第一章 雷達簡介
1.1 汽車防撞雷達簡介
隨著經濟發展快速，汽車已經是普遍之交通工具，世界先進國家的公路系統 越趨複雜，歐美日各國致力發展「智慧型運輸系統」(Intelligent Transportation System，ITS)，其改善交通狀況，達到更安全、便利的目的，先進車輛控制與安 全系統是達成全智慧型運輸系統功能之重要且不可或缺的部分，而「汽車防撞警 示系統」（Collision Warning System）則為其核心組件之一，目的在輔助人類感測 能力的不足，主要利用先進的通訊、控制與資訊科技，偵測車輛週遭的動態狀況。
汽車基本的車輛安全系統分為可避免事故發生的主動式(Active safety)，以及 能在事故發生時減低人員傷害的被動式(Passive safety)兩大類，估計未來車輛電子 控制與安全防護系統將佔據整車成本的 30 %，主動汽車行車安全系統已受到廣泛 的重視，主要針對發生意外前能有預先提出警告之安全系統，據統計全球每年有 超過 200 萬人死於交通事故，而其中大部分是由於反應不及追撞所造成的，高速 行駛中的車輛，如果增加一秒的反應時間，則可以增加 30 公尺的煞車距離，降 低 90 %的車禍傷亡，保護駕駛人與乘客生命安全的車輛安全系統，是現今全球汽 車電子技術的重點發展項目之一，因此汽車前端防撞雷達是未來行車安全不可或 缺的配備，也是各大車廠努力研發的目標。自從 1971 年開始，相關技術應用在 車用雷達依據傳輸介質不同，可分為微波雷達、超聲波雷達、紅外線雷達及雷射 雷達，為此，我們將各項雷達裝置的優缺進行了比較分析，如下文所示：
1. 紅外線：紅外線波長有明顯的熱效應和較強的傳透能力，紅外線雷達 測距基本上與超聲波雷達原理相同，都是根據發射訊號與反射訊號之 時間來判斷目標之距離，任何目標物體在任何時候都會發出紅外線，
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發射訊號與反射訊號，根據訊號的強弱以及波長不同，同時分析時間 差，可計算出目標物體與紅外線雷達之距離，若達到必頇減速之距離，
系統則會送出訊號使汽車減速，避免相撞。紅外線雷達在技術上難度 不大、成本較便宜是其優點，而缺底點是易受天氣影響以及因測量距 離相對雷射雷達及毫米波較短，無法應用於較長測距方面，較不適合 滿足汽車防撞之需求，主要可以應用於夜視系統。
2. 超聲波雷達：超聲波雷達結構簡單價格低廉、體積小、重量輕，主要 由發射器、接收器和訊號處理器所組成，具有穿透性強、衰減小以及 反射能力強等，超聲波汽車防撞雷達的工作原理基本上是由發射器不 斷發射其一頻率之超聲波，遇到目標物體反射，當超聲波接收器接收 到反射訊號時，將測出發射訊號與反射訊號之時間差，根據速度的時 間差即可求得距離，得知距離達到預設距離時，控制器將會使汽車減 速，避免相撞。
超聲波汽車防撞雷達系統也有缺點，主要是探測距離短，受天氣狀 態影響很大，在空氣中傳播速度較小並且隨溫度和天氣因素而變化，另 外是對於距離較遠之目標物體，由於受到很多干擾以及影響使得反射訊 號過於微弱，靈敏度下降，造成測距誤差。目前超聲波功率小，使用距 離不超過幾十米，因此應用在汽車倒車防撞雷達較適合。
3. 雷射雷達：雷射雷達具有高單色性、高方向性等優點，雷射光束近似 直線性，測量精度高、波速能量為集中，測量距離較長，基本原理是 利用雷測雷達發射雷射光照射前車之反光鏡，接受反射回來之雷射光，
根據雷射光束從發射到接受之時間差來判斷距離，但缺點在包含雨、
雪、霧等惡劣環下，測量性能會下降，多使用於偵測行車速度之雷色 測速照相系統、汽車防撞偵測器、高爾夫球場上常用到之雷射測距望 遠鏡、營建業與室內裝潢業者常用到之測距儀等等。目前應用在汽車 雷射雷達系統可分為非成像式以及成像式雷射雷達，非成像式雷射雷
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達更具有實用價值，與成像式雷射雷達相比具有較低成本價格、速度 較快、穩定性較高等優點。
4. 毫米波雷達：毫米波器車防撞雷達由感測器、信號處理器和控制器所 組成，按測量原理不同，可分為脈衝調頻(pulse frequency modulation，
PFM)和調頻連續波(frequency modulation continuous wave，FMCW)，
使用頻率主要集中在 23~24，60~61，76~77 GHz ３個頻段，由發射訊 號以及反射訊號可以計算出相對距離、速度、角度等，其優點為穩定 精確的測距性、較高的距離分便力，使得測量距離遠、運行較穩定，
不受物體之表現形狀、顏色等關係影響，也比較不受外在天候影響，
並且毫米波雷達天線也部會因為灰塵汙染而產生較大的誤差，擁有良 好的環境適應性，使得毫米波雷達的穿透能力較強，其測距精度受雨、
雪、霧以及陽光等天氣因素影響較小，可以確保在任何天氣下正常計 算距離，毫米波雷達之優越性能較適合汽車防撞雷達之需求，在相同 測量條件下毫米波雷達結構簡單、分辨率高、天線尺寸小，當然毫米 波也有缺點，主要是訊號處理部分相對其他雷達複雜。
歐美日對於車用雷達的頻段使用各有不同的策略，從規範車用雷達的頻段範 圍來確保車用雷達在無干擾下能正常使用，達到交通安全的目標，至於各國使用 的車用雷達上。
表 1-1 各國家之規格制定組織
Frequency Band(s) Supported Organisation 76 - 77 GHz CEPT (Europe) 76 - 77 GHz ETSI (Europe) 46.7 - 46.9 GHz, 76 - 77 GHz FCC (USA)
60 - 61 GHz, 76 - 77 GHz ITU 60 - 61 GHz, 76 - 77 GHz MPT (Japan)
表 1-2 各國家之規格定義表
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性能參數 德國 瑞典 美國 日本 英國
頻率 77 GHz 77 GHz 77 GHz 60.5 GHz 77 GHz 調變訊號 FMCW FMCW FMCW FMCW FMCW 作用距離 150 m 200 m 100 m 120 m 100 m 相對距離精度 1 m 0.3 m 0.2 m 0.3 m 0.5 m
相對速度 -80~240 km/h
-360~+360 km/h
- 0.4~180 km/h
- 掃描速度 33 Hz 10 Hz - - 20 Hz
1.2 論文架構
本論文分六個章節針對收發器中 CMOS 晶片進行設計討論研究與製作，包含 低雜訊放大器、功率放大器、以及混頻器，晶片製作均透過國家晶片中心 (CIC) 提供之 TSMC 90 nm 製程。
本論文第一章緒論，探討研究雷達系統應用方向，以及各個裝置應用之優缺 點，第二章為毫米波汽車防撞雷達之理論分析，第三章為低雜訊放大器，頻率操 作在 71 至 77 GHz，此放大器考量低雜訊，因此在設計考量匹配網路，架構選擇 設計，電感模擬分析，均以低雜訊為訴求之設計，第四章為功率放大器，頻率操 作在 71 至 77 GHz，此放大器是為了將功率放大，論文上分析功率放大器之設計 概念，第五章為混頻器與系統之整合，第六章為結論，探討第三章至第五章之電 路設計的模擬與量測結果。
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