雷达范围：雷达能“看到”多远？

当然，根据应用的不同，对范围的期望也会有所不同。例如，远程雷达（LRR）不需要高分辨率或宽视场，但目标是达到尽可能高的范围，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）不需要看很远的前方，更喜欢具有更高的分辨率和视场。然而，即使在这种配置中，任何可以添加到范围的额外厘米都可能有助于防止复杂驾驶环境（例如城市或拥挤的停车场）中发生事故。

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，这是设计者无法控制的。因此，第 一步，我们需要使用与电磁波传播和模拟前端相关的可用基本信息。

雷达距离R通过其链路预算直接与雷达 MMIC 收发器的 RF 性能相关，在本例中称为雷达距离方程，它提供了传递到 RF 接收器前端P r的功率，作为输出的函数发射机前端的功率 ( P t )、发射和接收天线的增益 ( G tx和G rx )、工作频率（通过波长 λ）以及目标的雷达横截面 (σ)：

λ 4 /(4 π ∙ R ) 4表示双向自由空间损耗，而 (4 π ∙ σ ) / λ 2表示目标上的反射。图 2 说明了链路预算和对雷达方程的不同贡献。

在其系统参考文件 ETSI TR 103 593 V1.1.1 (2020-05) 中“传输特性；77GHz 至 81GHz 频率范围内地面车辆应用无线电测定设备的技术特性”，欧洲电信标准协会 (ETSI) 提供了一组不同雷达工作模式下天线增益的假设值（见表 1）以及接收链的最小检测功率（-110dBm）。还列出了典型目标的参考雷达截面值（表 2）。

雷达单片集成电路

如今，这些收发器都是硅 RFIC（射频集成电路），它不仅可以在单个芯片上集成多种功能，而且还可以根据汽车雷达的要求具有多个发送和接收通道。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 还不受温度变化的影响，这是恶劣汽车环境中所需的功能。图 3 显示了收发器 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 RF 发送和接收性能的强烈影响。在范围限制的情况下，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。

发射功率

MMIC 的每个传输链提供的功率对于雷达性能至关重要。为此，我们必须考虑射频功率放大器的输出功率。基于该参数，并考虑上述雷达方程，对于给定的接收机灵敏度 (P rmin )，理想情况下的最 大可达到范围可计算如下：

该方程表明，增加发射功率 P_t 将自动扩展雷达的范围。例如，长距离雷达 (LRR) 的输出功率增加 1dB，我们就能在 2.8m 范围内检测自行车，在 6m 范围内检测摩托车，在 11m 范围内检测典型汽车，如图 4 所示。在高速公路上，这可能意味着及时制动或撞上意外的交通障碍物之间的差异。

但提高输出功率的好处也可以在短距离应用中看到。对于 USRR（超短程雷达），发射功率增加 1dB 将意味着增加 35 厘米至 50 厘米或检测到小孩、行人或自行车，如图 5 所示。这对于在拥挤的情况下驾驶尤其重要城市环境，以避免造成高度脆弱受害者的事故。

当然，这些计算没有考虑实际场景中的额外损耗（例如，下雨、多径传播……）所有这些因素都会相对于理想情况减少雷达探测范围。例如，雷达模块通常放置在汽车标志或保险杠后面。保险杠面板会产生 2dB 至 8dB 的损失，具体取决于其成分和油漆。这意味着检测范围损失 11% 到 37%。提供尽可能多的输出有助于解决这个问题。因此，优化射频发射链的性能，尤其是功率放大器的最后一级，至关重要。

噪声系数

除了检测阈值之外，系统还需要最小信噪比 (SNR) 来执行雷达处理。雷达接收机的SNR是接收功率P r与噪声功率N之间的比值。考虑环境温度T和信号持续时间T meas ，可以从雷达方程推导出来：

其中k是玻尔兹曼常数，F是噪声系数（以 dB 为单位，噪声系数NF），它说明了接收器的噪声贡献。

给定一定的检测阈值SNR min，理论上可实现的最 大范围可以确定为：

该方程表明，通过降低噪声系数 F（以及相反的噪声系数 NF），雷达探测范围将会增加。让我们假设系统需要 20dB 的 SNR 阈值，并考虑与上述相同的示例。

对于 LRR，如图 6 所示，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）。

这种范围的增加在短距离内也很显着，通过降低 1dB 的噪声系数，可以赢得 50cm 至 1m 的距离，以检测最脆弱的交通参与者（儿童和成人行人和自行车），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。由于噪声的主要来源是模拟接收链中的第 一个放大器（图 8），因此雷达 MMIC 收发器中的 LNA 应仔细设计和优化，以实现低噪声系数。

设计权衡

鉴于这些结果，如果我们想要通过优化雷达 MMIC 收发器的 RF 性能来扩展雷达系统的范围，那么有两个关键的设计参数，即输出功率和噪声系数。其中任何一个的更好性能都会增加检测范围。但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耗。此外，它将提供更好的抗干扰保护。另一方面，MMIC将具有较高的功耗和功耗。随着更多数量的传输通道的集成，这个问题将会更加严重。
如果功耗至关重要，调整噪声系数可能是更好的选择。这是针对节能 MMIC 的优雅解决方案。然而，低噪声系数将需要更高的 RX 增益，这反过来又会影响接收器的线性度。此外，针对干扰的保护可能较少，因为不需要的信号将沿着所需的信号被放大。

理想情况下，考虑到所选半导体技术和整体系统设计的限制，两者都应尽可能地进行调整。

结论

在本条目中，介绍了雷达距离检测的局限性和设计参数。当然，我们只关注 MMIC 的 RF 性能。雷达 MMIC 的其他参数也可能限制范围，例如模数转换器 (ADC)。还可以通过优化数字接收和处理链来增加范围，以便能够以较低的接收功率和信噪比获得有用的信号。