Design of a mmWave MIMO Radar

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

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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。

60 GHz FMCW MIMO雷达

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：

•       1.5度角分辨率，8通道Tx – 8通道Rx MIMO

•       3至5厘米的距离分辨率

•       160度的水平焦距

•       25度的仰视焦距

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。

FMCW操作

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。

与脉冲雷达不同，FMCW系统同时发射和接收，消除了脉冲雷达中的接收器在发射过程中被关闭时出现的盲区。FMCW系统可以探测到离雷达非常近的物体的反射信号，使其可以测量到几厘米的距离。该系统实现了出色的测距分辨率，它与带宽的倒数成正比，即Δx=c/(2Δf)，并且在狭窄的中频（IF）带宽下实现了高信噪比。

图2是在Cadence^® AWR Design Environment^®，特别是AWR^® Visual System Simulator™（VSS）系统设计软件中实现的系统简化图。信号源被划分在Tx和Rx两端。Tx功率放大器（PA）和Rx低噪声放大器（LNA）链路的细节——图中没有显示——可以进一步开发。Tx和Rx的信号路径必须很好地隔离才能正常运行，这影响了某些设计方面，并限制了Tx功率。否则，来自Tx端的功率将泄漏到Rx电路中，可能会使LNA和/或下变频混频器饱和。

图2 VSS中的简化FMCW雷达。PA、LNA和单个MIMO通道未显示。

仿真图说明了信号在Tx和Rx天线之间通过VSS雷达目标模型进行辐射，该模型包括RCS、距离、速度和环境条件等属性。混频器将对目标反射的信号进行下变频，使用压控振荡器（VCO）的扫频作为本地振荡器。取这两个信号之差，形成一个与目标距离成正比的节拍信号。这个中频被送入一个模数转换器（ADC）进行信号处理，该转换器使用快速傅里叶变换算法提取目标距离。使用多根天线，傅里叶变换还支持数字波束成形，以产生被探测物体的二维图像。

为什么是FMCW MIMO？

开发人员选择了一个FDM MIMO架构来解决快速成像和高分辨率的多个目标的技术要求。使用MIMO，物理单元的数量可以大大减少。对于具有N_t个Tx元件和N_r个Rx元件的MIMO雷达，从Tx阵列到Rx阵列有N_t x N_r个不同的传播通道。因此，只用8个Rx和8个Tx信道就可以合成64个虚拟信道，这大大降低了系统的复杂性、规模和成本。

FDM从每个发射器同时发射不重叠的频率，因此不同的发射器信号可以在接收器处被分离。³ 在本设计中，频率扫描或线性调频是在Tx/Rx信道外使用一个10GHz的锁相环（PLL）信号发生器产生的，它为一个6倍的频率乘法器馈送信号。直接数字合成器产生低频、同相和正交（I/Q）调制信号，每个单独的Tx通道的频率偏移为1MHz。外部ADC将下变频接收信号的中频信号数字化。

由于FDM MIMO天线同时发射，所有的Rx信道都将收到被恒定频率偏移隔开的所有Tx信号。解调器使用原始线性调频频率作为本地振荡器（LO），向下转换含有频率偏移的信号，这是由于信号从目标上反射的延迟造成的。Tx通道在数字后端被分离。虽然这种方法可以通过同时测量所有的MIMO通道来处理移动目标，但由于中频信号带宽较宽，它需要在每个Tx上有调制器来转移发射频率和更快的ADC。图3是一个概念性的系统框图，显示了两个Rx和两个Tx通道。

图3 具有两个Rx和两个Tx通道的概念性系统。

系统设计、验证

VSS软件被用来研究MIMO雷达的主要系统级方面。该软件提供了信号源、LNA、混频器、PA、倍频器、天线和雷达目标的框图表示（见图4），使设计人员能够调整和优化关键参数，并随着更多电路级细节的加入而纳入雷达系统的实际操作。VSS软件模拟了两个Rx下变频器通道的中频输出。使用图1中的公式，在57至60GHz的3GHz带宽（BW）的频率扫描中，差拍频率（f_b）为300kHz，脉冲持续时间（T）为1ms，目标距离（r）为15m。模拟Tx 1的Rx下变频信号（图1中的绿色线）为1 + 0.3 = 1.3 MHz，Tx 2的Rx下变频信号（图1中的红色线）为2 + 0.3 = 2.3 MHz（见图5）。

图4 FMCW MIMO雷达框图。

图5 仿真的下变频信号。

RFIC设计和分析

Tx和Rx射频集成电路是雷达系统的核心。每个都在非常小的区域内包含四个通道（见图6），另外的IC可以被添加到系统中以增加通道的数量。一个RFIC支持多个信道是很有利的，这样可以降低装配的复杂性，并支持扩展一个有大量信道的系统。独立的Tx和Rx IC可以实现独立的Tx/Rx扩展，降低Tx和Rx之间的泄漏，并支持更靠近馈电结构，以减少印刷电路板（PCB）的损耗。一个单一的外部VCO和PLL提供了分配给所有RFIC的LO信号，从而产生了出色的相位噪声相关性。一个10GHz的外部信号用于在PCB上布线，因为在一个有许多通道的系统中布线一个60GHz的LO会很困难。这个9.75至10.25 GHz的线性调频被乘以RFIC的工作频率。

图6 Tx IC（a）和Rx IC（b），每个都有四个通道。

图7 四通道Tx框图（a）和IC布局（b）。

AWR Microwave Office电路设计软件与AWR AXIEM^®电磁（EM）模拟器一起使用，利用AWR软件可用的IHP SG13S SiGe工艺设计套件（PDK）从晶体管层面设计Tx和Rx集成电路。用于毫米波应用的SG13S 130纳米SiGe双极CMOS工艺具有高速HBT，f_T = 240 GHz，f_max = 330 GHz。

图8 带有变压器、差分传输线和电感器布局的PA原理图。

图7显示了四通道Tx射频集成电路和实际Tx芯片的框图。有源巴伦、6倍谐波乘法器链路（2倍和3倍乘法器级联）和一个元件的功率放大器被突出显示，以显示它们在RFIC的位置。三个有源功率分配器将信号分成对称的四路，每路供给一个两级多相滤波器，产生90度相移的I和Q LO信号。功率分配器之后是缓冲放大器、I/Q调制器和功率放大器。图8显示了PA的原理图，它是使用Microwave Office的代工厂PDK的元件开发的，突出了变压器、差分传输线和电感器。与波长相比，这些无源结构的电容量很大，需要使用AXIEM求解器进行电磁分析和优化。在原理图中，电磁元件被嵌入为子电路，以便与Microwave Office共同仿真。通过包括电磁分析与芯片级放大器的PDK模型相结合，在测量性能和仿真性能之间产生了很好的一致性（见图9）。

图9 仿真与实测的PA增益，|S₁₁|和|S₂₂|。

图10 6倍乘法器原理图。

假设输入频率为10GHz，偏压为2.4V，对输出端的有源巴伦、谐波乘法器链和有源功率分配器（见图10）进行了仿真。图11所示的仿真结果为乘法器的运行提供了有用的见解，使人们能够了解所产生的杂散信号的功率水平。从雷达设计的角度来看，掌握这些信息对抑制这些杂散信号是有益的，这就需要采取额外的设计步骤来微调电路。

图11 6倍乘法器的实测（a）和仿真（b）输出。

图12 使用两个Rx IC的八个Rx通道的PCB。

图13 雷达系统PCB的背面（a）和正面（b）视图。

MIMO雷达测量结果

接收器的射频部分（见图12）显示了由安装在PCB上的两个Rx RFIC倒装片支持的八个Rx通道。高速信号处理后端的正面和背面，安装在实验室测试用的支架上，如图13所示。接收器的相位和振幅是用单点目标测量来校准的。相位和振幅的修正系数是确定的，所以点目标测量提供了一个正确角度的点目标图像。

二维多输入多输出雷达的"人流"测量验证了它能以100到200 FPS的速度同时探测到多个人（见图14）。演示的距离分辨率为3至5厘米，角度分辨率为3.5度。在图像形成过程中，在测距方向上采用了汉明开窗函数，在方位角方向上采用了-25 dB的侧叶水平泰勒窗。泰勒开窗函数略微降低了角度分辨率，但降低了侧波水平，使图像能够以更高的动态范围形成。在生成的图像中，目标被很好地分开。

精确的相位测量在测量目标的非常小的运动时非常有用——例如，利用胸部的位移来确定人的心跳和呼吸频率。频率复用比时间复用的测量有优势，因为所有的通道都是在同一时间测量。这在雷达多人心率变异性（HRV）提取中可以看到，如图15所示。可以从雷达信号中观察到生命体征，如心率、心率变化和呼吸。

结论

描述了一种用于商业应用的新型60 GHz MIMO FMCW FDM雷达的设计。该系统提供了高帧率的测量、出色的相位稳定性和大视场。独特的结构和RFIC的设计使该系统可以扩展到更大的雷达，同时保持各通道之间的相位一致性。二维和三维成像系统已被展示，据作者所知，这是第一个三维成像、毫米波、频分MIMO系统。

图14 雷达视场中的三个人（a）和产生的图像（b）。

图15 多人心率和心率变化提取的结果。

参考文献

•       J. Hasch, E. Topak, R. Schnabel, T. Zwick, R. Weigel and C. Waldschmidt, "Millimeter-wave Technology for Automotive Radar Sensors in the 77 GHz Frequency Band, " IEEE Transactions Microwave Theory and Techniques, Vol. 60, No. 3, March 2012, pp.

•       H.Forsten, T. Kiuru, M. Hirvonen, M. Varonen and M. Kaynak, "Scalable 60 GHz FMCW Frequency-Division Multiplexing MIMO Radar, " IEEE Transactions Microwave Theory and Techniques, Vol. 68, No. 7, July 2020, pp.

•       Pfeffer, R. Feger, C. Wagner and A. Stelzer, "FMCW MIMO Radar System for Frequency-Division Multiple TX-Beamforming," IEEE Transactions Microwave Theory and Techniques, Vol. 61, No. 12, December 2013, pp.4262-4274.