MIMO 雷达设计与元件选择

已创建：November 30, 2021
已更新：August 21, 2024

当今的商用雷达系统通过相控阵天线实现方向控制和波束形成，使系统设计师能够跟踪固定角度范围内的物体。这项技术并不新鲜，相控阵天线自1979年美国在阿拉斯加启用PAVE PAWS主动相控阵弹道导弹探测雷达系统以来就已被使用。从那时起，有用的频率变得更高，雷达模块变得更小，这些系统的准确性稳步提高。

如今，雷达被用于超出物体探测或位置测量的目标系统中。啁啾雷达用于同时进行位置和速度测量，一些信号处理技术被用来提取准确的目标并跟踪它们的位置。当今的汽车使用具有相对较小占地面积的啁啾雷达模块，在K波段进行短程目标跟踪（~24 GHz）或在W波段进行远程目标跟踪（~76-81 GHz）。当前系统的难点在于需要多个传感器模块来提供广角扫描的物体探测，但由于这些模块之间没有协调的波束形成，分辨率很低。

机器人和无人机等其他领域正在使用这些或类似的雷达波段，科学研究和成像中也有专门的应用。在过去的10年中，我们看到了另一种来自电信领域的技术被整合到雷达系统中：多输入多输出（MIMO）天线设计和协调。现在，包括MIMO雷达在内的雷达系统进展，正由汽车传感器套件和高级驾驶辅助系统（ADAS）推动。对于电子设计师来说，我们将探讨支持更先进雷达所需的系统架构以及一些当前可支持MIMO雷达的芯片组。

毫米波雷达的进展和MIMO的引入

目前在三个主要领域广泛使用的雷达模块和系统操作在毫米波频率上：

汽车：我上面提到了ADAS系统，这将继续保持关注焦点。主要动机是实现更准确的物体跟踪，但也需要减少总传感器数量，同时通过雷达测量实现原位成像。
机器人：过去5年左右，这个领域有了一些关注，期间我们看到雷达传感器被整合到工厂自动化、小型机器人的速度和位置控制以及从雷达点云中的图像分割等领域。
航空航天：这里雷达的存在是显而易见的，但现在针对小型自主无人机和无人机的雷达模块正受到关注，NASA正在进行实时飞行测试。这减少了对GNSS/GPS导航的依赖，这对于在封闭区域内的自主无人机导航并不实用。

这些系统使用啁啾广播信号来实现同时的位置和速度跟踪，以及解释视野内的多个目标。这是通过在单个相控阵中使用波束形成完成的，随后使用一些标准信号处理步骤进行目标提取和随时间的跟踪。

据我所知，今天市面上可用的雷达模块并没有使用MIMO技术。然而，主要的组件制造商正在引入毫米波芯片组，以支持FMCW雷达的独特应用，包括MIMO雷达和级联雷达。商用雷达模块、评估板和收发器仍然使用经过验证的中心馈电贴片天线架构、COTS雷达收发器和一些标准信号处理算法。这包括我公司为无人机应用设计的最新雷达模块。

今天雷达的基本相控阵天线架构。这里展示的板块来自德州仪器AWR6843评估模块。该设计采用混合堆叠，顶层使用罗杰斯层压板以支持低损耗信号传播到天线。

在区分和跟踪目标方面涉及的信号处理步骤有些复杂，信号处理教科书中有许多关于这些主题的指南。在这些系统中，当前方法的缺点在于有限的视场和粗糙的分辨率。因此，许多系统使用紧密的波束成形技术，具有低发散性，用于目标位置和速度测量，并通过使用多个模块来扩大视场。当前的汽车使用多个短程和远程雷达模块，采用上述架构作为ADAS系统的一部分，以提供广阔的视场，如下所示。

只要这些系统继续依赖短程雷达，同时也被设计为具有更大的自主性，那么这些产品上的整套传感器就需要改进，以拥有更高的分辨率。MIMO雷达是这一领域的主要进步之一，尚未大规模商业化。

当我们可以仅通过使用更多的模块来扩大视场以跟踪更多目标时，为什么要在雷达系统中集成MIMO呢？这是一个公平的问题，MIMO技术在雷达设计中的用处可能并不明显。显然，增加天线阵列的数量可以跟踪更多目标，但这些系统的分辨率仍然不足。MIMO雷达在不大幅增加复杂性的情况下解决了这个问题。

MIMO雷达提供更高的角分辨率

为上述应用构建MIMO雷达系统有一些令人信服的理由。使用MIMO的原因不在于增加跟踪目标的数量，而在于目标跟踪的分辨率，特别是在视场内的角分辨率。

在 MIMO 系统中，您有一个 Tx 天线阵列，用于广播正交信号。Tx 天线的集合并不是为了产生像在相控阵中那样的波束成形而协调的。然而，如果您想要增强您的 MIMO 雷达系统，您可以为 Tx 发射器使用单独的相控阵列，其中每个 Tx 阵列使用您的正交信号集中的一个信号进行广播。如果每个 Tx 发射器都是一个阵列，那么使用阵列中每个元素之间的标准相位控制来完成波束成形，其中 Tx 阵列中每个发射器之间的相位被延迟以控制波束成形和指向。

MIMO 雷达中的信号链与相控阵雷达中的非常相似。

还有一个 Rx 阵列，它接收来自 Tx 天线的所有信号，需要复用以分离来自 Tx 天线发射的每个正交信号。因为每个 Tx 广播的接收信号是正交的，您有一组与特定广播角度相关联的测量值。这就是提供更高分辨率的原因：Rx 阵列处的干扰波束可以使用与典型相控阵相同的信号处理步骤来解释，其中接收角度连同从多普勒测量中提取的速度和位置参数一起被提取。然而，您现在正在感知与特定发射器相关联的多个正交信号。然后，通过简单的三角测量将每个接收到的信号链接回特定的发射器，并以非常高的准确性提取目标位置。

您还可以在两个维度上布置阵列，提供 PCB 上的一组贴片天线，用于提供方位角和极角波束解释。这对于正在为先进的 ADAS 系统开发的新型 4D 雷达模块非常有用，可以用来感知物体的高度。

这里需要认识到的重要一点是，我们使用的是一个由 M 乘以 N 发射器组成的阵列，它们操作一组正交信号（多个频率或多个啁啾），这是增加广播分辨率的关键。考虑这样一个情况，我们想要将典型的 FMCW 汽车雷达的分辨率加倍。我们可以通过简单地增加天线元素的数量来实现这一点。然而，我们可以通过仅添加 1 个更多的 Tx 天线来获得相同的结果。正是这种在多个天线之间的复用增加了 Rx 侧和 Tx 侧的分辨率。

MIMO 雷达的组件

现代雷达使用线性啁啾信号（称为 FMCW 雷达）来同时跟踪位置和速度，以及高度准确的目标提取。信号处理模块和收发器模块是这里需要选择的关键组件，因为它们将负责生成和解释系统中使用的信号。也可以采取软件定义无线电方法来为每个 Tx 发射器生成信号。

如何生成FMCW雷达脉冲取决于您，但您可以使用COTS组件来帮助设计您的系统。因为这些系统尚未高度集成，您将不得不将多个毫米波组件拼凑在一起，以创建MIMO雷达系统。

德州仪器，AWR1642

德州仪器的AWR1642雷达收发器针对汽车应用，并且是他们用于FMCW雷达系统的标准收发器组件之一。该组件可以以空间复用的方式使用，其中使用多个中心馈电的贴片天线阵列来广播和接收信号。然后通过从每个Tx部分广播不同的子载波来实现MIMO雷达。

来自AWR1642数据手册的AWR1642收发器的方框图

德州仪器的IWR6843雷达收发器针对工业应用和在60至64 GHz操作的成像应用。这款较新的收发器为系统设计师扩展了雷达选项，而且仍然可以通过使用多个收发器进行空间复用来实现MIMO雷达。这个特定的组件提供极低的相位噪声-93 dBc @ 1 MHz，高Tx功率12 dBm，集成的PLL和集成的ADC。配置通过标准低速数字接口实现。功能上，该组件与上面显示的汽车收发器大致相同。

通过MIMO雷达系统实现更多创新

正如我之前提到的，MIMO雷达中即将到来的领域之一是4D雷达。这些系统使用数十个在毫米波频率下操作的辐射元件，其中Tx光束在极角和方位角上扫描。方位角扫描用于检测目标的垂直跨度和垂直运动。4D雷达目前正在为最新的ADAS系统开发，但这些雷达对于在复杂环境中操作的机器人以及需要非常精确的物体识别的小型无人机也将非常有用。凭借高角分辨率和方位角扫描，可能会减少对视觉摄像机和光学图像处理的依赖，完全依赖雷达。

支持这些领域的新组件是高度集成的SoCs，其中收发器、ADC、信号处理块和MCU都制造在同一芯片上。这将有助于减小总体系统尺寸，使新的MIMO雷达系统与标准的相控阵雷达更具竞争力。