若想透過優化雷達MMIC收發器的RF性能來延長雷達偵測距離，可從輸出功率和雜訊係數這兩個關鍵參數下手，在設計上各有不同的選擇，並須權衡對於功耗或者抗干擾性的要求與限制。
關注車用雷達系統的性能，可以從最大偵測距離開始，例如可以偵測到多遠的障礙物？此需要盡可能有「遠見」，以便能夠盡早偵測到障礙物並採取必要的行動(圖1)。以及雷達單晶微波積體電路(MMIC)收發器的參數有哪些，如何進行優化以擴大偵測距離？
圖1 雷達偵測範圍
當然根據應用範圍，對距離的要求會有所不同。例如長距雷達(LRR)不需要高解析度或大視角，但要盡量增加偵測距離，以增加高速行駛時的反應時間並避免發生事故。另一方面，短距雷達(SRR)不需要看得很遠，傾向於更高的解析度和視角。然而，即便是這樣的配置，只要提升幾公分距離都有助於避免在複雜駕駛環境中發生事故，例如城市或擁擠的停車場。
雷達偵測距離和計算方程式
影響雷達偵測範圍的因素很多是設計者無法控制的，因此，需要先由與電磁波和類比前端訊號傳遞相關的基本資訊著手。
雷達偵測範圍(R)通過其鏈路預算直接與雷達MMIC收發器的射頻(RF)性能相關聯，在這種情況下稱為雷達範圍方程。RF接收器前端所接收到的功率(Pr)是由發射器前端的輸出功率(Pt)、發射和接收天線的增益(Gtx和Grx)、工作頻率(通過波長λ)和目標的雷達橫截面(σ)所組成的函數(公式1)：
λ4/(4π．R)4代表在自由空間中的雙向傳播損耗，而(4π．σ)/λ2代表目標上的反射。鏈路預算和對雷達方程式的不同貢獻如圖2所示。 在系統參考文件ETSI TR 103 593 V1.1.1(2020-05)「傳輸特性以77GHz至81GHz頻率範圍內地面車輛應用的無線電測定設備的技術特性」，歐洲電信標準協會(ETSI)為不同雷達操作模式下天線增益(表1)和接收鏈的最小檢測功率(-110dBm)提供了一組假設值，也列出典型目標的參考雷達截面(表2)。這些數值可作為評估和比較不同雷達系統理論性能的基準。
圖2 雷達系統鏈路預算示意圖
雷達MMIC特性
目前大部分收發器都是矽基的射頻整合電路(RFIC)，不僅可以在單個晶片上整合多種功能，也可以根據車用雷達的要求整合多個發射和接收通道。轉換到互補金屬氧化物半導體(CMOS)將降低雷達MMIC的成本和功耗。CMOS不受溫度變化的影響，這是惡劣汽車環境中的理想特性。收發器MMIC的方塊圖如圖3所示。
圖3 多通道雷達MMIC收發器的簡易方塊圖
雷達系統的整體性能受到雷達MMIC收發器中類比射頻發射和接收性能的強烈影響。在範圍限制的情況下，需要考慮兩個主要參數：發射器的輸出功率和接收器的雜訊係數。
發射功率擴展雷達偵測範圍
雷達性能關鍵是MMIC每個傳輸鏈所提供的功率。為此，必須考慮射頻功率放大器的輸出功率。根據此參數並考慮上述的雷達方程式，在理想情況下，指定接收器靈敏度(Prmin)時最大可達到範圍可由以下算式計算得到公式2：
由這個方程式可以知道，增加發射功率Pt將可以進一步擴展雷達的偵測範圍。例如，長距雷達(LRR)的輸出功率每增加1dB，便能夠分別增加2.8公尺(自行車)、6公尺(摩托車)，和11公尺(一般房車)的偵測距離，如圖4所示。在高速公路上高速行駛時，這意謂著面對非預期的交通障礙物是否來得及剎車。
圖4 LRR的偵測範圍與射頻輸出功率
增加輸出功率的好處也可以在短距離應用中看到。對於超短距雷達(USRR)，發射功率增加1dB，意謂著增加35~50公分的範圍來偵測小孩、行人或自行車，如圖5所示。因此避免與道路上較弱勢使用者發生事故，這對於行駛在擁擠城市中的汽車極為重要。
圖5 USRR的偵測範圍與射頻輸出功率
當然，這些運算沒有考慮實際場景中的額外損耗(例如下雨、多徑傳播等)，這些因素都會相對於理想情況降低雷達的偵測範圍。例如，雷達模組通常放置在汽車標誌或保險桿後面，保險桿面板將造成2~8dB的損耗，實際數值取決於保險桿面板組成和油漆成分。這意謂著在偵測範圍內損失了11~37%，提供盡可能多的輸出有助於解決這個問題。因此，優化射頻發射鏈的性能，尤其是功率放大器的最後一級，是至關重要的。
雜訊係數
除了偵測臨界值外，系統還需要最小化訊號雜訊比(SNR)以確保訊號的品質。雷達接收器的SNR是接收功率Pr與雜訊功率N的比值，可以從考慮環境溫度T和訊號持續時間Tmeas的雷達方程式推導出公式3：
而在這個方程式中，k是波爾茲曼常數，F是雜訊因數(以dB為單位，雜訊係數NF)，由此可呈現來自雷達接收器的雜訊。 給予一定的偵測臨界值SNRmin，理論上可達到的最大範圍如公式4：
此方程式說明，透過降低雜訊因數F(以及相反的雜訊係數NF)，雷達偵測範圍將增加。假設系統需要20dB的SNR臨界值，並考慮與上述相同的範例。
在LRR的情況下，如圖6所示，雜訊係數降低1dB，將分別使範圍增加4公尺(自行車)、10公尺(摩托車)和13公尺(汽車)。
圖6 LRR的偵測範圍與雜訊係數
這對短距離範圍的影響也很顯著：降低1dB的雜訊係數，可以獲得50公分到1公尺的距離，以偵測出道路上的弱勢者(兒童、成年行人和自行車)，如圖7所示。
圖7 USRR的偵測範圍與雜訊係數
因此，接收器鏈的雜訊係數也是雷達MMIC收發器設計的關鍵參數。由於雜訊主要來自於類比接收鏈中的第一個放大器(圖8)，所以雷達MMIC收發器中的LNA應精心設計和優化，以降低雜訊係數。
圖8 射頻接收鏈的簡易方塊圖
雷達發射器設計權衡
鑑於這些結果，如果想透過優化雷達MMIC收發器的RF性能來增加雷達系統的範圍，有兩個關鍵的設計參數，即輸出功率和雜訊係數。其中任何一個的性能提升都可以增加偵測範圍，但是應該選擇哪一個進行優化呢？
更高的輸出功率有助於補償因現實環境造成的額外損失，此外也可提供更好的抗干擾保護。但另一方面，MMIC將會有更高的功耗和能量轉換，多發射通道的整合也會讓這個問題更加嚴重。
如果功耗很重要，調整雜訊係數可能是更好的選擇，因此節能的MMIC將會是簡潔的解決方案。然而，低雜訊係數需要更高的RX增益，這反過來會影響接收器的線性度；此外，對干擾的保護可能會較少，因為不需要的訊號將跟著所需的訊號被放大。
理想情況下，考慮到所選的半導體技術和整體系統設計的局限性，兩者都應盡可能地進行調整。
在本文中，介紹了雷達距離偵測的限制和相關設計參數。當然，只著重MMIC的射頻性能。雷達MMIC還有一些額外的參數規格會限制偵測距離，例如類比數位轉換器(ADC)。也可以透過優化訊號鏈上的數位接收和處理來增加範圍，以便獲得有用的訊號以降低接收功率和SNR。
(本文作者為瑞薩電子高級主管工程師)