FMCW雷达是一种非常流行的雷达，广泛的应用于毫米波汽车雷达、物质检测、安防等领域，在这些复杂的应用领域通常会使用MIMO（多输入多输出）结构，以获得被测目标的角度信息。那么为了获取准确的相位信息，在硬件设计上，有哪些需要注意的事情呢？本文对此做简要探讨。
目录
- 方位角的获取
- FMCW接收机的结构
- 影响 Δ ϕ \Delta \phi Δϕ的硬件因素
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- 解决办法
方位角的获取
图1: 天线阵获取波前的相位信息 [1]
假设右侧的两个接收天线接收到的电磁波的相位差为 Δ ϕ \Delta\phi Δϕ，通过波前到达两天线之间的距离差可计算出：
Δ ϕ = ( 2 π / λ ) d s i n ( θ ) \Delta\phi=(2\pi/\lambda)dsin(\theta) Δϕ=(2π/λ)dsin(θ)
其中 Δ ϕ \Delta\phi Δϕ是雷达系统通过测量相位差可以测得的，待求量为 θ \theta θ，由此可得：
θ = a r c s i n ( Δ ϕ λ / ( 2 π d ) ) \theta=arcsin(\Delta\phi \lambda/(2\pi d)) θ=arcsin(Δϕλ/(2πd))
因此，只要能精确的确定 Δ ϕ \Delta\phi Δϕ，就能获得被测目标的相位角。
FMCW接收机的结构
图2: FMCW雷达收发机结构 [1]
如图2所示，FMCW雷达接收机核心是将发射的扫频信号和接收到的扫频信号混频，混频后获得其中频信号，然后再进行处理，这个中频信号的频率和被测目标到天线的距离成正比。实物图如图3所示：
图3：单通道FMCW雷达实物图 [2]
MIMO形式的FMCW雷达，可以使用多通道的结构也可使用时分结构，时分结构如图4所示：
图4：时分结构的MIMO FMCW雷达
所谓时分，就是用一个单通道的接收机，加上开关来切换不同的天线进行发射和接收信号，这样做的好处是成本较低。相对应的，如不使用开关，每个天线后面都是用一个接收通道的结构就是多通道结构，其好处是不需要切换天线，同时获得各个天线的数据，缺点是增加了接收通道的数目，成本升高，根据项目的应用场景选择即可。
影响 Δ ϕ \Delta \phi Δϕ的硬件因素
从之前的分析中可知，为了计算 θ \theta θ，我们需要 Δ ϕ \Delta \phi Δϕ，而当情况从图1变到图4的时候，发射和接收天线都变成很多个，这时如果开关的每个端口的相位一致性不好，那么每两个天线端口就会产生相位差，而且不同的端口产生的差值还不一样，这样就会带来问题。而这个相位差是由硬件系统带来的，并不是由于被物体的相位角带来的，会影响我饿们获取 Δ ϕ \Delta \phi Δϕ，也就会影响计算 θ \theta θ。
这样的系统，只能通过校准来解决问题，但是如何做好校准算法是个很大的话题，很多非这方面专业的工程师很难很快上手。那么这个各个端口的带来的额外的相位差会带来什么样的不良影响呢？在成像中就表现为图像发虚，焦点不能聚合，如图5所示，原本单一的目标，其图像在x轴上展开了，“散花”了。
图5：由开关各端口相位不一致导致的图像不聚焦
解决办法
- 就是上面所说的校准，通过对每一个通达校准，可以在软件上添加校准算法，将这些额外的相位差校准掉。
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使用各端口延时一直（相位一致）的射频开关。
图6为某SP16T开关的各个通道的相位，可以看出从1GHz开始，各个通道的相位明显不一致，这样的开关就会导致图5所示的不聚焦现象。相比之下，GFSW03的各个通道的相位一致性就非常好，如图7所示。
FMCW雷达硬件设计 - 相位一致的开关方位角的获取FMCW接收机的结构影响 Δ ϕ \Delta \phi Δϕ的硬件因素
图6：相位不一致的射频开关
图7：相位一致的射频开关GFSW03 [3]
使用主机和开关就可以组装成时分MIMO雷达啦，图8展示了两台装配好的时分MIMO雷达，发射和接收使用SMA连接头，开关控制信号用类似9针串口的控制端口接出。
图8：时分MIMO雷达 [4]
本文简要的总结了在时分MIMO雷达中开关相位一致的重要性，希望能够帮助到开关设计人员，也欢迎系统工程师来采购我们的开关~
作者：潇洒的电磁波（专业：射频芯片设计、雷达系统、嵌入式。欢迎大家项目合作交流。）
微信：GuoFengDianZi
引用：
[1]: MIMO Radar, SWRA554A, May 2017, Revised July 2018, Texes Instrument
[2]: https://item.taobao.com/item.htm?spm=a230r.1.14.162.10b115desyeHAV&id=627673739609&ns=1&abbucket=2#detail
[3]: https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z10.5-c-s.w4002-23273774968.29.3d5825aeq1JB8W&id=637897729082
[4]: https://item.taobao.com/item.htm?spm=a2oq0.12575281.0.0.3b5e1debnpIIsp&ft=t&id=642129322708