E波段毫米波雷达的功率

今天，我们接着来说E波段毫米波雷达的功率。在这之前，先来看一个汽车雷达的有趣应用。如下图所示，被称之为kick-sensor的一种雷达传感器，安装在汽车的后备箱下方，在我们不方便用手的情况下，可以使用脚踢的方式打开或关闭后备箱。雷达通过天线发射信号并接收被反射的信号，探测到人体并跟踪其运动，从而传感器就会向控制单元发送消息来打开/关闭行李箱。一般地，控制单元还会检查汽车钥匙是否在车尾附近，这样就可以有效地防止后备箱被无意中打开。

01

E波段毫米波雷达的发射功率

我国，目前规定使用的是76-79 GHz用于汽车毫米波雷达，欧标中有76-77 GHz和77-81 GHz两段。工信部无【2021】181号文件中规定了如下发射功率限值：

欧标中近似频段，有这样几个标准分别规定了76-77GHz，和77-81GHz频率范围的雷达设备技术要求：

ETSI EN 302 264：77-81 GHz for 短距交通运输雷达设备；
ETSI EN 301 091-1：76-77 GHz for 地面车载雷达；
ETSI EN 301 091-2：76-77 GHz for 固定基础设施雷达；
ETSI EN 301 091-3：76-77 GHz for 铁路/道路交叉路口障碍物检测系统雷达；

关于功率的限值要求，可以归纳如下：

所有76-81GHz频段的Peak e.i.r.p功率限值均为 55 dBm；
平均功率谱密度：-3dBm/MHz @ 77-81 GHz
平均功率：50 dBm @76-77GHz for non-Pulsed radar；
平均功率：23.5 dBm @76-77GHz for Pulsed radar；

02

平均功率（e.i.r.p.）的计算

EUT的辐射平均功率（e.i.r.p.），是指在指定的频率下，提供给天线的平均功率乘以在特定的测量条件下相对于各向同性天线的天线增益乘积（或dB相加）。对于peak e.i.r.p.我们都很容易理解该如何测量，但平均e.i.r.p.功率究竟如何平均呢？

首先，通用的测量方法，可以使用平均功率计直接测量得出结果，或者使用峰值功率计先测出峰值功率（peak power），再乘以占空比（power duty cycle）：

要求是：测量平均功率的平均时间应不大于100ms。如果不同的EUT发射周期会导致不同的平均功率，那么应将最大值作为最终结果。

其次，如果是针对恒定方向图模式的扫描天线，下表是ETSI EN 301 091-1中，对76-77 GHz汽车雷达平均功率的计算方法定义。

为了搞清楚这张表，还要先来明确几个概念：

illumination time：照射时间；
Constant pattern：恒定的天线辐射方向图；
antenna scan duty factor：天线扫描占空比；

illumination time：对于有扫描天线的设备，远场中某一点处于天线主波束内的时间，用t表示；

Constant pattern：被测雷达的天线扫描方式一般可以分为三种，一种叫做Fixed beam（即天线辐射方向图是恒定的，并且相对于EUT的外壳，视距方向是固定的）；另外一种就是constant pattern（即天线的辐射方向图是恒定的，视距方向随时间而变化，但视距方向的扫描是以一个恒定的角度变化率来进行）；还有一种是variable pattern（即所有不固定的模式，要么天线方向图随时间和/或方向而变化，要么扫描不是以恒定的速率进行）；

antenna scan duty factor：天线波束的立体角度（在其3dB点测量）与天线扫描的总立体角度之比。用D来表示，由于D总是小于或等于1的，所以logD小于等于0，相当于是在原有功率基础上降低了。关于立体角度（立体弧度）的概念，我们曾在TRP的计算公式-1中提到过。

根据上面的表格，平均功率应为：

当t ≤ 100 ms，mean power (e.i.r.p)=PMEASURED + 10 log(D)；
当t > 100 ms，mean power (e.i.r.p)=PMEASURED；

这里的PMEASURED，就是上面通用测量方法所述的测量结果，这里的不同在于，除了考虑雷达发射功率在时间上的占空比之外，还考虑了当t ≤ 100 ms时，雷达在天线扫描状态下，如上图所示，空间扫描角度的占空比影响。当此占空比小于1时，平均功率又被拉低了。

而对于平均功率谱密度（e.i.r.p.），是在规定的测量条件下，发射机的规定带宽上的发射功率谱密度，包括在最大电平方向上辐射的天线增益。

那么单纯地使用下面公式进行单位带宽的转换是不准确的，例如1MHz带宽：

平均功率谱密度（e.i.r.p.）=平均功率（e.i.r.p.）-10log 带宽（MHz）

由于雷达信号并不是一个带内平坦的信号，所以应该在所有带宽的谱密度点上取最大值。