汽车前向防撞雷达在中国的发展策略

                                   邹谋炎

   汽车前向防撞雷达对交通安全有重要意义。这种雷达在中国市场之大是不难想象的。由于技术门槛高，它的自主创造仍然在期待中。为了达到前向防撞的目的，要求将雷达安装在汽车前端，通常隐藏在汽车前端保险杠内一个塑料窗后。雷达应具有测量前方车辆相对于本车的距离、速度、和偏离本车纵轴向的角度，这些参数可用于为本车司机提供报警，提供制动辅助，以避免追尾、保持车距，或进一步用于自适应驾驶辅助。作用距离为100米到200米的“长距离雷达”具有最重要的意义，这种雷达在高速路上可能提供较早的报警。国外早期发展的前向防撞雷达典型地使用24GHz附近的微波频率，近几年主要使用77GHz附近频率。高频率的最重要优点是可以使用小的天线尺寸达到防撞雷达需要的窄波束。而小的天线尺寸更方便于结合到小型车辆的前端里。77GHz雷达核心部件的生产需要较高的工艺条件，多家国外发展商已经拥有制造能力，但对中国汽车制造业尚未开放。这种条件下，国内有企业不得不购置国外24GHz雷达组件进行发展，导致雷达产品成本较高。同时已报道防撞雷达产品中天线波束主瓣太宽，旁瓣较高，实际应用中隐含着难以区分邻道车辆以及虚警较高的困难。
   微带阵列天线在商用雷达中已得到广泛应用，但其完整的设计技术仍然是发展商拥有的技术秘密。微波收发电路中也包含若干技术难点，如工业温度范围内（-400C ~ +850C）的发射频率稳定性、调频线性、低噪声特性等。国外含天线的雷达头和微波组件在中国市场上很流行，使国内发展商可以避开技术上的难点，发展测速雷达、交通流管理雷达、以及防撞雷达。这种做法自然地失去了独立自主创造产品可能达到的灵活性、适应性和低价格。
   为了能够适应中国市场的需要，国内发展商必须尽可能地提高自主创造等级，尽可能利用国产材料、国内民营企业可得到的制造工艺和加工条件，做出质量合格同时价格最低的雷达产品。问题是达到这个目标的基本条件是不是已经成熟。
   可以确定的是，在国内独立自主发展24GHz防撞雷达的条件已经完全成熟。24GHz雷达收发电路的微波芯片可以从多家国外制造商买到，价格比微波组件低得多。笔者本人的产品实践表明，利用芯片构造微波收发电路用于大量生产是完全可行的。同时，笔者本人发展的微带阵列天线设计技术完全成熟，利用国产材料和国内工艺条件，已经经受了多品种、大批量产品的检验。笔者应用了产量优化的统计设计技术解决了测速雷达的发射源频率稳定化问题，在使用有误差和参数分散性器件的条件下，能够在工业温度范围内将发射频率漂移限制在相关标准规定的范围内。
   在方位向的窄波束和低旁瓣天线对前向防撞雷达品质意义重大。工作于24GHz的防撞雷达以Eaton公司的Vorad雷达具有代表性，该雷达使用了方位向的单脉冲天线设计和测角方法（注：雷达通过单次照射，而不是扫描或多次照射，能够获得目标的角度信息，这种技术称为单脉冲雷达技术。原理上，单脉冲技术不必限于脉冲雷达，而是可以适用于连续波雷达）。为了达到适当的窄波束（主要是方位±4⁰），Vorad雷达天线面积达到约15cm X 19.2cm。这个尺寸使得雷达难以结合到汽车前端内部，只适合于外挂。正是尺寸原因，导致了国外24GHz雷达已经淡出防撞雷达市场，基本上被77GHz雷达取代。
   但是对缺乏防撞雷达的中国市场，外挂尺寸较大的雷达应该是有需求的，例如长途公交、旅游大巴、货车、或其他大型车辆，条件是质量可靠，价格下得来。
   笔者重新审视了24GHz雷达的设计问题，发现有潜力可挖。以Vorad雷达为参照，真正限制雷达安装的是15cm的高度，这个高度是不必要的。Vorad雷达高低向波束宽度5.25⁰对应用没有带来好处，当车辆上下振动时，前车目标信号的起伏会很大。加宽这个波束宽度反到好些，天线的高度尺寸随之减小。而天线宽度尺寸对安装影响不大。笔者重新设计了适合于防撞雷达的24GHz微带阵列单脉冲天线，达到以下结果：天线金属图样展布尺寸9.7cm X 20.7cm，方位向和波束宽度±3.5⁰，高低向波束宽度8.3⁰。天线馈线使用了自主创造的不连续性最小化技术。天线指标更好，可安装性也得到改善。
   那么，中国民用环境下发展更小尺寸的防撞雷达有机会吗？回答是肯定的。只是目前短期内不适合于使用77GHz。这并非77GHz的芯片在国际市场上得不到，而是因为77GHz收发电路的制造已经不适合使用金丝绑定方法，而是必须考虑更高级的微波贴装技术，需要价格较贵的工艺设备来支持。暂时抛开77GHz，一个可取的折中是使用47GHz。笔者主张这个频率的原因在于（1）它是中国和亚、美、澳、非各区域的无申报频率（业余频率、ISM频率），适合防撞雷达应用；（2）该频率上微波电路的制造仍然可以使用片芯+金丝绑定的模式，被认为是这种工艺模式可实施的上限频率，对缺乏高级制造工艺的制造商有重大意义；（3）相关微波器件已经能够从国外多家制造商以合理价格买到。这些条件不仅意味着47.1GHz前向防撞雷达的成熟性和可实施性，同时意味着它将是一种有竞争力的低价格解。
   为了确认47GHz的可用性，笔者首先检验了使用47GHz设计微带单脉冲天线可能达到的尺寸。商用微波雷达中典型地使用一个发射天线和两个在方位向分离的接收天线来实现方位平面上的单脉冲测角原理。另一种典型方案是使用一个接收阵列，需要将接收阵列从对称中轴剖开，在剖开处插入一个称为和差环的微带电路单元。理论和实际设计可以证实，如果指定单脉冲接收天线的“和”方向图波束宽度或“差”方向图的有效宽度（用正负3dB点之间的夹角来表示），带和差环的单脉冲天线在方位向的尺寸比两个分离接收天线方案在方位向的总尺寸要小至少1/3。既然小尺寸是希望达到的目标，在设计中使用了带和差环的单脉冲天线。设计结果表明，参照本文前面24.15GHz雷达天线的同样技术指标，47.1GHz的微带阵列单脉冲天线尺寸只需要58mm X 116mm的天线尺寸，并带安装孔。这个尺寸与国外制造商公布的77GHz雷达尺寸大致相当。由此可以认定，用47GHz发展的汽车前向防撞雷达完全能够适应小型车辆的前端内部安装。
   总结笔者关于汽车前向防撞雷达发展策略的看法，认为时机已经成熟。首先应该发展24GHz雷达，主要面向大型车辆外挂应用，应该和可能在短期内达到量产目标。同时应该关注和发展47GHz雷达，面向小型车辆应用。笔者绝非想否定发展77GHz和更高频率雷达的意义。只是作为产业发展，必须经过一个技术和资金的积累过程，渐进地进步。让防撞雷达好用，让雷达价格使“有车族”都能动心购买，我们道路上的事故就会大大减少。同时这个产业会形成一个大产业链，提供许多新的就业机会。欢迎有志者一起来努力！
 （关于本文作者：中科院电子所退休研究员，中国科学院大学教授，北京华同微波科技有限公司主管）