毫米波MIMO雷达的设计 留言

Tero Kiuru和Henrik Forstén，VTT Technical Research Centre of Finland Ltd.，Espoo，芬兰

雷达使用反射的无线电波来确定物体的距离、角度或速度。这些探测系统曾经是航空航天和国防工业的专属领域，现在在消费领域也越来越受欢迎，最引人注目的是用于自适应巡航控制和自动驾驶辅助系统的汽车雷达应用。¹ 现代的频率调制连续波（FMCW）系统中的模拟和射频硬件比原来的脉冲多普勒雷达复杂得多，而且商业应用是可能的，部分原因是大批量的半导体工艺，如SiGe和CMOS技术，这使得大规模商业应用的系统具有高成本效益。

本文介绍了一种用于商业雷达应用的60 GHz FMCW、频分复用（FDM）、MIMO雷达系统。² 这种独特的结构使发射（Tx）和接收（Rx）通道的总数可以通过系统中的集成电路数量来扩展，同时仍然保持通道之间的相位一致性。这种方法提供了高帧率的测量、出色的相位稳定性和大视场（FoV）。雷达结构和集成电路的设计使该系统可以扩展到更大的雷达系统。

本文中的雷达系统的预期用途是在雷达本身可能移动时对附近的移动物体进行短距离、高分辨率的探测，意在捕捉人流量、无人机和其他自主系统。此外，该系统可以支持同时进行定位和测绘、物体探测（如汽车）和医疗应用的远程多目标生命体征测量。FDM被确定为满足高分辨率要求的最佳选择，因为码分多路复用太复杂，而对快速移动物体的精确跟踪要求使时分多路复用不切实际。此外，FDM允许精确的相位测量，这支持医疗应用，如通过检测胸部的微小运动来远程监测心跳和呼吸速率。

对雷达系统的要求包括大于200赫兹的快速成像、小于5厘米的距离分辨率、多目标采集、移动目标能力和对微动的高灵敏度——所有这些都在一个小的、轻的、低成本的空间里。该系统的规格为：

该系统对静止的人类大小的物体提供20至25米的最大探测距离。应用背景减法，这一距离对移动目标增加到60米。该系统还支持同时探测多个移动物体，而无需物理扫描天线。还可提供具有160 x 160度视场的三维系统。

虽然雷达系统提供了许多潜在的使用模式，但多人生命体征提取能力对未来的应用很有意义。对于数据分析，雷达技术的速度是关键，因为它在不支持视觉图形的情况下可以以每秒200帧（FPS）的速度运行，而在有可视化的要求下可以达到50到100帧。

传统的脉冲雷达通过发射一个短脉冲并观察返回的目标回波的飞行时间来探测目标的距离。这就要求雷达具有较高的瞬时发射功率，并常常导致设备具有庞大、昂贵的物理结构。FMCW雷达通过发射一个用低频波形调制的连续微波信号，如周期为T的锯齿函数，其持续时间远远大于回波的返回时间，用更小的瞬时发射功率和尺寸达到类似的效果（见图1）。

图1 FMCW锯齿形波形。