毫米波雷达技术与设计(车载雷达及传感器技术的应用)

第1章 毫米波技术基础 1.1 电磁波与无线电波 电磁波的概念如图1.1所示，电磁波在电场与磁场的相互影响下以光速传播，传播特性取决于频率。光（红外线、可见光、紫外线、X射线）也是电磁波的一种：暖气设备发出的红外线给人以温暖的感觉；可见光是波长可被人眼感受到的电磁波；紫外线具有杀菌作用，能产生日晒效果；X射线具有穿透物质的特性，普遍应用于X光拍摄等。一般来说，频率在3THz（3×1012Hz）以下的电磁波都可称为无线电波。 图1.1电磁波 无线电波的分类和特征如图1.2所示，根据频率可分为微波、毫米波和太赫兹波，不同无线电波的传播特性和能够承载的信息量各不相同。 (a)无线电波的分类 (b)无线电波的特性 图1.2 无线电波的特征 不同于电路或器件，无线电波传播是难以人为控制的自然现象。特别是雷达的原理更加复杂，在显示目标物（目标）的同时，还会显示各种障碍物的散射波。如图1.3所示，无线电波通过反射、透射、衍射（绕射）进行传播。如果行进方向没有障碍物，无线电波会直线传播；如果行进方向有障碍物，无线电波就会反复反射、透射、衍射，向各个方向传播。反射、透射、衍射等传播方式因频率而异［1］。 介质特性改变会引起反射和透射 无线电波会绕过障碍物（衍射） 波长越长，衍射越大 图1.3 无线电波传播的基本特性 1.1.1 反射与透射 如1.4所示，无线电波入射不同介质时，入射波会在界面（反射面）上发生反射和透射现象。 (a)水平极化波 (b)垂直极化波 图1.4 界面的反射和透射 设ε为介电常数，μ为磁导率。如果界面光滑，则入射角与反射角相同（斯涅耳定律）。此外，界面是否平坦，可根据下式给出的射线粗糙度基准判断［2］： （1.1） 式中，σh为**菲涅耳区起伏量的标准偏差；θ为从界面法线方向测量的入射角。 rough＜1说明相干成分突出，界面平坦；反之，rough＞1说明非相干成分突出，界面粗糙。例如，在1GHz以下的微波段（波长30cm以上），沥青路面可以被认为是平坦(rough＜1)的；而在毫米波段，沥青路面通常被认为是粗糙(rough＞1)的。可见，微波雷达的特性无法直接用于毫米波频段。 一般来说，反射系数用入射波相对于回波的幅度比表示，且因入射波的极化状态而异。这里认为反射物界面平坦，且介电常数均匀，图1.4中垂直极化的入射波反射系数ΓV由下式给出： （1.2） 式中，θi为入射角；假设εr=ε2/ε1，μr=μ2/μ1=1。 同样，水平极化的反射系数ΓH由下式给出： （1.3） 式（1.2）和式（1.3）被称为菲涅耳反射系数或者散射系数方程，是电磁波散射的基础公式。 类似地，菲涅耳透射系数由下式给出： （1.4） （1.5） 如果是水平极化，透射系数和反射系数TH+(-ΓH)=1的关系对于所有入射角都成立，但是垂直极化的情况下TV+ΓV=1的关系只在入射角θi=0时成立。 1.1.2 衍射 无线电波即使被障碍物遮挡也无法遮挡住全部的功率，根据惠更斯原理，无线电波在遮蔽物的端部会产生衍射现象，折射出部分功率。 图1.5所示的峰脊衍射是*简单的衍射模型。表示遮蔽程度的衍射参数v定义如下： （1.6） 图1.5 峰脊衍射模型 注意，v与菲涅耳区的波源次数n之间有如下关系： （1.7） 相对于v的峰脊衍射损失如图1.6所示。当v=0时，一半穿透成分（相干成分）被遮挡，损失为6dB。如果**菲涅耳区被遮挡，则损失约为16dB。 穿透成分被遮挡时，衍射损失可用下式近似计算： （1.8） 根据v的定义可明确得知，即便是相同的值，频率越高，值越大，衍射损失越大。频率越高，阴影区的衰减越大也是这个原因。 图1.6 峰脊衍射损失