汽車毫米波雷達天線罩材料測試

張明遠，宮 劍，付 靖

（國家無線電監測中心檢測中心，北京 100041）

毫米波雷達因其波束窄、分辨高的能力，相比激光雷達其傳播特性受氣候影響小、具有全天候特性，最終成為了傳感器技術中備受矚目的關鍵技術。也是基于毫米波雷達的這些特性，這項技術被用在了像無人機、智能家居等領域。然而，毫米波汽車雷達的使用環境復雜，在設計時必須將各種干擾、雜波、噪聲等進行考慮，也對測試測量帶來了一系列的困擾。

在雷達系統中，天線罩是一個重要組成部分。理想的天線罩應能完全透過來自（或到達）天線的RF 輻射，但同時還能抵擋環境如風、雨、冰雹、雪、冰、沙塵、鹽霧、雷電等的影響。實際上，這些環境因素決定天線罩的機械設計，RF 透波的要求必須折中考慮，因為機械和電氣要求往往相互矛盾。

天線罩能夠防止環境的影響和干擾，提高雷達系統的工作效率和可靠性，其性能直接影響到雷達系統的功能。對其材料介電特性的精確測量，準確地獲得電氣參數，恰當地運用這些材料是雷達系統設計的關鍵。

并且，雷達傳感器如果在天線罩被安裝之前進行校準調測，就會引入由天線罩被安裝之后帶來的誤差。所以需要帶著天線罩對雷達整體DoA（Direction of Arrival）及其誤差進行測量以保證角度誤差在允許范圍內。

1 介電常數測試方法

由于每一種材料的性狀都不相同，測試的參數、精度、頻率范圍、溫度、成本等因素也不同，所以材料測試有很多種方法。圖1為不同材料介電特性的測試方法匯總，從中可以看出自由空間法適合用于汽車雷達天線罩材料介電常數的測試。自由空間法本質上還是傳輸線的方法，只是通過收發天線將閉合的空氣線或直波導進行了外延。該法可以對材料進行非破壞性測試。要求樣品大而平整且均勻，并適合于高頻、高溫、非接觸測試。

圖1 材料介電特性的測試方法匯總

圖2 為測試系統示意圖，網絡分析儀和毫米波擴頻頭構成可以覆蓋DC-110 GHz 的擴頻系統，連接兩個W 波段喇叭天線可以測量夾具中放置的材料樣品的S 參數，基于S 參數和材料厚度可以計算出材料的介電常數。測量頻率范圍為75-110 GHz。

圖2 雷達天線罩材料測試系統示意圖

第一步，系統的校準。為了精確測量材料樣品的S 參數，從而精確計算材料的介電常數，需要對系統進行校準，使測量端面位于被測材料樣品的兩側。Keysight N1500A 材料測試軟件使用兩級校準的方法測量材料特性。第一級是喇叭天線波導端面的波導校準，在毫米波網絡分析儀的擴頻頭波導端面，使用網絡分析儀自帶的校準向導做W 波段的TRL（Thru-Ref lect-Line）校準。校準步驟是端口1、端口2分別連短路件；端口1、2直連；端口1、2連接四分之一波長延遲線。圖3為直連步驟。

圖3 系統校準第一級波導校準-直連

第二步，取得較好的波導校準S11和S21的值后就可以進行下一級校準，材料樣品端面的GRL（Gated Ref lect Line）校準。首先接上喇叭天線，進行空間校準，測量S33和S23，S23曲線轉換成時域波形，peaksearch 之后，使用夾具在中間放上金屬板，S33也進行時域變換，調整金屬板的左右位置，使得S33peak 點與S23時間相同，表示金屬板已經調至兩個喇叭天線的正中間，如圖4所示。

通過S33找到并記錄peak 點兩邊的低點，圖4中的marker2，marker3點時間值，啟動N1500A 材料測試軟件進行GRL 的校準，

分別設置好金屬板和測試材料的厚度值，啟動測量。

圖4 時域變換校準中間位置

去掉金屬板，測量空氣介電常數作為對校準結果的驗證，由圖5可知空氣的介電常數為1，與實際值一致（空氣的介電常數為1）。之后可以放入被測材料樣品，測量其介電常數，如圖6、圖7所示，測量到的介電常數在77 GHz 為2.56。

這里測量的介電常數實際上是復數介電常數的實部即εr'，虛部損耗因子εr''仍然可以通過材料測試軟件損耗正切（Loss Tangent）測試換算。但是自由空間法的原理決定了它難以測量低損材料的損耗正切，更合適的方法是用諧振腔法（把材料樣品放置到一個諧振腔里測量諧振頻率的變化，從而推導出材料的損耗正切），本文不做詳細介紹。

圖5 空氣介電常數

圖6 天線罩材料介電常數測量圖

圖7 天線罩介電常數結果圖

2 材料夾具和測試平臺

材料夾具由準光學平臺、擴頻頭基座、樣品臺（sample holder）三部分組成。準光學平臺提供了整個測試平臺的基座，并安裝有導軌，方便擴頻頭基座、樣品臺滑動；擴頻頭基座提供電動調節X/ Y/Z 三個方向每個方向20 mm 的移動，通過和創科技的MMA 軟件可控制每個方向的移動，移動精度可達到0.01 mm，機械方面，匹配是德科技的N5293AX03，同時通過搭配不同的轉接安裝板兼容VDI/OML 擴頻模塊，在擴頻頭基座兩端均設有吸波材料，可有效降低測試環境中的噪聲。

樣品臺提供了固定樣品、測量樣品厚度的功能，通過將材料放置到樣品臺的夾持裝置中，數顯游標卡尺通過一個聯動機構在樣品夾穩的狀態下可同時測量到樣品厚度，并且可將數據發送到MMA 軟件中，如圖8所示。

圖8 和創聯合科技MMA軟件

3 天線罩DOA 誤差測試

除了最簡單的雷達之外幾乎所有的雷達都需要一個以上的接收機通道，如圖9所示。相同的通道可以根據雷達系統的需要進行任意數量的復制。通過毫米波雷達的發射天線發射出毫米波后，遇到被監測物體，反射回來，通過毫米波雷達多個并列的接收天線，收到同一監測目標反射回來的毫米波的相位差，就可以計算出被監測目標的方位角，原理圖如圖10所示。雷達芯片數字信號處理部分執行了這個計算任務。方位角αAZ 是通過毫米波雷達接收天線RX1和接收天線RX2之間的幾何距離d，以及兩根毫米波雷達天線所收到反射回波的相位差b，然后通過三角函數計算得到方位角αAZ 的值，這樣就可以知道被監測目標的方位角DoA 了。

圖9 英飛凌76/77GHz毫米波雷達MMIC系統框圖

圖10 方位角計算原理

如圖11所示，由于汽車雷達前端加了天線罩，電磁波不再是直接通過自由空間入射到天線陣列上，在天線罩介質的作用下，電磁波的相位和幅度在每個天線的等效口徑面上都將發生畸變，估計出來的目標方向不再是自由空間中的真實信號的來波方向，而是經過天線罩調制以后的來波方向，如果仍用無天線罩時的信號模型，而不加校正，估計出來的信號到達角將會有較大誤差。這就需要測量研究天線罩對DOA估計性能的影響，使得誤差在可接受的范圍內。測量可以在一個滿足遠場測量條件的微波暗室里進行，將被測物放置于轉臺上，在轉臺的不同水平或俯仰角度下，測量方向角信息。按照需求將被測雷達及其天線罩間隔一定的距離或者調整不同的傾角，對比與不加天線罩的情況下的方位角信息，即可得到差值信息，如圖12 ～14所示。

圖11 波穿過介質層后方向發生變化

圖12 不同水平方向下的方向角

圖13 不同水平方向下的方向角誤差

圖14 歸一化的方位角誤差圖

4 結束語

隨著汽車市場需求及技術進步，車載毫米波雷達進入蓬勃發展時期，特別是77GHz-81GHz 毫米波雷達，該頻段帶寬更大、功率水平更高、探測距離更遠。但是在越來越多的需求下，天線罩的材料、位置、涂料等也同時發生著越來越多的改變，天線罩材料的介電常數測試和角度誤差測試，可以幫助雷達系統更正確的判斷和決策，保證駕駛過程的安全性和舒適性，減少事故發生幾率。