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车用雷达普及 毫米波测试全面升级
自驾车方兴未艾

【作者: 王岫晨】2017年03月20日 星期一

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自从17世纪的工业革命以来,人类开始进入汽车时代,而到了2017年,先进驾驶辅助系统(ADAS)以及自动车,已经成为近年来汽车电子产业的火红议题。相关软硬体厂商无不使出洪荒之力,开发最新方案抢市。而推升这一波浪潮的其中一项关键技术,即为先进的雷达科技。


雷达全面进军汽车产业

正是为了要能够大幅降低车祸事故的伤亡机率,目前全球车厂都已经将行车安全视为是最重要的课题,因此在新款的车辆中,纷纷结合了更为先进的科技,可以在行车中遭遇紧急状况时,提供驾驶者快速且必要的协助。除了过往较为常见的车用摄影机及超音波感测器外,汽车产业正快速加入先进的雷达技术,为车辆提供更为便利与安全的行车功能。


事实上,现在自驾车的议题十分火热。放眼发展中的自驾车,多半都具备了盲点侦测、自动跟车,以及自动停车等先进的功能。而这背后最重要的幕后功臣,就是车用雷达技术。只不过,这看似便利的技术应用,却攸关着驾车与乘车者的安全。市场上也必须要有个全方位的验证方案,来为先进的车用雷达技术把关。


根据车厂Audi交通事故研究小组的一项研究发现,超过九成的道路事故,其原因几乎都可以归咎于人为疏失,而透过自动驾驶技术,目的正是为了要减少这些交通事故的事故发生率。放眼自动驾驶技术,其实正是类似于飞机所使用的空中自动驾驶系统。在现阶段的车用市场中,已经开始越来越普遍存在,在许多高阶车款中已经十分常见,甚至中阶价位的车辆中也都已经开始导入。


目前车辆中最普遍使用的自动驾驶技术,除了停车辅助系统(parking-assistance system)之外,在新款的自驾车中,更开始导入许多驾驶辅助技术,例如车道变换辅助(lane-change assistant)、车辆盲点侦测(blind-spot detection)、智慧巡航控制(adaptive cruise control),这些功能在豪华电动车特斯拉(Tesla)的车款上都已经可见。


79GHz频段将应用在车用雷达上,其频宽可达4GHz。由于讯号频宽决定了距离的解析度,这对于行车的应用相当重要。

高频雷达发挥所长

据了解,停车辅助系统是透过一个明确的引导程序,至于智慧巡航控制则是接收前方车辆讯息来对行驾驶速度加以修正。而这些功能,都必须透过车用雷达方可进行。在车用市场中,汽车制造商目前可以利用24GHz及77GHz等两种不同频宽的频段。在24GHz ISM频段下,频宽最大可达250MHz,24GHz超宽频(UWB)则可提供达5GHz的频宽。


然而,由于国际规范的关系,这些频段使用期限只能到2022年底为止。之后将再开放77GHz与81GHz间的频率范围,例如79GHz频段将被应用在车用雷达上,其频宽将可达到4GHz。由于讯号频宽决定了距离的解析度,这对于行车的应用相当重要。


以目前77GHZ频段的解析频宽是1GHZ,79GHZ的解析频宽则可达到4GHZ。而调变频宽正关乎可以解析到多小的物体尺寸。例如24GHz的雷达解析频宽只有1公尺,但79GHZ雷达则可以解析到30公分左右的距离。因此,对于未来的自动停车功能,解析度更高的79GHz雷达,就会扮演非常重要的角色。例如,采用了79GHz雷达的自动停车系统,就可以让车子准确的停入更狭小的停车空间,而不至于撞伤车辆。


未来79GHZ频段将可能会取代目前24GHZ的倒车雷达与盲点侦测。这主要是因为欧洲法令的限制,是希望在盲点侦测系统上,可以同步侦测到两个不同物体,例如将人与脚踏车分开识别。而这样的能力,以目前24GHZ雷达是无法达到的,其将会受限于解调频宽与天线。未来以79GHZ天线取代了24GHZ天线之后,这样的侦测能力将得以实现。


此外,未来的车用雷达采用77GHz或79GHz频段,还有一个好处,将更便于车用雷达的介面统一。因为现行的24GHz天线采用的是SMA介面,至于77GHz则是透过waveguide介面来馈入讯号,而未来车用天线一旦采用毫米波的高频讯号,将更有利于介面的统一性。


事实上,雷达系统的设计,和相关元件的评估,对于提高远距量测之解析度与准确度有非常大的帮助,并可提供防撞安全保护与行车控制所需的宽广视角、广角解析度、以及准确度等。前文所提到的许多功能包括车道变换辅助、车辆盲点侦测、以及智慧巡航控制等,都是透过高频的车用雷达来加以实现,例如79GHz频段的毫米波雷达、FMCW雷达、以及脉冲压缩雷达等。


雷达技术的测试考量

在设计雷达收发器时,包含传播路径的全系统分析至关重要。目前便有测试厂商提出了整体系统分析方案,包括传播路径中的各种干扰,并且在制作原型之前,预先分析发射与接收天线的模型。另外,也可藉由结合模拟环境与量测仪器,来执行包含原型在内的全系统分析。


此外,在设计用于毫米波雷达系统的毫米波IC和电路模组时,一定要预先考虑接线的特性。如果想充分了解布局中的接线效应,则必须执行电磁分析。因此高度准确设计所需的电路与电磁模拟环境是不可或缺的测试功能。至于模拟准确度,则是取决于模拟模型,因此设计毫米波电路时,必须准备支援毫米波的SPICE模型。因此,执行高度准确的模拟,必须拥有支援毫米波SPICE模型撷取和验证服务的仪器功能才行。


雷达技术在汽车与军事用途上,有着许多不同考量点。事实上,雷达科技最初乃因应军事用途所开发,而应用在汽车产业上,成本就成了首要考量,所以必须压低元件成本。此外,车用雷达感测器通常安装于汽车的车身前后,由于受限于非常限制,因此感测器必须更为精巧才行。


比起传统摄影机与超音波等技术,车用雷达技术的最大优势,是雷达与物体间的距离侦测,不需要再透过视觉影像,不仅可于车辆设计的前期即导入车用雷达,也可大幅减少保险杆的量产成本。而雷达技术可以在不同的天候条件下,快速并准确测量不同物体的速度和距离,这使得雷达技术将成为实现自动驾驶的关键要素。


结语

频率调变的雷达讯号,主要都是透过频谱分析仪来进行分析,因此雷达元件的研发人员即可透过频谱分析仪,即时的自动侦测、量测与显示雷达讯号。此外,信号分析仪与示波器等,也都能在雷达讯号的分析测试上派上用场。自动驾驶车辆,将是人类运输历史上的新里程碑,而测试仪器,肯定也不会在这场盛宴中缺席。


解决方案

安立知2埠E-band向量网路分析仪

安立知:「这是最经济的高频测试解决方案!」


安立知的ShockLine系列拥有2埠的E-band VNA机种,这是透过安立知的VNA技术,整出两个升频的模组。安立知透过自身的技术,让双埠VNA可以直接拥有E-band功能,并可从原本支援的60~70GHZ,延伸到55~92GHZ,这也是目前市面上2埠到4埠VNA机型中,最经济的量测解决方案。


特别是在60GHZ这个频段,现在常用的高解析影像,就是使用60GHZ这个频段。如果频率再往上的话,就可以看到无线通讯应用的新趋势,也就是点对点的微波系统,这将会从Ka-Band升频到大概80GHZ附近的频率。而这款E-BAND专用的VNA可以直接提供客户量测该频段设备的能力,这也是目前最容易达到该频段的测试机种。



图一 : 安立知2埠E-band向量网路分析仪
图一 : 安立知2埠E-band向量网路分析仪圖片來源:anritsu.com (图片来源:anritsu.com)

罗德史瓦兹FSW85高阶讯号及频谱分析仪

罗德史瓦兹:「这是要求严苛的研究单位与产品开发测试首选!」


全新的R&S FSW85 高阶讯号及频谱分析仪率先支援单次扫描频率范围由2Hz至85GHz,使用者即可于单机进行基频与射频的测试应用;由于R&S FSW85 毋须额外搭配外部混频器,因而大幅简化了测试配置。此外,内置预选抑制了镜像频率与其他杂散发射(Spurious Emission)。


R&S FSW85 透过选配升级500MHz的内部分析频宽,提供雷达元件开发者各种分析选项,特别是车用与航太国防的应用上。当R&S FSW-B2000选配与 R&S RTO数位示波器结合, 即可达到2GHz的分析频宽;研发人员即可进行5G下世代行动通讯讯号或复杂脉冲参数的宽频讯号分析,以及雷达系统的讯号分析。



图二 : 罗德史瓦兹FSW85高阶讯号及频谱分析仪
图二 : 罗德史瓦兹FSW85高阶讯号及频谱分析仪圖片來源:rohde-schwarz.com (图片来源:rohde-schwarz.com)

是德科技高解析度广角毫米波宽频雷达解决方案

是德科技台湾区总经理张志铭:「是德科技是您毫米波元件评估最值得信赖的伙伴!」


雷达系统设计和相关元件评估,对于提高远距量测之解析度/准确度有莫大的助益,并可提供防撞安全保护与行车控制所需的宽广视角/广角解析度/准确度。


在设计雷达收发器时,包含传播路径的全系统分析至关重要。 Keysight SystemVue/EMPro可对整体系统进行分析,包括传播路径中的各种干扰,并且在制作原型之前,使用EMPro提供的更接近实际状况的分析结果,来分析发射/接收天线模型。另外,藉由结合模拟环境与量测仪器,可执行包含原型在内的全系统分析。


在设计用于毫米波雷达系统的毫米波IC和电路模组时,一定要考虑接线的特性。如欲充分了解布局中的接线效应,须执行电磁分析。 Keysight ADS/Golden Gate可提供高度准确设计所需的电路/电磁模拟环境。


模拟准确度取决于模拟模型,因此设计毫米波电路时,必须准备支援毫米波的SPICE模型。是德科技提供支援毫米波的SPICE 模型撷取和验证服务,以执行高度准确的模拟。



图三 : 是德科技N9040B UXA高效能X系列信号分析仪
图三 : 是德科技N9040B UXA高效能X系列信号分析仪圖片來源:keysight.com (图片来源:keysight.com)

NI PXIe-5632向量网路分析器(VNA)

国家仪器技术行销经理潘建安:「NI向量网路分析仪可提供精准的RF效能!」


NI针对精巧的模组化PXI平台提供了向量网路分析仪(VNA)功能,可提供极为精准的RF效能。其具备了300kHz~8.5GHz的频率范围、10Hz到500kHz的IF频宽、超过110dB的动态范围、-30到+15dBm的来源功率范围、双源架构具备独立频率与功率调整功能等。



图四 : NI PXIe-5632向量网路分析器(VNA)
图四 : NI PXIe-5632向量网路分析器(VNA)圖片來源:ni.com (图片来源:ni.com)
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