天线布局设计指南

这一期加餐聚焦于雷达布局设计。

基本的，我们需要考虑3条原则：确定方位及俯仰功能（功能层面）；确定方位及俯仰孔径（性能层面）；方位及俯仰无模糊；

功能层面得按功能定义，如果雷达需要俯仰维度，那布局设计中需要考虑用于俯仰测角的阵元。定义好功能，也就是确定雷达在角度维能干什么，是只能测方位角还是方位俯仰一锅端。确定好能干什么之后，下面就要考虑能不能干好的问题，也就是关注方位和俯仰的性能，那最佳的状态就是：理论上±90度范围内无模糊测角，且在该范围内获得方位及俯仰尽可能高的分辨率及精度。当然，这是美好的期望状态，实际工程中几乎是达不到的，不过也没必要达到，因为在车载领域，我们还有一些不错的合理假设帮我们做取舍，

方位角的性能重要程度要高于俯仰角；

俯仰角通常具有远小于方位角的FoV；

对于第1条假设，给我们的启示是，我们可以偏心得讲更多的阵元资源（甚至全部阵列资源）导向方位维度，俯仰维度不愿意不开心也莫得办法。对于第2条假设，给我们的启示是，俯仰维度可能容忍一定的角度模糊度，这样，我们可以在俯仰维度可以设计更高的垂直孔径，从而在相当有限的俯仰阵列资源下获得更高的俯仰估计性能。基于3条原则，2条假设，我们由浅入深看一些有意思的例子，看看实际工程中大家是如何思考问题的。

▲ 3T4R 基础布局

 如图所示，对于3TX4RX的情况，给出了两种基础布局。先看右边的布局，这是狠心抛弃俯仰，全部押注方位的下场，并且，天线布局中天线间隔为二分之一波长，也不用担心模糊问题。可以说，这是最普遍的，最经典也是最基础的3TX4RX布局。左边的图是引入了俯仰，也即是将其中一根发射天线用于俯仰，使得方位角性能瞬间打回2TX4RX状态，俯仰获得了两个阵元，能够进行Monopulse 俯仰估计，坦率讲，这两个阵元也是捉襟见肘，不过有总比没有好啊。这两种经典布局目前是最普遍的，用的也是最多的，而且性能是比较稳定的，算法上的要求也不高，但是如前所述，这是基础布局，还有提升空间，比如在收发阵列数目不变的条件下，进一步提高阵列孔径，获得更高的方位及俯仰估计性能。

你是不是经常看到Continental, BOSCH，Hella等等大厂的雷达有各种3TX4RX的奇怪布局，那些唬人的布局都是在2条假设下，更好的贯彻那3条设计原则。下面跟随我的脚步看看大厂又有哪些骚操作。
需要指出哈，以下评述的所有策略及方法仅供学习参考，并不代表大厂的最终实际产品算法部署。

Hella SRR这是Hella最新的SRR，77GHz，NXP的前端，不过Hella配置为2TX4RX，布局很有意思，物理布局以及虚拟阵列布局示意图如下，

▲ Hella SRR Antenna Layout

 右下角是等效天线布局，其中“x”位置为阵元缺失位置，乍一看有点摸不着头脑，这都是啥？稀疏阵列？稀疏面阵？别慌，在2条假设的前提下，这都可以用3条原则解释。

显然，Hella的这个布局包含方位及俯仰感知；水平孔径有9个单位，垂直孔径有3个单位；水平孔径阵元间隔大于半波长，可能需要解角度模糊；

按照2TX4RX的经典布局，最多只能获得8个单位的方位孔径，没有俯仰，那Hella的亮点在于在俯仰上尽然安排了3个阵元，这是3TX4RX都不敢想的，好奢侈，不过这是有代价的，代价有两点，

水平虽然孔径为9个单位，但是阵列稀疏，需要特殊DoA算法配合；垂直阵列并不在一条垂直线上，需要方位去耦；

▲ Hella SRR Beamformer

上述特殊的DoA算法不止一种，这里给出其中一种我的思考。这是一种多波束赋形策略，如上图，配合Beamformer 1-4，就能够得到方位及俯仰高精度估计。其中Beamformer 1是孔径最大，角度估计精度最高，不过角度模糊，需要解模糊。其中Beamformer 2是可以用来测俯仰角，也可以用来降低Beamformer1的角度模糊数。Beamformer 3垂直测量俯仰角（方位补偿后）。Beamformer 4用来解方位模糊。

小结，Hella的这个布局还是很有意思的，在2TX4RX条件下，保证方位估计精度（9个单位）条件下，俯仰维度竟然有3个阵元，amazing，不过话说回来这种方式对SNR要求会高一些。

Veoneer SRR

veonner的SRR，77GHz，3TX4RX，阵元物理布局以及虚拟阵列如下图。

▲ veoneer SRR Antenna Layout

 同样的，显然，这个布局包含方位及俯仰感知；水平孔径有13个单位，垂直孔径有2个单位；水平孔径阵元间隔大于半波长，可能需要解角度模糊；

▲ veonner SRR Beamformer

 veoneer这个布局分析和hella的差不多，我给出的一种DoA策略如上图所示，亮点在于能够获得经典3TX4RX的同等方位估计精度条件下，获得俯仰角估计。虽然俯仰只有两个阵元，不过还不错，总比没有好。

Continental MRR

Continental MRR，77GHz，3TX4RX，阵元物理布局以及虚拟阵列如下图。

▲ Continental MRR Antenna Layout

同样的，显然，这个布局包含方位及俯仰感知；水平孔径有31个单位，垂直孔径有2个单位；水平孔径阵元间隔大于半波长，需要解角度模糊；Conti的这个布局也很精妙，首先方位水平孔径相当大，好处当然是获得较高的方位估计精度及分辨率，但是模糊度很高，必须有解模糊策略。俯仰中规中矩，2个阵元。

▲ Continental MRR Beamformer 

同样的，我给出的一种DoA策略如上图所示，从上至下，依次是Beamformer 1,2,3。Beamformer1用于获得方位角度的模糊估计，Beamformer2用于测俯仰角，Beamformer3用于解方位角模糊。 

可能你也注意到了，大厂的阵列基本都是稀疏的，目的都是为了提高角度估计精度，稀疏有稀疏的代价，但是都是可以通过合适的DoA策略加以解决，所以总的来讲，这样的代价很值得，能够在有限的资源下，挖掘更多潜能。另外需要注意的是，如前所述，大厂的这些布局方式无一例外都需要高信噪比做支撑，至少比经典布局有着更高的信噪比要求，这就要求硬件达到达到相当水平，这不正是这些大厂擅长的吗，你看，博世大陆雷达为什么好，这也是一个点。真是环环相扣，任重道远啊。这些大厂的布局设计真的有很多思考在其中，很值得深挖。我也只是抛砖引玉罢了，这些都是艺术品了，得多看多想几遍，有能力的，给出一些数学上的支撑，那就更好了。

 想必也看到了，这期是单芯片雷达，主要是3TX4RX，主要针对的也是传统的4D雷达（注意，不是4D成像雷达），4D成像雷达的布局将更加复杂，但万变不离其宗，始终还是围绕那3条原则来的，我几乎可以肯定你们在期待4D成像雷达的布局分析，随机留到下次吧。