77/79 GHz 車載 4D 成像雷達與 ADAS 系統的 OTA 射頻空間模擬與驗證挑戰

從 2D 感測到 4D 空間重建的射頻物理挑戰

在邁向高等級自動駕駛（L4/L5）的進程中，車輛環境感知系統正經歷一場深度的技術演進。傳統的二維車載雷達已無法滿足複雜市區道路的高解析度需求，取而代之的是運作於 77 吉赫茲至 81 吉赫茲（GHz）頻段的「4D 成像雷達」（4D Imaging Radar）。這類新型雷達不僅能量測目標物的距離、相對速度與水平方位角（Azimuth），更能精準解析垂直仰角（Elevation），從而在系統後端建構出高密度的立體點雲（Point Cloud）。

然而，當雷達感測器從單純的測距儀進化為具備多輸入多輸出（MIMO）架構的複雜射頻成像系統時，其在實驗室內的硬體迴路（Hardware-in-the-Loop, HiL）與整車迴路（Vehicle-in-the-Loop, ViL）驗證，便遭遇了嚴峻的物理極限。研發工程師面對的不再是單純的訊號收發，而是如何在有限的物理空間內，無誤差地重建出廣袤且動態變化的真實電磁波傳播環境。

車載雷達國際測試規範的極限收緊

針對 77 GHz 至 81 GHz 的毫米波（mmWave）車載雷達，國際法規如歐洲電信標準協會（ETSI）的 EN 303 396 規範、美國聯邦通信委員會（FCC）的 Part 95M 規範，以及 ISO 26262 道路車輛功能安全標準，在近年來設下了極度嚴苛的合規門檻。

規範的收緊立基於兩大核心考量：

第一，頻譜擁擠與干擾緩解（Interference Mitigation）。隨著車輛雷達裝載率逼近普及，道路上將充滿相互交錯的調頻連續波（FMCW）訊號。法規強制要求雷達必須具備強大的抗干擾能力與演算法，在遭受其他雷達主動干擾時，仍能維持極低的虛警率（False Alarm Rate）與漏報率（Missed Detection）。

第二，超寬頻發射特性的線性度要求。為了達到公分等級的距離解析度，現代雷達的瞬時頻寬往往高達 4 GHz 甚至 5 GHz。標準規範嚴格限制了在如此巨大頻寬下的頻譜發射遮罩（SEM）與等效等方性輻射功率（EIRP），任何微小的壓控振盪器（VCO）非線性失真或相位雜訊，都會導致法規測試失敗。這要求測試環境必須具備極高的測量動態範圍與絕對的射頻純淨度。

工程實務上的「三大技術難題」

在執行 4D 成像雷達與 ADAS 功能開發時，研發工程師在實驗室內面臨著由電磁學定律與空間幾何關係所引發的三大艱鉅挑戰：

難題一：動態人工目標物的時空同步與極短距離模擬限制 （Dynamic Echo Generation and Minimum Range Blind Spot）

在真實道路上，雷達必須同時追蹤上百個目標物（如車輛、行人、護欄）。在實驗室中重現這些場景，需要依賴雷達回波產生器來模擬這些目標物的雷達截面積（RCS）、距離（Time Delay）與相對速度（Doppler Shift）。

如果用敘述的方式來理解物理學現象：模擬距離本質上是模擬電磁波的來回傳播時間；模擬速度則是模擬射頻載波的都卜勒頻移。在複雜的 ADAS 測試場景中，工程師必須同步產生數十到數百個具備獨立動態軌跡的虛擬目標。傳統的聲表面波（SAW）或光纖延遲線技術，僅能提供固定且離散的距離模擬，無法真實呈現目標物連續移動時的微都卜勒效應（Micro-Doppler Effect）。

更致命的挑戰在於「極短距離模擬」。在測試自動緊急煞車（AEB）等攸關生命安全的極端場景時，目標物與保險桿的距離可能短至幾公尺甚至幾十公分。然而，由於測試儀器內部硬體處理射頻訊號需要時間，這個固有的系統延遲在物理上轉換為空間距離時，會形成一個無法跨越的「最小模擬距離盲區」（通常大於十幾公尺）。如果測試設備無法在數位層面或透過專利的類比延遲技術打破這個物理極限，工程師將永遠無法在實驗室內完成近距離碰撞前夕的真實射頻閉環測試，這對 ADAS 功能驗證是致命的缺陷。

難題二：大型陣列天線的遠場空間幾何與無響室體積矛盾 （Far-Field Condition vs. Compact Chamber Constraints）

4D 成像雷達之所以能達到高角度解析度，依賴的是大孔徑的虛擬 MIMO 陣列天線。根據電磁學的遠場（Far-Field）傳播理論：要讓天線接收到的電磁波近似於理想的「平面波」（Plane Wave），發射端與接收端之間的物理距離，必須大於待測天線最大孔徑尺寸平方的兩倍，再除以工作波長（此即為著名的弗勞恩霍夫距離界線）。

在 77 GHz 下，波長僅約 3.9 毫米。當雷達模組的天線孔徑隨著 MIMO 技術擴大至十幾公分時，其遠場距離將輕易超過數公尺。這意味著，工程師如果要在傳統無響室中進行精準的天線輻射場型（Radiation Pattern）與等效全向輻射功率（EIRP）量測，將需要一個體積極度龐大、造價高昂的微波暗室。在寸土寸金的研發實驗室與產線環境中，這是不切實際的。如何在極小的物理空間內，創造出符合物理定義的完美高頻平面波，成為阻礙 4D 雷達校準與量產的最大硬體屏障。

難題三：場景多重角度分離度與感測器融合的同步刺激 （Angular Separability and Parallel Sensor Stimulation）

現代高階 ADAS 功能（如盲點偵測、變換車道輔助、十字路口防撞）並非依賴單一雷達，而是融合了安裝在車輛前、後、側邊的多顆長距（LRR）與短距（SRR）雷達數據。

在測試這類複雜的感測器融合（Sensor Fusion）邊界條件時，工程師面臨極大的測試挑戰：首先，必須驗證單顆雷達的「角度分離度」（Angular Separability），即雷達是否能分辨出距離和速度完全相同，但方位角僅相差一兩度的兩輛併排行駛機車。這要求測試系統必須具備從多個獨立物理角度發射精準微波波束的能力。其次，在進行整車系統級硬體迴路（System Level HiL）測試時，測試平台必須能夠「同步、平行」地對車上的多顆雷達發射完全連貫且相位對齊的空間場景射頻訊號。只要各個射頻前端之間存在微秒級的觸發延遲或相位漂移，中央 ADAS 域控制器（Domain Controller）的追蹤演算法就會崩潰，導致測試結果無效。如何在微波頻段實現多節點、多角度的絕對相位與時序同步，是目前車載雷達驗證領域最棘手的技術深水區。

相關產品

面對 77/79 GHz 4D 成像雷達與 ADAS 系統開發中嚴苛的動態回波模擬、空間遠場重現以及感測器融合平行測試挑戰，Rohde & Schwarz (R&S) 提供了一套極致創新的硬體迴路（HiL）與空中傳輸（OTA）射頻測試解決方案，幫助工程師將真實的道路場景完美平移至實驗室中。

R&S®AREG800A 車載雷達回波產生器 (Automotive Radar Echo Generator)

R&S®AREG800A 是應對複雜 ADAS/AD 情境模擬的核心大腦。其具備無與倫比的訊號處理能力與架構彈性，專為克服高密度人工目標物生成與極短距離測試而生：

• 超寬頻與動態目標生成： 支援高達 4 GHz 甚至 5 GHz 的瞬時射頻頻寬，完美涵蓋當前與未來的車載雷達頻段。能夠同時生成大量具備獨立、動態變化距離、徑向速度與雷達截面積（RCS）的複雜人工目標，場景更新率小於 0.15 毫秒，確保完美重現真實道路的微都卜勒效應。

• 突破極短距離盲區： 結合內部選配的類比步進延遲線，可將最小目標物距離壓縮至小於 4 公尺（針對 AEB 測試極為關鍵）。更具備專利的軟體功能，針對 FMCW 雷達，能將最小距離在數位層面縮減至待測雷達的真實空氣間隙（Air Gap），徹底消除硬體延遲帶來的測試死角。

• 多感測器平行同步： 單一主機可同時控制多達 4 組傳統毫米波遠端前端，或高達 8 組先進天線陣列，實現對車輛周圍多顆雷達的同步 OTA 刺激，是進行感測器數據融合（Sensor Data Fusion）與整車迴路（ViL）測試的終極利器。

R&S®QAT100 先進天線陣列 (Advanced Antenna Array)

為了解決雷達角度分離度測試與複雜空間方位角模擬的難題，R&S 顛覆性地推出了 R&S®QAT100：

• 電子可控的空間角度模擬： 搭配 AREG800A 使用，R&S®QAT100 具備大量獨立的發射天線單元。它能在不移動任何機械機構的情況下，純粹透過電子切換與相位控制，從不同的物理角度向待測雷達生成目標物回波。這讓工程師得以在實驗室內精準測試 4D 雷達的水平與垂直角度解析極限，且支援多台 QAT100 拼接，實現極廣角的場景包覆。

R&S®ATS1500C 天線量測無響室 (Antenna Measurement Chamber)

針對 4D MIMO 陣列天線面臨的遠場量測空間矛盾，R&S®ATS1500C 提供了革命性的微型化方案：

• 精巧的 CATR 技術： 基於緊縮天線測試場（Compact Antenna Test Range, CATR）原理，透過精密加工的拋物面反射反射鏡，在極短的物理距離內將球面波轉換為高品質的平面波。這使得工程師可以在僅有冰箱大小的緊湊空間內，獲得符合嚴格弗勞恩霍夫界線的理想遠場（Far-Field）測試條件，是進行高解析度天線輻射場型校準與射頻驗證的完美無響室。