在自動(dòng)駕駛與智能交通領(lǐng)域，77GHz毫米波雷達(dá)憑借其高分辨率、強(qiáng)抗干擾能力及全天候適應(yīng)性，已成為感知系統(tǒng)的核心組件。其性能高度依賴天線陣列設(shè)計(jì)，尤其是微帶陣列在波束成形精度與旁瓣抑制效果上的突破，直接決定了雷達(dá)對復(fù)雜場景的探測能力。本文從波束成形原理、旁瓣抑制技術(shù)及工程實(shí)現(xiàn)挑戰(zhàn)三個(gè)維度，解析77GHz微帶陣列設(shè)計(jì)的核心邏輯。

從電磁干涉到空間聚焦

毫米波雷達(dá)通過天線陣列發(fā)射77GHz毫米波信號，利用電磁波干涉原理形成特定方向的空間波束。以TI AWR1642芯片為例，其4×4 MIMO天線陣列通過“時(shí)分復(fù)用+相位編碼”技術(shù)，將物理天線擴(kuò)展為16個(gè)虛擬孔徑，使水平波束寬度從單天線的10°壓縮至2°，實(shí)現(xiàn)厘米級目標(biāo)分辨。

關(guān)鍵技術(shù)路徑：

陣列拓?fù)鋬?yōu)化：均勻線性陣列(ULA)適用于水平角度測量，而均勻矩形陣列(URA)可實(shí)現(xiàn)二維角度估計(jì)。例如，某自動(dòng)駕駛車型采用4收3發(fā)SAR架構(gòu)，通過2.13mm天線間距(約77GHz波長λ)實(shí)現(xiàn)360°相位偏移，確保波束在目標(biāo)方向同相疊加。

波束控制算法：Metawave的SPEKTRA雷達(dá)通過MARCONI? 77GHz相位控制器，在±22°視場內(nèi)以0.1°步長精確控制波束指向。其模擬波束成形技術(shù)較傳統(tǒng)數(shù)字雷達(dá)提升3倍等效全向輻射功率(EIRP)，可在300米外清晰識(shí)別車輛輪廓。

多模復(fù)合制導(dǎo)：TI AWR1642集成數(shù)字波束成形(DBF)算法，支持動(dòng)態(tài)調(diào)整波束指向。在雨霧天氣中，該芯片通過自適應(yīng)匹配濾波(AMF)抑制靜態(tài)雜波，對行人檢測距離仍可達(dá)80米，方位角誤差小于0.5°。

從頻域優(yōu)化到結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

旁瓣電平直接影響雷達(dá)抗干擾能力與虛警率。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)通過增加天線單元數(shù)量降低旁瓣，但會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜度與成本激增。77GHz頻段下，微帶陣列通過以下技術(shù)實(shí)現(xiàn)旁瓣抑制突破：

1. 頻域旁瓣優(yōu)化

雙頻擾動(dòng)技術(shù)：在非周期性布陣陣列中，對高頻(5%帶寬上限)和中頻(2.5%帶寬上限)雙點(diǎn)進(jìn)行旁瓣抑制。某實(shí)驗(yàn)陣列通過該技術(shù)，在2.5f-5f頻段內(nèi)旁瓣電平低于-13dB，較標(biāo)準(zhǔn)周期陣列提升40%。

寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)：采用多阻抗輻射元擴(kuò)展天線帶寬。TI AWR1642支持4GHz連續(xù)射頻帶寬(76-81GHz)，通過低損耗氮化鎵(GaN)功率放大器與聲表面波濾波器(SAW)，將鏈路損耗控制在3dB以內(nèi)，確保寬頻信號完整采集。

2. 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

漸變尺寸陣列：通過減小末端天線孔徑抑制旁瓣。某車型采用“葫蘆串”隔離地設(shè)計(jì)，將天線隔離度提升至-25dB，饋電網(wǎng)絡(luò)旁瓣抑制達(dá)-18dB，有效減少多徑干擾。

三維立體陣列：超寬帶三維陣列設(shè)計(jì)需滿足頻帶內(nèi)每一頻率點(diǎn)的低旁瓣要求。某實(shí)驗(yàn)陣列通過優(yōu)化非周期布陣結(jié)構(gòu)，在22.7f頻段仍保持低于-11dB的旁瓣電平，帶寬性能超越同類周期陣列3倍。

3. 材料與工藝升級

陶瓷基復(fù)合材料：開發(fā)Dk穩(wěn)定性±0.02、Df≤0.002的低損耗基板，可降低微帶貼片天線插損。某企業(yè)采用該材料后，TX天線增益提升至15.7dBi，RX天線增益達(dá)13dBi。

片上系統(tǒng)(SoC)集成：TI AWR1642將射頻前端、ADC、DSP集成于單芯片(QFN-64封裝，10mm×10mm)，減少50% PCB面積的同時(shí)，通過數(shù)字低通濾波器(LPF)抑制高頻噪聲，避免信號混疊(典型抑制比>50dB)。

從實(shí)驗(yàn)室到量產(chǎn)的跨越

盡管技術(shù)理論成熟，但77GHz微帶陣列量產(chǎn)仍面臨三大挑戰(zhàn)：

高增益與寬視場角平衡：傳統(tǒng)高增益天線波束較窄，限制雷達(dá)視場。某車型通過優(yōu)化天線間距至1.95mm(λ/2)，在保持15.7dBi增益的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)±90°水平視場角覆蓋。

熱管理與可靠性：AWR1642全功能運(yùn)行時(shí)功耗達(dá)3.5W，需在PCB背面放置導(dǎo)熱硅膠墊確保結(jié)溫<105℃。某企業(yè)采用陶瓷基板后，導(dǎo)熱率提升50%，滿足車規(guī)級-40℃~125℃工作要求。

成本與供應(yīng)鏈：77GHz雷達(dá)BOM成本中，天線占比超30%。TI通過CMOS工藝將AWR1642成本壓縮至20美元以內(nèi)，較傳統(tǒng)分立方案降低60%，推動(dòng)規(guī)?；瘧?yīng)用。

從感知到認(rèn)知的進(jìn)化

下一代77GHz雷達(dá)將向4D成像與AI融合方向發(fā)展：

4D毫米波雷達(dá)：通過增加俯仰角維度，實(shí)現(xiàn)高精度三維成像。某企業(yè)采用128線虛擬孔徑技術(shù)，可輸出靜態(tài)物體識(shí)別結(jié)果，分辨率達(dá)0.1°。

AI波束調(diào)度：Metawave的AWARE?平臺(tái)通過機(jī)器學(xué)習(xí)，使SPEKTRA雷達(dá)在暴風(fēng)雨中仍能準(zhǔn)確分類物體，標(biāo)記準(zhǔn)確率超過94%。

多傳感器融合：77GHz雷達(dá)與攝像頭、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)融合，可提升目標(biāo)識(shí)別置信度。某車型通過前向雷達(dá)與8MP攝像頭融合，將行人檢測距離從80米提升至120米。

在自動(dòng)駕駛L4級商業(yè)化臨界點(diǎn)，77GHz毫米波雷達(dá)天線設(shè)計(jì)正從“功能實(shí)現(xiàn)”轉(zhuǎn)向“性能極致化”。通過波束成形精度提升、旁瓣抑制優(yōu)化及AI算法賦能，微帶陣列正在重新定義智能駕駛的感知邊界。