Accexp代理的R&S汽车防撞雷达测试方案
2016-11-08
1 引言
随着中国公路通车里程和汽车保有量多年来持续的大幅增长，驾驶员对交通安全的需求也在不断提升，如何提高汽车的安全性已成为汽车行业的重要任务和巨大挑战。为实现安全便捷地出行，车载雷达等安全辅助技术也得到广泛关注。
随着中国公路通车里程和汽车保有量多年来持续的大幅增长，驾驶员对交通安全的需求也在不断提升，如何提高汽车的安全性已成为汽车行业的重要任务和巨大挑战。为实现安全便捷地出行，车载雷达等安全辅助技术也得到广泛关注。
智能化的汽车不可或缺的便是对周边物体的感知。在智能化的汽车上可多达数十种雷达。国际上采用的车载防撞雷达主要有SRR(短距离雷达) 和LRR (长距离雷达)。短距离雷达有效作用距离15 m~30 m，适用于低速近距离防撞；长距离雷达有效距离100~250 m，适用于远距离防撞。目前，在20 GHz以下很难实现波束成形，而由于大气衰减和技术限制，100 GHz以上也很少使用。因此防撞雷达主要分配24 - 29 / 60 - 61 /77 - 81 GHz这几个频段。长距离雷达主要采用77GHz频段。
近期在日内瓦召开了2015世界无线电通信大会(WRC-15)，各国讨论决定，将77.5GHz～78GHz频段划分给无线电定位业务，以支持短距离、高分辨率车载雷达的发展。该频带车载雷达带宽更大、分辨率更高、抗干扰能力更强，且设备体积更小，更便于在车辆上安装和部署。
图2. 典型的汽车防撞雷达系统结构
SMW200A单机最高频率可达40GHz，也可配置为31.8 GHz、20GHz、12.75GHz等版本。对40GHz配置，主机即可覆盖24.5GHz及37GHz频段的应用。对于77GHzFMCW信号的产生，需要借助于外部倍频器模块SMZ90，其工作频率范围为60GHz ～90GHz，倍频系数为6。SMZ90对载波进行倍频的同时，也对信号带宽进行了倍频，因此可以输出更宽的宽带信号(最大带宽160×6=960MHz)。
图1. 汽车防撞系统示意图
汽车防撞雷达的原理包括调频连续波(FMCW)雷达、CW多普勒雷达等方式，线性FMCW(frequency modulation continuous wave) 雷达结构简单，比较适宜测量近距离目标，故作为目前车用防撞雷达的普遍选择方式。
雷达系统的关键参数包括距离分辨率、径向速度分辨率，以及雷达探测距离和径向速度的精度等。对于FMCW雷达，其带宽决定了距离分辨率，相关处理时间CPI (coherentprocessing interval) 决定了径向速度分辨率。而距离和径向速度探测精度则主要由雷达回波信号的信噪比决定。实际上，FMCW雷达发射信号的质量在一定程度上对雷达探测精度也有很大影响，其中一个比较关键的因素就是调频线性度。
图2是一个典型汽车防撞雷达系统结构，包含的部件包括VCO、倍频器、放大器、开关模块、混频器及天线等，这些部件性能的优劣直接影响了雷达系统的性能。因此，在产品开发阶段，需要对各部件的性能参数进行测试，包括本振的相位噪声、收发链路的频率响应及雷达发射信号的质量等，以确保雷达系统的总体性能。
凭借优异的性能和丰富的测试功能，罗德与施瓦茨公司的微波矢量源、信号与频谱分析仪和矢量网络分析仪可完美地完成以上参数的测试，是满足汽车防撞雷达系统研发、生产、质检等测试需求的理想选择
图2. 典型的汽车防撞雷达系统结构
2宽带调频连续波(FMCW)信号产生
对于宽带FMCW雷达接收机性能的验证和评估，需要模拟宽带FMCW信号。罗德与施瓦茨公司的高端微波矢量信号源 SMW200A，凭借极优异的相噪特性、幅度平坦响应、支持160MHz射频带宽的内部基带源及2GHz外调制带宽，使其成为系统测试FMCW雷达接收机的理想工具。
图3. R&S SMW200A高端微波矢量信号源
图3. R&S SMW200A高端微波矢量信号源
R&S SMW200A是一款高端的、为满足最苛刻应用而开发的微波矢量信号源。凭借其优异的灵活性、射频性能和操作直观性，使其成为生成高质量复杂数字调制信号与雷达信号的完美工具。SMW200A是新型宽带通信系统、雷达系统、无线与移动通信系统理想的数字调制信号发生器。最高160 MHz的I/Q内调制带宽（需配置选件）和2GHz的外调制带宽，可满足航空航天和国防以及汽车电子领域的应用。它的模块化可扩展结构，使用户能够灵活的选择配置以适应他们的应用，以及根据需要升级各种选件。独特的衰落功能可以模拟各种复杂无线通信场景的信道情况，是信号场景模拟的最佳工具。
图4. 采用R&SSMW200A内部基带源时，内部I/Q调制器的频率响应
图4. 采用R&SSMW200A内部基带源时，内部I/Q调制器的频率响应
图5. 77GHz FMCW信号产生方案：SMW200A+ SMZ90
图6. 77GHz FMCW信号产生方案结构示意图
调频连续波FMCW信号波形文件的制作，可以使用罗德与施瓦茨公司的K300脉冲序列软件，也可以使用Matlab等其它工具制作波形文件。R&SK300脉冲序列软件是一款功能非常强大的脉冲波形文件制作工具，可以非常方便地制作单、双脉冲、chirp pulse、barker pulse及FMCW信号的波形文件。
图7. 采用R&S K300脉冲序列软件制作FMCW信号
对于FMCW雷达接收机的测试，需要专门的信号源提供一个标准的FMCW信号——该信号用于模拟雷达回波信号，图8是77GHz FMCW雷达接收机测试连接示意图，波导端口输出的宽带FMCW信号直接馈入待测接收机。雷达接收机对信号源产生的宽带FMCW信号进行放大、滤波及下变频至中频后，再作进一步分析。如果接收机的性能不好，比如本振信号频率稳定度较差(典型指标为相位噪声)，那么将恶化距离和径向速度的测量精度。为了准确评估FMCW雷达接收机的性能，需要使用一台能够产生标准FMCW信号的信号源。
图8.77GHz FMCW雷达接收机测试连接示意图
图8.77GHz FMCW雷达接收机测试连接示意图
凭借优异的射频性能，诸如高输出功率、极低相位噪声、极优异的幅度平坦响应以及支持160MHz射频带宽的内部基带源等，R&S SMW200A是测试汽车防撞雷达接收机的理想选择。
3宽带调频连续波(FMCW)信号分析
罗德与施瓦茨公司提供全面的雷达信号分析方案，包括频谱/信号分析仪、实时频谱仪、功率计、软件和附件等，可以对雷达信号进行脉冲参数、信号频谱、脉内和脉间调制、瞬态特性等方面进行分析，具有频率范围大、宽带、功能集成度高等优点。
R&S FSW是一款高端的信号与频谱分析仪，具有非常优异的射频性能和丰富的测试功能，可以满足苛刻的用户要求。对于航空航天与国防(A&D)及汽车电子领域的用户，以及未来宽带通信系统的开发人员，FSW具有足够多的优势使其成为满足测试和测量要求的最佳解决方案。例如，FSW凭借其在信号与频谱分析仪中无与伦比的相位噪声指标，使得对雷达系统中振荡器的开发更有信心。
R&SFSW 单机具有500MHz的分析带宽，借助于R&S RTO宽带示波器，可将分析带宽扩展至2GHz，配合专为线性调频雷达设计的K60C 选件，可以一键测试驻留时间、频率偏差、线性度、脉压系数等指标，可以清晰显示每一个Chirp 信号的起始时间、CPI 等重要参数。
FSW还支持自动相噪测试，并且可以抑制相位噪声中叠加的AM噪声，从而测试比较纯净的相位噪声。FSW本身具有非常优异的相位噪声测试灵敏度，其相噪特性如图10所示，在载波1GHz处，频偏10kHz的相噪可以达到-138dBc/Hz。
图9. R&S FSW信号与频谱分析仪
图10. R&S FSW的相位噪声性能
图14. 77GHz FMCW雷达发射机测试连接示意图
图15. 77GHz FMCW雷达发射信号分析结果
如果要详细测试线性调频率(Chirp rate)，则可以直接调出RegionChirp Rate Time Domain，如图16所示，可以观察到特定分析区域内线性调频率随时间的变化趋势
图16. 77GHz FMCW雷达发射信号的chirprate分析结果
图17. 77GHz FMCW雷达发射信号的调频线性度分析结果
FSW43主机工作频率范围可达43.5GHz，可以覆盖目前在研的24.5GHz及38GHz频段的产品测试。为了实现77GHzFMCW信号的测试，则需要外部谐波混频器FS-Z90。测试77GHz信号时，信号不再馈入FSW的射频端口，而是直接馈入谐波混频器FS-Z90的波导端口。FS-Z90工作所需要的本振信号由FSW提供，其中频输出信号则馈入FSW的IF Input接口，从而对信号作进一步分析。虽然借助于外部谐波混频器FS-Z90，但在60GHz～90GHz频率范围内依然支持宽带FMCW信号分析及相位噪声测试，符合目前在研及未来产品的测试需求。
图11. 77GHz FMCW信号分析方案：FSW43+ FS-Z90
图11. 77GHz FMCW信号分析方案：FSW43+ FS-Z90
FSW-K60C是专门为FMCW雷达信号分析而开发的功能，其可以分析的参数非常全面，其中包括：RF power vs time、chirp rate vs time、chirp begin/length (CPI)、chirp rate、frequencydeviation (线性度)及信号功率等，如图12所示。FSW-K60C也支持以列表的形式显示每一个参数，而且可以作相应的统计分析，以便于观察某个参数随时间的变化趋势。
对FMCW信号进行分析时，K60C将按照设置的捕获带宽、记录时间等进行数据捕获，但具体分析时，K60C向客户提供了一个Analysis Region(AR)，用户可以通过相应的设置对感兴趣的频段和时段作相应的分析，如图13所示。此外，K60C也支持单独对其中一个chirp进行分析，所以应用非常灵活。
图12. K60C模式中ChirpResults支持的测试参数
图12. K60C模式中ChirpResults支持的测试参数
图13. K60C模式中数据捕获和分析设置界面：允许用户对相应频段和时段进行选择分析
图14给出了77GHz FMCW雷达发射机测试的连接示意图，假设雷达信号带宽为480MHz，chirp length (CPI)为1ms。对于这样一个宽带信号，FSW单独便可以完成信号分析，因为FSW单机支持的最大分析带宽为500MHz。进入K60C模式后，只需要设置信号中心频率及合适的分析带宽，即可得到相应的测试结果，如图15所示，包括分析带宽内的射频频谱及瀑布图(Full RF Spectrum、Full Spectrogram)、特定分析区域内的频率随时间的变化(Region FM Time Domain)、特定chirp内的频率线性度(Chirp FrequencyDeviation Time Domain)及列表显示结果(Chirp Results)。
图14给出了77GHz FMCW雷达发射机测试的连接示意图，假设雷达信号带宽为480MHz，chirp length (CPI)为1ms。对于这样一个宽带信号，FSW单独便可以完成信号分析，因为FSW单机支持的最大分析带宽为500MHz。进入K60C模式后，只需要设置信号中心频率及合适的分析带宽，即可得到相应的测试结果，如图15所示，包括分析带宽内的射频频谱及瀑布图(Full RF Spectrum、Full Spectrogram)、特定分析区域内的频率随时间的变化(Region FM Time Domain)、特定chirp内的频率线性度(Chirp FrequencyDeviation Time Domain)及列表显示结果(Chirp Results)。
图14. 77GHz FMCW雷达发射机测试连接示意图
图15. 77GHz FMCW雷达发射信号分析结果
如果要详细测试线性调频率(Chirp rate)，则可以直接调出RegionChirp Rate Time Domain，如图16所示，可以观察到特定分析区域内线性调频率随时间的变化趋势
图16. 77GHz FMCW雷达发射信号的chirprate分析结果
图17. 77GHz FMCW雷达发射信号的调频线性度分析结果
调频线性度是FMCW信号的一个非常关键的指标，该指标可以通过瞬时频率偏离其理想线性值的偏移量来评估。频率偏移越小，则表示线性度越好。FSW-K60C模式中，可以直接调出Frequency DeviationTime Domain，观察频率偏移随时间的变化趋势，如图17所示。同时，Chirp Results也给出了Freq.Dev. Peak/RMS/Avg.值，即频率偏离线性值的最大值、均方根值和平均值。由图17可以看出，在down-chirp与up-chirp的临界点处，频率偏移测试曲线存在尖峰值，如红色标记所示。
图18. 单个chirp的调频线性度分析结果
图18. 单个chirp的调频线性度分析结果
图19. 单个chirp的调频线性度分析结果(采用FMLPF抑制噪声)
为了更加详尽地测试调频线性度，可以选择一个特定的chirp，图18给出了第一个chirp(down-chirp)的频率偏移测试结果，在末端存在两个比较大的尖峰值。同时，频率偏移测试迹线有很大的噪声，这将影响最终测试结果。为了进一步提高测试精度，K60C提供了一个专门消除噪声的视频滤波器，可提供0.1%、1%、5%、10%、25%多档相对带宽，以适应不同的测试场合。图19给出了当相对带宽为1%时的频率偏移测试结果，迹线噪声减少了许多，对比图18和图19的测试结果将会发现，后者的频率偏移测试结果更小，这正是滤除了宽带噪声带来的影响的缘故。
以上是信号带宽小于500MHz时的测试分析，对于带宽超过500MHz的超宽带信号的分析，FSW需要借助于宽带示波器RTO，可实现最大2GHz分析带宽。其工作过程：超宽带射频/微波信号馈入FSW的射频输入口，经下变频变换至中心频率为2GHz的宽带IF信号；宽带IF信号再经宽带示波器RTO采样，采集的数据再回传至FSW，经过均衡及数字下变频等得到数字I/Q数据；最后FSW对数字I/Q数据作进一步分析。该超宽带信号分析方案也适用于专门用于FMCW信号分析的FSW-K60C选件，最大分析带宽为2GHz。图20和图21分别给出了信号流示意图和实物连接示意图。
对于77GHz的超宽带FMCW信号的分析，也可以使用该方案，信号不再馈入FSW的射频输入端口，而是直接馈入外部谐波混频器FS-Z90的波导端口，FS-Z90的中频输出信号再馈入FSW主机作相应的分析。图22是FSW借助于外部谐波混频器和RTO宽带示波器分析77GHz载波、960MHz带宽FMCW信号的结果。
图20. FSW与RTO实现2GHz分析带宽：信号流示意图
图21.FSW与RTO实现2GHz分析带宽连接示意图
图22.77GHz载波、960MHz带宽的FMCW信号分析结果
图20. FSW与RTO实现2GHz分析带宽：信号流示意图
图21.FSW与RTO实现2GHz分析带宽连接示意图
图22.77GHz载波、960MHz带宽的FMCW信号分析结果
4雷达部件测试
针对射频微波元器件领域的各种测试需求，罗德与施瓦茨公司提供相应的全面测试与测量解决方案，覆盖放大器、滤波器、变频器件、无源多端口器件、电缆、衰减器、移相器、接收机、TR组件以及差分测量，毫米波测试，脉冲测试，在片测试，Loadpull测试等方面。
R&S ZVA系列矢网是罗德与施瓦茨公司目前最高端的矢量网络分析仪，其操作简便，测量速度快，并具有出色的射频性能，丰富的测试功能，以及灵活的配置等。ZVA系列矢网单机最高频率至67GHz，借助于毫米波变频模块，可以将工作频率扩展至500GHz，甚至更高频段。ZVA具有非常优异的动态范围，能够满足高抑制度滤波器及天线隔离度的测试。对于四端口ZVA，可以配置双源或四个内部独立的源，单机即可完成放大器、混频器、接收机和发射机等需要的线性和非线性测试。
图22.77GHz载波、960MHz带宽的FMCW信号分析结果
图23. R&S ZVA矢量网络分析仪
图23. R&S ZVA矢量网络分析仪
无源器件的S参数测试相对比较简单，对于双端口无源器件，比如滤波器、衰减器等，可以使用两端口矢网。但是对于多端口无源器件，比如功分器、耦合器、双工器及合路器等，为了保证测试精度，建议使用四端口矢网测试。
对于有源器件的测试，除需要测试小信号S参数，还要测试相应的非线性特性指标，如P1dB，三阶交调点，谐波失真等。因三阶交调测试需要仪表提供一个双音激励信号，对于四端口ZVA40，标配带有两个独立的内部源，因此可以单独完成放大器的三阶交调测试，图24给出了测试连接图及测试结果。对于功率放大器，有时还要测试其正常工作状态下的S参数，如输出端口的热驻波比。图25给出了基于ZVA的热驻波比测试连接示意图，Port3给放大器提供一个激励信号f2，使其正常工作，Port2输出一个不同频率的小信号f1，用于测试放大器输出驻波比，建议f1与f2相差1MHz，那么在接收机侧通过设置合适的IF BW就可以轻松地实现二者的分离，从而完成热驻波比的测试。
功率放大器需要在一定激励功率下才能够正常工作，如果所要求的驱动功率超出了矢网主机端口输出的最大功率，并且要求测试功放的四个S参数，此时就需要使用图26所示的测试装置，外部引入相应的驱动放大器、双定向耦合器、环形隔离器等，为了保护仪表，还需要引入一定的衰减器。
图24.基于ZVA的小信号放大器测试连接示意图
图25.基于ZVA的热驻波比测试连接示意图
图26.基于ZVA的高功率放大器测试连接示意图
对于77GHz的元器件测试，已经超过了ZVA40主机的工作频率范围，需要使用外部变频器模块ZVA-Z90，如图27所示。ZVA-Z90配合ZVA40可以实现非常优异的系统动态范围，在60GHz～90GHz频率范围内，系统动态范围超过115dB，这是准确测试滤波器带外抑制及天线隔离度的有力保障。同时，ZVA-Z90具有极高的端口输出功率，可以达到+10dBm，能够完成大功率测试。ZVA-Z90也同样适用于高增益器件的测试，因为其具有70dB的功率调节范围。ZVA-Z90波导端口的输出功率是通过调整ZVA40主机端口输出功率来调整的，因此可以非常方便地实现波导端口处的功率扫描，以测试毫米波放大器的P1dB。
图27. ZVA借助于ZVA-Z90实现频率至90GHz的矢量网络分析方案
图30. 在片差分器件测试
图24.基于ZVA的小信号放大器测试连接示意图
图25.基于ZVA的热驻波比测试连接示意图
图26.基于ZVA的高功率放大器测试连接示意图
对于77GHz的元器件测试，已经超过了ZVA40主机的工作频率范围，需要使用外部变频器模块ZVA-Z90，如图27所示。ZVA-Z90配合ZVA40可以实现非常优异的系统动态范围，在60GHz～90GHz频率范围内，系统动态范围超过115dB，这是准确测试滤波器带外抑制及天线隔离度的有力保障。同时，ZVA-Z90具有极高的端口输出功率，可以达到+10dBm，能够完成大功率测试。ZVA-Z90也同样适用于高增益器件的测试，因为其具有70dB的功率调节范围。ZVA-Z90波导端口的输出功率是通过调整ZVA40主机端口输出功率来调整的，因此可以非常方便地实现波导端口处的功率扫描，以测试毫米波放大器的P1dB。
图27. ZVA借助于ZVA-Z90实现频率至90GHz的矢量网络分析方案
对于将来要涉及的在片测试，罗德与施瓦茨公司也有相应的方案。
器件的在片测试主要应用在器件建模，工艺优化以及毫米波测试方面，主要的测试参数有S参数、噪声系数、相位、功率、P1dB、三阶交调等，对比普通器件测试，在片测试的关键是如何进行电路测试的连接，测试校准的实现，以及如何准确一致的测试全部器件参数。器件的连接主要在于探针台系统和测试夹具的选择，罗德与施瓦茨公司则针对测试校准、参数测量方面提供非常全面及专业的解决方案。
在片测试时，芯片的每次连接都会导致电路参数和测试数据的改变，影响器件建模和工艺优化，以及器件的准确测量。利用R&S矢量网络分析仪ZVA，一次连接即可实现多种参数的在片测量，包括标准S参数、时域测量、变频测量、真差分测量 (混合模式S参数)、噪声系数测量等，对于功率器件，也可以实现脉冲S参数的测量，确保所有电路参数的准确可靠一致。
兼容Cascade探针台，可以实现毫米波太赫兹器件的在片测量。Cascade Wincal软件支持矢量网络分析的校准。由于ZVA-Z90变频器模块采用无风扇的冷却处理，工作过程中无噪声和振动，特别适合探针台及在片测量。
在片矢量网络分析测量系统由R&SZVA40矢量网络分析仪、ZVA-Z90系列毫米波变频模块、NGMO2双通道直流电源以及探针台和探针组成，如28所示，可完成60GHz-90GHz在片矢量网络分析测量。
图28所示接口中，1-4为3.5mm（M-F）同轴电缆，5-6为直流电源电缆，7-8为GPIB或LAN电缆，9-10为波导。
图28. 在片矢量网络分析测量系统框图
图29. 在片矢量网络分析测量
图29. 在片矢量网络分析测量
图30. 在片差分器件测试
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