控制层。




3.1 天线


毫米波雷达波长在几个毫米左右,由于天线尺寸和波长相当,所以毫米波雷达的天线可以做得很小,从而可以使用多根天线来构成阵列天线,达到窄波束的目的,随着收发天线个数的增多,波束可以很窄很窄。另外一个因素是,由于波长很小,毫米波可以使用微带贴片天线,就是下面图片里的样子,在PCB板的Ground层上铺几个开路的微带线就能形成毫米波天线,这样毫米波雷达的天线可以做在PCB板上,和大家常见的Wi-Fi、蓝牙的PCB天线一样。当然,毫米波的频率很高,需要特殊的高频板材,比如罗杰斯R4835、RO3003。




3.2 射频部分


早些年的毫米波雷达射频部分通常采用分立器件搭建(下图左),设计和调测难度很大,只有为数不多的老牌射频公司能做,并且形成了技术壁垒。但是芯片级别的毫米波射频芯片(下图右)的推出,将行业门槛迅速降低,之前几万块钱的毫米波雷达,现在可以做到RMB100元以内。


当前使用SiGe工艺的MMIC还略贵,很多厂家推出了RF CMOS工艺的全集成芯片。





3.3 数字信号处理


这部分主要就是各种雷达信号处理算法,主要包括阵列天线的波束形成算法、信号检测、测量算法、分类和跟踪算法(如下图)。雷达的架构并不太复杂,但是要做得好用,很多功夫就要下这方面。


很多毫米波雷达芯片厂家已经推出了射频加基带一体的解决方案,甚至于推出了AiP(天线集成在芯片封装内)芯片。可以预见,毫米波雷达将在不久的将来应用于各行各业,无处不在。


本文转载自公众号 深圳承泰科技


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