第一部分 介绍：

雷达传感器用于各种应用领域，因为即使在恶劣的环境条件下，它们也能够提供有关周围物体的距离，速度和到达方向(DoA)的准确信息[1]-[5]。通过在二维空间中分布天线，可以实现方位角和俯仰角的DoA估计，从而形成4D成像系统[6]，[7]。这种信息深度是开发77 / 79GHz汽车频段自动驾驶和未来高级驾驶辅助系统(ADAS)所必需的[8]-[10]。然而，特别是在4D成像中，需要大量的通道才能获得准确的低旁瓣DoA估计。一种广泛使用的需要减少物理硬件通道数量的方法是多输入多输出(MIMO)原理[11]-[13]。

在比较旧系统[14]和具有128个虚拟通道的最新系统[15]时，可以观察到虚拟(Vx)通道NVx和2D DoA估计数量不断增加的趋势，参见表1中给出的概述。为了实现通常具有192个虚拟通道的更大系统[16]，将4个具有3个发射(Tx)和4个接收(Rx)通道[17]的单片微波集成电路(MMIC)组合在一起。基于这种拓扑结构，实现了大多数通道分布在方位角平面的不同系统。这导致波束宽度很宽[18]或在俯仰角平面上有很大的稀疏度[19]。另一种不同的概念是将可用通道分成一个小的无模糊阵列和一个具有窄波束宽度的大阵列，并在后处理中解决后者的模糊性[20]。在[21]中，具有类似MMIC的系统的192个通道被划分为具有不同视场(FOV)的三个雷达子系统，以涵盖不同的用例并解决每个单独阵列的模糊性。

在所有这些系统中，需要计算密集型的后处理来解决模糊，这在诸如低信噪比(SNR)或复杂的多目标情况下的恶劣条件下容易出错。对于[22]中明确但非常稀疏的阵列，需要进行[8]所示的复杂重构来降低DoA估计中的副瓣电平(SLL)，具有与上述相同的局限性。为了减少稀疏性，从而减少后处理的工作量，需要更高的通道数。在[23]中，将四个具有独立信号合成的相干组组合在一起，实现了具有256个虚拟通道的系统，降低了调频连续波(FMCW)信号分布的复杂性。为了进一步减少设计时间和硬件复杂性方面的工作量，可以使用馈通拓扑，如小型3D[24]和4D[25]雷达系统所示。到目前为止，信号分布中的时间延迟是这类系统设计的一个限制因素。

这篇文章中，提出了一种新的4D雷达成像系统。为了克服以往系统的局限性，实现了具有较小稀疏度的大型二维天线阵列。这导致在方位角和俯仰角平面上的窄波束宽度和低SLL，从而实现鲁棒的DoA估计。此外，高达1728的通道数导致高处理增益，从而具有优越的检测能力。采用长度匹配的配电网和馈电线路，实现了一种组合的系统拓扑结构，减少了硬件的工作量。通过这种组合，可以使用来自不同MMIC的多个Tx通道进行相干Tx波束形成，并且在距离-多普勒频谱中易于校正所有通道之间的时间延迟[26]。
本文组织结构如下:第二节对系统概念进行了介绍和分析。实现的传感器将在第三节中介绍。在第四节中，验证了系统的性能，并最终在第五节中展示了一个现实的汽车场景。

第二部分 系统概念：

按照图 1所示的系统概念，拟议的雷达系统由 12 个收发器 MMIC 组成，从而形成具有 1728 个通道的虚拟阵列。MMIC 分布在 6 × 2 阵列中，以实现方位角上的超大孔径和仰角方向上的大孔径，以满足复杂汽车雷达场景的要求。每 6 个 Tx 天线排列为 2 × 3 均匀矩形阵列 (URA)，从而形成一个可实现 Tx 波束成形的组。

它由 12 个收发器 MMIC 组成，每个 MMIC 包含 3 个 Tx和 4 个 Rx通道。每 6 个发射器组成一个组，其中可以执行波束成形。FMCW 信号采用无源分布和馈通拓扑组合进行分布。

组合式 Fmcw 信号分布概念
FMCW 信号由单个 MMIC 的斜坡振荡器 (RO) 以四分之一的发射频率生成。该 MMIC 用作主 MMIC。通常，在主 MMIC 的 RO 输出端使用两个长度匹配的 1 对 2 无源分配网络，为 192 通道系统的所有 4 个 MMIC 供电。在每个 MMIC 中，RO 信号通过倍频器进行上变频。

为了启用 Tx 波束成形，同一组的两个 MMIC 都需要相位同步的 RO 信号。这可以通过使用长度匹配的分配网络来实现，但代价是 PCB 上需要很大的空间，并且在使用超过 4 个 MMIC 时需要额外的放大器。在提出的系统概念中，每个组都通过来自前一组的一个 MMIC 的长度匹配线路进行馈电，参见图 1中 ，实现混合馈通和分配拓扑。这样，只需要 12 条长度匹配的传输线，不需要放大器、功率分配器或大型分配网络。线路长度的选择要满足 RO 输入的功率要求，并允许轻松校正范围偏移，如下所述。