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車用雷達普及 毫米波測試全面升級
自駕車方興未艾

【作者: 王岫晨】   2017年03月20日 星期一

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自從17世紀的工業革命以來,人類開始進入汽車時代,而到了2017年,先進駕駛輔助系統(ADAS)以及自動車,已經成為近年來汽車電子產業的火紅議題。相關軟硬體廠商無不使出洪荒之力,開發最新方案搶市。而推升這一波浪潮的其中一項關鍵技術,即為先進的雷達科技。


雷達全面進軍汽車產業

正是為了要能夠大幅降低車禍事故的傷亡機率,目前全球車廠都已經將行車安全視為是最重要的課題,因此在新款的車輛中,紛紛結合了更為先進的科技,可以在行車中遭遇緊急狀況時,提供駕駛者快速且必要的協助。除了過往較為常見的車用攝影機及超音波感測器外,汽車產業正快速加入先進的雷達技術,為車輛提供更為便利與安全的行車功能。


事實上,現在自駕車的議題十分火熱。放眼發展中的自駕車,多半都具備了盲點偵測、自動跟車,以及自動停車等先進的功能。而這背後最重要的幕後功臣,就是車用雷達技術。只不過,這看似便利的技術應用,卻攸關著駕車與乘車者的安全。市場上也必須要有個全方位的驗證方案,來為先進的車用雷達技術把關。


根據車廠Audi交通事故研究小組的一項研究發現,超過九成的道路事故,其原因幾乎都可以歸咎於人為疏失,而透過自動駕駛技術,目的正是為了要減少這些交通事故的事故發生率。放眼自動駕駛技術,其實正是類似於飛機所使用的空中自動駕駛系統。在現階段的車用市場中,已經開始越來越普遍存在,在許多高階車款中已經十分常見,甚至中階價位的車輛中也都已經開始導入。


目前車輛中最普遍使用的自動駕駛技術,除了停車輔助系統(parking-assistance system)之外,在新款的自駕車中,更開始導入許多駕駛輔助技術,例如車道變換輔助(lane-change assistant)、車輛盲點偵測(blind-spot detection)、智慧巡航控制(adaptive cruise control),這些功能在豪華電動車特斯拉(Tesla)的車款上都已經可見。


79GHz頻段將應用在車用雷達上,其頻寬可達4GHz。由於訊號頻寬決定了距離的解析度,這對於行車的應用相當重要。

高頻雷達發揮所長

據了解,停車輔助系統是透過一個明確的引導程序,至於智慧巡航控制則是接收前方車輛訊息來對行駕駛速度加以修正。而這些功能,都必須透過車用雷達方可進行。在車用市場中,汽車製造商目前可以利用24GHz及77GHz等兩種不同頻寬的頻段。在24GHz ISM頻段下,頻寬最大可達250MHz,24GHz超寬頻(UWB)則可提供達5GHz的頻寬。


然而,由於國際規範的關係,這些頻段使用期限只能到2022年底為止。之後將再開放77GHz與81GHz間的頻率範圍,例如79GHz頻段將被應用在車用雷達上,其頻寬將可達到4GHz。由於訊號頻寬決定了距離的解析度,這對於行車的應用相當重要。


以目前77GHZ頻段的解析頻寬是1GHZ,79GHZ的解析頻寬則可達到4GHZ。而調變頻寬正關乎可以解析到多小的物體尺寸。例如24GHz的雷達解析頻寬只有1公尺,但79GHZ雷達則可以解析到30公分左右的距離。因此,對於未來的自動停車功能,解析度更高的79GHz雷達,就會扮演非常重要的角色。例如,採用了79GHz雷達的自動停車系統,就可以讓車子準確的停入更狹小的停車空間,而不至於撞傷車輛。


未來79GHZ頻段將可能會取代目前24GHZ的倒車雷達與盲點偵測。這主要是因為歐洲法令的限制,是希望在盲點偵測系統上,可以同步偵測到兩個不同物體,例如將人與腳踏車分開識別。而這樣的能力,以目前24GHZ雷達是無法達到的,其將會受限於解調頻寬與天線。未來以79GHZ天線取代了24GHZ天線之後,這樣的偵測能力將得以實現。


此外,未來的車用雷達採用77GHz或79GHz頻段,還有一個好處,將更便於車用雷達的介面統一。因為現行的24GHz天線採用的是SMA介面,至於77GHz則是透過waveguide介面來饋入訊號,而未來車用天線一旦採用毫米波的高頻訊號,將更有利於介面的統一性。


事實上,雷達系統的設計,和相關元件的評估,對於提高遠距量測之解析度與準確度有非常大的幫助,並可提供防撞安全保護與行車控制所需的寬廣視角、廣角解析度、以及準確度等。前文所提到的許多功能包括車道變換輔助、車輛盲點偵測、以及智慧巡航控制等,都是透過高頻的車用雷達來加以實現,例如79GHz頻段的毫米波雷達、FMCW雷達、以及脈衝壓縮雷達等。


雷達技術的測試考量

在設計雷達收發器時,包含傳播路徑的全系統分析至關重要。目前便有測試廠商提出了整體系統分析方案,包括傳播路徑中的各種干擾,並且在製作原型之前,預先分析發射與接收天線的模型。另外,也可藉由結合模擬環境與量測儀器,來執行包含原型在內的全系統分析。


此外,在設計用於毫米波雷達系統的毫米波IC和電路模組時,一定要預先考慮接線的特性。如果想充分了解佈局中的接線效應,則必須執行電磁分析。因此高度準確設計所需的電路與電磁模擬環境是不可或缺的測試功能。至於模擬準確度,則是取決於模擬模型,因此設計毫米波電路時,必須準備支援毫米波的SPICE模型。因此,執行高度準確的模擬,必須擁有支援毫米波SPICE模型擷取和驗證服務的儀器功能才行。


雷達技術在汽車與軍事用途上,有著許多不同考量點。事實上,雷達科技最初乃因應軍事用途所開發,而應用在汽車產業上,成本就成了首要考量,所以必須壓低元件成本。此外,車用雷達感測器通常安裝於汽車的車身前後,由於受限於非常限制,因此感測器必須更為精巧才行。


比起傳統攝影機與超音波等技術,車用雷達技術的最大優勢,是雷達與物體間的距離偵測,不需要再透過視覺影像,不僅可於車輛設計的前期即導入車用雷達,也可大幅減少保險桿的量產成本。而雷達技術可以在不同的天候條件下,快速並準確測量不同物體的速度和距離,這使得雷達技術將成為實現自動駕駛的關鍵要素。


結語

頻率調變的雷達訊號,主要都是透過頻譜分析儀來進行分析,因此雷達元件的研發人員即可透過頻譜分析儀,即時的自動偵測、量測與顯示雷達訊號。此外,信號分析儀與示波器等,也都能在雷達訊號的分析測試上派上用場。自動駕駛車輛,將是人類運輸歷史上的新里程碑,而測試儀器,肯定也不會在這場盛宴中缺席。


解決方案

安立知2埠E-band向量網路分析儀

安立知:「這是最經濟的高頻測試解決方案!」


安立知的ShockLine系列擁有2埠的E-band VNA機種,這是透過安立知的VNA技術,整出兩個升頻的模組。安立知透過自身的技術,讓雙埠VNA可以直接擁有E-band功能,並可從原本支援的60~70GHZ,延伸到55~92GHZ,這也是目前市面上2埠到4埠VNA機型中,最經濟的量測解決方案。


特別是在60GHZ這個頻段,現在常用的高解析影像,就是使用60GHZ這個頻段。如果頻率再往上的話,就可以看到無線通訊應用的新趨勢,也就是點對點的微波系統,這將會從Ka-Band升頻到大概80GHZ附近的頻率。而這款E-BAND專用的VNA可以直接提供客戶量測該頻段設備的能力,這也是目前最容易達到該頻段的測試機種。



圖一 : 安立知2埠E-band向量網路分析儀
圖一 : 安立知2埠E-band向量網路分析儀圖片來源:anritsu.com

羅德史瓦茲FSW85高階訊號及頻譜分析儀

羅德史瓦茲:「這是要求嚴苛的研究單位與產品開發測試首選!」


全新的 R&S FSW85 高階訊號及頻譜分析儀率先支援單次掃描頻率範圍由2Hz至85GHz,使用者即可於單機進行基頻與射頻的測試應用;由於 R&S FSW85 毋須額外搭配外部混頻器,因而大幅簡化了測試配置。此外,內置預選抑制了鏡像頻率與其他雜散發射(Spurious Emission)。


R&S FSW85 透過選配升級500MHz的內部分析頻寬,提供雷達元件開發者各種分析選項,特別是車用與航太國防的應用上。當R&S FSW-B2000選配與 R&S RTO數位示波器結合, 即可達到2GHz的分析頻寬;研發人員即可進行5G下世代行動通訊訊號或複雜脈衝參數的寬頻訊號分析,以及雷達系統的訊號分析。



圖二 : 羅德史瓦茲FSW85高階訊號及頻譜分析儀
圖二 : 羅德史瓦茲FSW85高階訊號及頻譜分析儀圖片來源:rohde-schwarz.com

是德科技高解析度廣角毫米波寬頻雷達解決方案

是德科技台灣區總經理張志銘:「是德科技是您毫米波元件評估最值得信賴的夥伴!」


雷達系統設計和相關元件評估,對於提高遠距量測之解析度/準確度有莫大的助益,並可提供防撞安全保護與行車控制所需的寬廣視角/廣角解析度/準確度。


在設計雷達收發器時,包含傳播路徑的全系統分析至關重要。Keysight SystemVue/EMPro可對整體系統進行分析,包括傳播路徑中的各種干擾,並且在製作原型之前,使用EMPro提供的更接近實際狀況的分析結果,來分析發射/接收天線模型。另外,藉由結合模擬環境與量測儀器,可執行包含原型在內的全系統分析。


在設計用於毫米波雷達系統的毫米波IC和電路模組時,一定要考慮接線的特性。如欲充分了解佈局中的接線效應,須執行電磁分析。Keysight ADS/Golden Gate可提供高度準確設計所需的電路/電磁模擬環境。


模擬準確度取決於模擬模型,因此設計毫米波電路時,必須準備支援毫米波的SPICE模型。是德科技提供支援毫米波的SPICE 模型擷取和驗證服務,以執行高度準確的模擬。



圖三 : 是德科技N9040B UXA高效能X系列信號分析儀
圖三 : 是德科技N9040B UXA高效能X系列信號分析儀圖片來源:keysight.com

NI PXIe-5632向量網路分析器(VNA)

國家儀器技術行銷經理潘建安:「NI向量網路分析儀可提供精準的RF效能!」


NI針對精巧的模組化PXI平台提供了向量網路分析儀(VNA)功能,可提供極為精準的RF效能。其具備了300kHz~8.5GHz的頻率範圍、10Hz到500kHz的IF頻寬、超過110dB的動態範圍、-30到+15dBm的來源功率範圍、雙源架構具備獨立頻率與功率調整功能等。



圖四 : NI PXIe-5632向量網路分析器(VNA)
圖四 : NI PXIe-5632向量網路分析器(VNA)圖片來源:ni.com
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