自动驾驶技术的发展对车辆环境感知与车联网通信提出了双重需求。一方面，车辆需要精确探测周围障碍物、行人及其他车辆的距离、速度与角度信息，这一任务主要由车载雷达完成。另一方面，车辆需要与路侧单元、其他车辆及云端保持实时数据交换，以获取交通预警、路径规划及协同驾驶指令，这一任务依赖车联网通信链路。传统方案将雷达天线与通信天线分立布置，分别优化各自性能。然而随着毫米波频段的开放以及大规模多输入多输出天线阵列的成熟，感知与通信在频谱与硬件上的融合成为可能。使用同一套天线阵列同时执行雷达探测与数据通信，可以降低车辆天线数量、减少车身开孔并节约成本。但一体化天线设计面临从物理层到系统层的多重挑战，核心矛盾在于雷达与通信对天线辐射特性、波束管理以及信号处理方式的要求存在本质差异。
从天线阵列的基本参数看，雷达功能与通信功能对波束的需求不同。雷达通过发射定向扫描波束并接收目标回波来构建环境图像，要求天线具有低旁瓣电平与窄波束宽度，以提高角度分辨率和动态范围。低旁瓣电平可以降低来自非目标方向的虚假回波，而窄波束宽度则直接决定了雷达区分两个邻近目标的能力。为了实现窄波束，雷达天线阵列通常需要较大的有效孔径，即较多的阵元数量或更大的阵元间距。同时雷达在发射瞬时峰值功率较高，要求天线及馈电网络具备较高的功率容量与线性度，否则会产生非线性产物干扰回波接收。通信功能则主要追求信号覆盖与链路容量。在大规模多输入多输出通信系统中，天线阵列通过波束赋形将能量集中指向特定用户，以提高信噪比与空间复用增益。通信波束的宽度可以根据用户位置动态调整，并不要求像雷达那样始终维持窄波束。此外通信系统的上行与下行链路需要同时或分时工作，而雷达始终在收发之间快速切换。这些差异导致一体化天线在阵元布局、馈电网络以及波束控制策略上需要做出权衡。
天线阵列的物理布局设计是一体化方案的首要挑战。雷达为了获得高的角度分辨率，通常要求阵元间距大于半波长以实现更窄的波束，但这会引入栅瓣问题。栅瓣是指除了主波束之外在其他角度出现的多余波束，会导致雷达将栅瓣方向的目标误判为主瓣方向的目标。为抑制栅瓣，雷达天线常采用非均匀阵元间距或加窗幅度加权，但这会降低有效孔径利用率。通信系统的大规模多输入多输出天线则常采用均匀平面阵列，以简化波束赋形矩阵计算。当两套功能共享同一物理孔径时，阵元位置必须同时满足雷达的低栅瓣要求和通信的低复杂度要求。一种解决方案是采用稀疏阵列或共阵技术，即利用通信阵列的子集完成雷达功能，或者通过时间调制使同一组阵元在不同时隙切换功能。然而稀疏阵列会降低雷达的信噪比，时间调制则限制了雷达的帧率与通信的数据速率。另一难题是收发隔离。雷达在发射高功率信号后需要立即切换到接收状态以侦听微弱回波，收发隔离度的典型要求远高于通信系统。通信系统中发射与接收通常工作在不同时隙或不同频率，而雷达的收发切换时间以纳秒计。在同一套天线阵列上实现这种高速高隔离度切换，需要在前端设计精密的环形器或收发开关，同时要保证开关在毫米波频段的插入损耗与响应速度满足要求。
波束管理策略的差异进一步加剧了一体化设计的复杂度。雷达通常按照预设的扫描模式依次指向不同空域，扫描序列是确定性的，以保证对周围环境的完整覆盖。雷达波束在每个方向上的驻留时间需足够长，以积累足够的回波信噪比，但又要尽可能短以缩短帧周期。这种确定性扫描与通信系统的用户调度存在冲突。通信系统的波束管理需要根据用户的位置、移动速度以及信道质量动态调整波束指向与波束宽度，具有明显的随机性。当雷达与通信共用天线阵列时，波束资源需要在探测任务与通信任务之间分配。一个波束资源块要么用于发射雷达脉冲并接收回波，要么用于向某个用户传输数据。如果分时进行，雷达的帧率会受通信业务量的影响，而通信的吞吐量也会因雷达扫描而出现周期性下降。如果分频进行，即部分子阵列用于雷达、部分子阵列用于通信，则每项功能可用的孔径尺寸减小，雷达角度分辨率与通信空间复用能力均被削弱。更为棘手的是雷达波束对通信链路的干扰。雷达发射的高功率脉冲可能阻塞附近通信接收机的前端，而通信发射机的带外杂散可能落入雷达接收带宽，形成虚假目标。
射频前端与信号处理链路的共享设计同样充满挑战。雷达接收链路需要极高的动态范围，因为近距离强反射目标的回波与远距离弱反射目标的回波功率可相差数个数量级。这要求接收链路的模数转换器具有足够多的有效位数，同时低噪声放大器在线性区工作。通信接收链路对动态范围的要求相对宽松，因为通信信号的功率经过功率控制后被调整在一定范围内。当同一接收链路同时处理雷达回波与通信信号时，电路必须能够适应两种信号的幅度特性。一种方法是采用可编程增益放大器与自动增益控制策略，根据当前时隙的功能需求切换增益状态。但增益切换需要稳定时间，如果雷达与通信在时间上密集交替，稳定时间会占用有效收发窗口。信号处理层面，雷达的目标检测算法通常基于恒定虚警率处理与快速傅里叶变换，而通信的解调与译码需要信道估计与均衡。两者对计算资源与内存带宽的竞争在嵌入式平台尤为突出。使用同一基带处理单元执行两类算法，需要设计高效的硬件加速器与任务调度机制，以避免处理延迟超出实时性约束。
电磁兼容与热管理也是一体化天线工程化必须面对的约束。毫米波频段的空间损耗较大，雷达为了探测远距离目标需要较高的等效全向辐射功率。通信链路为了维持高数据速率同样需要足够的发射功率。当两类高功率发射机共享同一孔径时，天线阵列表面的功率密度显著升高，可能引起无源互调产物。无源互调是指由于天线内部的非线性接触或材料特性，在多个发射频率上产生不应有的混频分量。这些分量如果落在雷达接收带宽内，会直接表现为虚假目标或底噪抬高。降低无源互调需要在天线材料选择、连接器工艺与装配精度上采用更高等级的标准，这增加了制造成本。热管理方面，高功率发射带来的热量集中在阵列的有限区域。雷达发射的占空比较低但峰值功率高，产生的是短时热冲击。通信发射可能连续工作，产生的是稳态热负荷。两类热源叠加后，阵列的温度分布随时间变化，可能引起阵元间相位不一致。相位不一致会破坏波束赋形的准确性，导致雷达测角偏差与通信波束指向漂移。为此需要在天线背面集成温度传感器与主动散热结构，并根据温度反馈实时校准各通道的相位。上述多重挑战表明，毫米波雷达与大规模多输入多输出天线的一体化设计是一项从阵元布局、波束管理到前端共享与热协同的系统工程，目前业界与学术界正在通过共孔径阵列、时分波束调度以及高隔离度前端等路径探索可行方案。
