圖0、依靠設計軟體來開發毫米波汽車雷達和天線系統
本文將討論了多波束和多範圍設計， 並研究了針對5G的多輸入， 多輸出（MIMO）和波束控制技術的天線設計，
一個典型的自我調整巡航控制（ACC， adaptive-cruise-control ）停走（stop-and-go）系統需要多個短程和長程雷達感測器來檢測附近的汽車。 短距離雷達通常覆蓋高達60米， 角度覆蓋範圍高達±45°， 可以檢測可能從相鄰車道切入當前行駛車道的車輛。 較遠距離的雷達可提供250米的覆蓋範圍和±5°至±10°的角度覆蓋範圍， 以便在同一車道上進一步提前檢測車輛。
為了支援多個範圍和掃描角度， 諸如博世， DENSO和德爾福等模組製造商已經開發並將多範圍， 多檢測功能集成到使用多通道發射器（TX）/接收器（RX ）架構（圖1）中。 通過採用頻率調製連續波（FMCW， frequency-modulated-continuous-wave）等雷達技術和天線陣列設計的數位波束形成技術， 多波束/多波段雷達可以解決這些不同的檢測範圍的應用。
圖1.
圖1.這款博世中程雷達傳感器具有三個發射機和四個接收機。 它支援主天線160m（±6°）， 100m（±9°）60m（±10°）的水平視場檢測範圍， 以及仰角天線的36m（±25°）和12m（± 42°）的檢測範圍。
天線設計ACC系統應用中的基於FMCW雷達驅動多天線陣的多模式雷達如圖2所示。
圖2
圖2.表示出的是多頻帶， 多範圍的FMCW數位波束形成ACC雷達， 其利用六個單獨的SFPA。
雷達性能受天線技術的很大影響， 天線技術必須考慮電氣性能， 如增益， 波束寬度， 範圍和特定應用的物理尺寸。 示例雷達中的多個固定的TX / RX天線陣列針對距離， 角度和旁瓣抑制進行了優化。 貼片天線相對容易設計和製造， 配置成陣列時性能會很好， 從而增加整體增益和方向性。
矩形貼片天線設計的性能由天線的長度， 寬度， 介質襯底的厚度和介電常數來控制。 單個貼片的長度控制諧振頻率， 而寬度控制輸入阻抗和輻射模式。 通過增加寬度，
介電常數值較低的介質基片控制著邊緣場， 從而導致更寬的邊緣， 因此有更好的輻射。 降低襯底介質的介電常數也會增加天線的頻寬。 同時介電常數的值越低， 天線的效率也越高。
設計工程師通過利用電磁（EM， electromagnetic ）設計軟體來精確地類比分析和優化性能， 這使得設計單貼片天線或者天線陣列成為可能。 NI AWR設計環境包括AXIEM 3D平面和Analyst 3D有限元方法模擬器。 除了模擬近場和遠場輻射方向圖， 輸入阻抗和表面電流等天線性能外， 還能夠直接與AWR中的視覺系統模擬器（VSS， Visual System Simulator）共同模擬類比 - 自動將天線模擬結果納入整個雷達系統分析中而無需在EM模擬器和系統設計工具之間手動匯出/導入資料。
AXIEM和Analyst都採用使用者定義天線的物理屬性，如天線貼片的寬度和長度，以及天線襯底介質的材料和襯底高度等介電屬性來產生電回應。 AXIEM是貼片天線設計分析的理想選擇，而Analyst最適合用於3D結構，如同軸饋電結構或者有限介質（當接近印刷電路板[PCB]邊緣時會影響天線性能;請參考圖3）。
圖3.
圖3.該圖顯示了一個在AXIEM中優化的邊緣耦合單貼片天線的設計示例：用於優化中心回波損耗和設計頻率的寬邊增益。
下圖顯示了具有共饋電網路的貼片天線陣列和在不到6.5分鐘內用四核處理器解決了167k個未知數。
圖4
圖4.中顯示的是具有共同饋電（單饋埠）的8×16貼片天線陣列（128個元件）和在約6.5分鐘內用四核處理器解決的167k個未知數（1.88GHz）。
為了確定產生所需電氣響應的物理屬性，天線設計人員可以使用NI AWR軟體的AntSyn天線綜合和優化工具（如圖5所示）。 AntSyn使使用者能夠指定天線的電氣要求和物理尺寸限制。該軟體探索了一套設計配置，並基於專有遺傳優化和EM（Electromagnetic ）分析確定最佳結構。然後可以將導致的天線幾何結構導入到專用的平面或者3D EM求解器（如AXIEM或Analyst）中，以進行驗證或者進一步分析/優化。
圖5
圖5.該圖說明瞭AntSyn天線綜合規範介面和天線型別程式庫（a）以及基於使用者指定的天線要求（b）的模擬結果。
平面元素可以通過結合非常簡單的元素（如微帶貼片）輕鬆形成陣列結構。可以按照諸如圖6中的1×8貼片陣列的順序配置貼片，其中每個元件通過傳輸線的“可調諧”部分串聯連接。在這個AXIEM項目中，每個陣列元件和連接傳輸線的長度和寬度都用變數定義，以便優化整個天線陣列的性能。
圖6.
圖6.該軟體具有參數化修改器允許優化串列饋電的1×8貼片陣列。
1×8陣列可以進一步擴展為8×8天線陣列，實現高增益固定波束設計（如圖7所示）。
圖7
圖7.這是一個77-GHz 8×8天線陣列。參數是N *λ/ 2個λ/ 2 <間距<λ給的。
在NI AWR設計環境中，陣列可以用VSS表示為系統行為模組，使用專有的相控陣模型，使設計人員能夠指定陣列配置（元件數量，元件間距，天線輻射模式，受損元件，增益減小，以及更多），以獲得對期望性能（例如增益和旁瓣）的陣列要求的先進理解。這種方法最適合大規模天線陣列（數千個天線單元）和系統設計人員為天線陣列開發團隊所提的基本要求。
圖8.
圖8.如圖所示的是一個4×4的貼片天線陣列，每個天線單元都有單獨的埠，從而可以在電路/系統級定義和共同模擬饋電結構（左下），以監測每個天線單元的天線輸入阻抗的變化，通過射頻饋電網路控制天線波束的轉向。
如果天線的饋電網路也在AXIEM / Analyst（圖9）中實現，那麼也可以在AXIEM或Analyst中使用詳細的物理陣列對天線陣列的性能進行建模，指定每個單獨的埠饋送（如圖8所示）或者單個饋送網路（如圖9所示）。
圖9.
圖9.該圖顯示了對在RO4003C PCB上佈局的8×8貼片天線陣列的模擬類比結果，天線陣列的尺寸大約2.3×2.5cm。樹狀結構的公共饋電路徑保證了天線陣列的整體輻射是有同相疊加合成性的，從而在1GHz頻寬上產生了大於20dBi的陣列增益。
這種方法使設計團隊能夠研究波束角度和每個單獨元件輸入阻抗之間的相互作用，從而使RF前端器件設計人員能夠考慮阻抗對收發信機性能的影響。這種能力突出了RF電路，系統和EM協同模擬在製造這些複雜系統之前對電路/天線行為進行精確地研究的重要性。
MIMO和波束控制天線技術對於道路上的車輛，雷達將會接收到不需要的背向散射以及環境中的大型固定物體，如建築物和護欄的邊緣散射。除了直接路徑反射之外，散射體之間也存在多徑反射，可以通過使用MIMO天線來減輕這些散射雜波的影響。
MIMO雷達系統使用多個天線系統，每個發射天線獨立於其他發射天線發射任意波形。每個接收天線都可以接收這些信號。由於波形不同，回波信號可以重新分配給單個發射器。 N個發射機的天線場和K個接收機的場從數學地將導致K·N個單元的虛擬場，導致放大的虛擬孔徑，從而允許設計者減少必要的天線陣列單元的數量。 MIMO雷達系統從而提高空間解析度並提供顯著提高的抗干擾性。通過改善信噪比，目標的檢測概率也增加了。
VSS能夠實現使用者指定的MIMO演算法，並評估與通道模型相關的整體性能（如圖10所示）。用戶可以模擬一個高度可定制的多徑衰落通道，包括通道路徑損耗，發射機和接收機之間的相對速度以及最大多普勒擴展角度。該軟體也支援獨立或連續的塊到塊操作，該通道可以包含多種路徑衰落形式（LOS，Rayleigh，Ricean，頻移），可以根據其衰落類型，延遲，相對增益和其他適用特性來進行單獨配置。該模組還可以類比具有使用者定義的幾何結構的接收機天線陣列，從而能夠模擬單輸入多輸出（SIMO，single-input, multiple-output ）系統的性能。
圖10.
圖10. VSS可以實現使用者指定的MIMO SIMO演算法。
結論除了變得更加複雜和可靠之外，在不久的將來，ADAS系統將在大多數（如果不是全部的話）車輛中變得更加普遍地應用。由於在5G通信中將發生的天線陣列和毫米波技術的類似進步，大多數汽車和卡車將比現在更安全。模擬技術的進步 - 尤其是RF感知電路設計，天線陣列的建模和系統級聯合模擬 - 將使天線設計人員和系統集成人員能夠針對具有挑戰性的天線尺寸，成本和可靠性等設計目標來優化這些系統。
（完）
AXIEM和Analyst都採用使用者定義天線的物理屬性，如天線貼片的寬度和長度，以及天線襯底介質的材料和襯底高度等介電屬性來產生電回應。 AXIEM是貼片天線設計分析的理想選擇，而Analyst最適合用於3D結構，如同軸饋電結構或者有限介質（當接近印刷電路板[PCB]邊緣時會影響天線性能;請參考圖3）。
圖3.
圖3.該圖顯示了一個在AXIEM中優化的邊緣耦合單貼片天線的設計示例：用於優化中心回波損耗和設計頻率的寬邊增益。
下圖顯示了具有共饋電網路的貼片天線陣列和在不到6.5分鐘內用四核處理器解決了167k個未知數。
圖4
圖4.中顯示的是具有共同饋電（單饋埠）的8×16貼片天線陣列（128個元件）和在約6.5分鐘內用四核處理器解決的167k個未知數（1.88GHz）。
為了確定產生所需電氣響應的物理屬性，天線設計人員可以使用NI AWR軟體的AntSyn天線綜合和優化工具（如圖5所示）。 AntSyn使使用者能夠指定天線的電氣要求和物理尺寸限制。該軟體探索了一套設計配置，並基於專有遺傳優化和EM（Electromagnetic ）分析確定最佳結構。然後可以將導致的天線幾何結構導入到專用的平面或者3D EM求解器（如AXIEM或Analyst）中，以進行驗證或者進一步分析/優化。
圖5
圖5.該圖說明瞭AntSyn天線綜合規範介面和天線型別程式庫（a）以及基於使用者指定的天線要求（b）的模擬結果。
平面元素可以通過結合非常簡單的元素（如微帶貼片）輕鬆形成陣列結構。可以按照諸如圖6中的1×8貼片陣列的順序配置貼片，其中每個元件通過傳輸線的“可調諧”部分串聯連接。在這個AXIEM項目中，每個陣列元件和連接傳輸線的長度和寬度都用變數定義，以便優化整個天線陣列的性能。
圖6.
圖6.該軟體具有參數化修改器允許優化串列饋電的1×8貼片陣列。
1×8陣列可以進一步擴展為8×8天線陣列，實現高增益固定波束設計（如圖7所示）。
圖7
圖7.這是一個77-GHz 8×8天線陣列。參數是N *λ/ 2個λ/ 2 <間距<λ給的。
在NI AWR設計環境中，陣列可以用VSS表示為系統行為模組，使用專有的相控陣模型，使設計人員能夠指定陣列配置（元件數量，元件間距，天線輻射模式，受損元件，增益減小，以及更多），以獲得對期望性能（例如增益和旁瓣）的陣列要求的先進理解。這種方法最適合大規模天線陣列（數千個天線單元）和系統設計人員為天線陣列開發團隊所提的基本要求。
圖8.
圖8.如圖所示的是一個4×4的貼片天線陣列，每個天線單元都有單獨的埠，從而可以在電路/系統級定義和共同模擬饋電結構（左下），以監測每個天線單元的天線輸入阻抗的變化，通過射頻饋電網路控制天線波束的轉向。
如果天線的饋電網路也在AXIEM / Analyst（圖9）中實現，那麼也可以在AXIEM或Analyst中使用詳細的物理陣列對天線陣列的性能進行建模，指定每個單獨的埠饋送（如圖8所示）或者單個饋送網路（如圖9所示）。
圖9.
圖9.該圖顯示了對在RO4003C PCB上佈局的8×8貼片天線陣列的模擬類比結果，天線陣列的尺寸大約2.3×2.5cm。樹狀結構的公共饋電路徑保證了天線陣列的整體輻射是有同相疊加合成性的，從而在1GHz頻寬上產生了大於20dBi的陣列增益。
這種方法使設計團隊能夠研究波束角度和每個單獨元件輸入阻抗之間的相互作用，從而使RF前端器件設計人員能夠考慮阻抗對收發信機性能的影響。這種能力突出了RF電路，系統和EM協同模擬在製造這些複雜系統之前對電路/天線行為進行精確地研究的重要性。
MIMO和波束控制天線技術對於道路上的車輛，雷達將會接收到不需要的背向散射以及環境中的大型固定物體，如建築物和護欄的邊緣散射。除了直接路徑反射之外，散射體之間也存在多徑反射，可以通過使用MIMO天線來減輕這些散射雜波的影響。
MIMO雷達系統使用多個天線系統，每個發射天線獨立於其他發射天線發射任意波形。每個接收天線都可以接收這些信號。由於波形不同，回波信號可以重新分配給單個發射器。 N個發射機的天線場和K個接收機的場從數學地將導致K·N個單元的虛擬場，導致放大的虛擬孔徑，從而允許設計者減少必要的天線陣列單元的數量。 MIMO雷達系統從而提高空間解析度並提供顯著提高的抗干擾性。通過改善信噪比，目標的檢測概率也增加了。
VSS能夠實現使用者指定的MIMO演算法，並評估與通道模型相關的整體性能（如圖10所示）。用戶可以模擬一個高度可定制的多徑衰落通道，包括通道路徑損耗，發射機和接收機之間的相對速度以及最大多普勒擴展角度。該軟體也支援獨立或連續的塊到塊操作，該通道可以包含多種路徑衰落形式（LOS，Rayleigh，Ricean，頻移），可以根據其衰落類型，延遲，相對增益和其他適用特性來進行單獨配置。該模組還可以類比具有使用者定義的幾何結構的接收機天線陣列，從而能夠模擬單輸入多輸出（SIMO，single-input, multiple-output ）系統的性能。
圖10.
圖10. VSS可以實現使用者指定的MIMO SIMO演算法。
結論除了變得更加複雜和可靠之外，在不久的將來，ADAS系統將在大多數（如果不是全部的話）車輛中變得更加普遍地應用。由於在5G通信中將發生的天線陣列和毫米波技術的類似進步，大多數汽車和卡車將比現在更安全。模擬技術的進步 - 尤其是RF感知電路設計，天線陣列的建模和系統級聯合模擬 - 將使天線設計人員和系統集成人員能夠針對具有挑戰性的天線尺寸，成本和可靠性等設計目標來優化這些系統。
（完）