張明遠(yuǎn)，宮 劍，付 靖

（國(guó)家無線電監(jiān)測(cè)中心檢測(cè)中心，北京 100041）

毫米波雷達(dá)因其波束窄、分辨高的能力，相比激光雷達(dá)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(shù)中備受矚目的關(guān)鍵技術(shù)。也是基于毫米波雷達(dá)的這些特性，這項(xiàng)技術(shù)被用在了像無人機(jī)、智能家居等領(lǐng)域。然而，毫米波汽車?yán)走_(dá)的使用環(huán)境復(fù)雜，在設(shè)計(jì)時(shí)必須將各種干擾、雜波、噪聲等進(jìn)行考慮，也對(duì)測(cè)試測(cè)量帶來了一系列的困擾。

在雷達(dá)系統(tǒng)中，天線罩是一個(gè)重要組成部分。理想的天線罩應(yīng)能完全透過來自（或到達(dá)）天線的RF 輻射，但同時(shí)還能抵擋環(huán)境如風(fēng)、雨、冰雹、雪、冰、沙塵、鹽霧、雷電等的影響。實(shí)際上，這些環(huán)境因素決定天線罩的機(jī)械設(shè)計(jì)，RF 透波的要求必須折中考慮，因?yàn)闄C(jī)械和電氣要求往往相互矛盾。

天線罩能夠防止環(huán)境的影響和干擾，提高雷達(dá)系統(tǒng)的工作效率和可靠性，其性能直接影響到雷達(dá)系統(tǒng)的功能。對(duì)其材料介電特性的精確測(cè)量，準(zhǔn)確地獲得電氣參數(shù)，恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用這些材料是雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

并且，雷達(dá)傳感器如果在天線罩被安裝之前進(jìn)行校準(zhǔn)調(diào)測(cè)，就會(huì)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(duì)雷達(dá)整體DoA（Direction of Arrival）及其誤差進(jìn)行測(cè)量以保證角度誤差在允許范圍內(nèi)。

1 介電常數(shù)測(cè)試方法

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

圖1 材料介電特性的測(cè)試方法匯總

圖2 為測(cè)試系統(tǒng)示意圖，網(wǎng)絡(luò)分析儀和毫米波擴(kuò)頻頭構(gòu)成可以覆蓋DC-110 GHz 的擴(kuò)頻系統(tǒng)，連接兩個(gè)W 波段喇叭天線可以測(cè)量夾具中放置的材料樣品的S 參數(shù)，基于S 參數(shù)和材料厚度可以計(jì)算出材料的介電常數(shù)。測(cè)量頻率范圍為75-110 GHz。

圖2 雷達(dá)天線罩材料測(cè)試系統(tǒng)示意圖

第一步，系統(tǒng)的校準(zhǔn)。為了精確測(cè)量材料樣品的S 參數(shù)，從而精確計(jì)算材料的介電常數(shù)，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，使測(cè)量端面位于被測(cè)材料樣品的兩側(cè)。Keysight N1500A 材料測(cè)試軟件使用兩級(jí)校準(zhǔn)的方法測(cè)量材料特性。第一級(jí)是喇叭天線波導(dǎo)端面的波導(dǎo)校準(zhǔn)，在毫米波網(wǎng)絡(luò)分析儀的擴(kuò)頻頭波導(dǎo)端面，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀自帶的校準(zhǔn)向?qū)ё鯳 波段的TRL（Thru-Ref lect-Line）校準(zhǔn)。校準(zhǔn)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(zhǎng)延遲線。圖3為直連步驟。

圖3 系統(tǒng)校準(zhǔn)第一級(jí)波導(dǎo)校準(zhǔn)-直連

第二步，取得較好的波導(dǎo)校準(zhǔn)S11和S21的值后就可以進(jìn)行下一級(jí)校準(zhǔn)，材料樣品端面的GRL（Gated Ref lect Line）校準(zhǔn)。首先接上喇叭天線，進(jìn)行空間校準(zhǔn)，測(cè)量S33和S23，S23曲線轉(zhuǎn)換成時(shí)域波形，peaksearch 之后，使用夾具在中間放上金屬板，S33也進(jìn)行時(shí)域變換，調(diào)整金屬板的左右位置，使得S33peak 點(diǎn)與S23時(shí)間相同，表示金屬板已經(jīng)調(diào)至兩個(gè)喇叭天線的正中間，如圖4所示。

通過S33找到并記錄peak 點(diǎn)兩邊的低點(diǎn)，圖4中的marker2，marker3點(diǎn)時(shí)間值，啟動(dòng)N1500A 材料測(cè)試軟件進(jìn)行GRL 的校準(zhǔn)，

分別設(shè)置好金屬板和測(cè)試材料的厚度值，啟動(dòng)測(cè)量。

圖4 時(shí)域變換校準(zhǔn)中間位置

去掉金屬板，測(cè)量空氣介電常數(shù)作為對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的驗(yàn)證，由圖5可知空氣的介電常數(shù)為1，與實(shí)際值一致（空氣的介電常數(shù)為1）。之后可以放入被測(cè)材料樣品，測(cè)量其介電常數(shù)，如圖6、圖7所示，測(cè)量到的介電常數(shù)在77 GHz 為2.56。

這里測(cè)量的介電常數(shù)實(shí)際上是復(fù)數(shù)介電常數(shù)的實(shí)部即εr'，虛部損耗因子εr''仍然可以通過材料測(cè)試軟件損耗正切（Loss Tangent）測(cè)試換算。但是自由空間法的原理決定了它難以測(cè)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(gè)諧振腔里測(cè)量諧振頻率的變化，從而推導(dǎo)出材料的損耗正切），本文不做詳細(xì)介紹。

圖5 空氣介電常數(shù)

圖6 天線罩材料介電常數(shù)測(cè)量圖

圖7 天線罩介電常數(shù)結(jié)果圖

2 材料夾具和測(cè)試平臺(tái)

材料夾具由準(zhǔn)光學(xué)平臺(tái)、擴(kuò)頻頭基座、樣品臺(tái)（sample holder）三部分組成。準(zhǔn)光學(xué)平臺(tái)提供了整個(gè)測(cè)試平臺(tái)的基座，并安裝有導(dǎo)軌，方便擴(kuò)頻頭基座、樣品臺(tái)滑動(dòng)；擴(kuò)頻頭基座提供電動(dòng)調(diào)節(jié)X/ Y/Z 三個(gè)方向每個(gè)方向20 mm 的移動(dòng)，通過和創(chuàng)科技的MMA 軟件可控制每個(gè)方向的移動(dòng)，移動(dòng)精度可達(dá)到0.01 mm，機(jī)械方面，匹配是德科技的N5293AX03，同時(shí)通過搭配不同的轉(zhuǎn)接安裝板兼容VDI/OML 擴(kuò)頻模塊，在擴(kuò)頻頭基座兩端均設(shè)有吸波材料，可有效降低測(cè)試環(huán)境中的噪聲。

樣品臺(tái)提供了固定樣品、測(cè)量樣品厚度的功能，通過將材料放置到樣品臺(tái)的夾持裝置中，數(shù)顯游標(biāo)卡尺通過一個(gè)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)在樣品夾穩(wěn)的狀態(tài)下可同時(shí)測(cè)量到樣品厚度，并且可將數(shù)據(jù)發(fā)送到MMA 軟件中，如圖8所示。

圖8 和創(chuàng)聯(lián)合科技MMA軟件

3 天線罩DOA 誤差測(cè)試

除了最簡(jiǎn)單的雷達(dá)之外幾乎所有的雷達(dá)都需要一個(gè)以上的接收機(jī)通道，如圖9所示。相同的通道可以根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)的需要進(jìn)行任意數(shù)量的復(fù)制。通過毫米波雷達(dá)的發(fā)射天線發(fā)射出毫米波后，遇到被監(jiān)測(cè)物體，反射回來，通過毫米波雷達(dá)多個(gè)并列的接收天線，收到同一監(jiān)測(cè)目標(biāo)反射回來的毫米波的相位差，就可以計(jì)算出被監(jiān)測(cè)目標(biāo)的方位角，原理圖如圖10所示。雷達(dá)芯片數(shù)字信號(hào)處理部分執(zhí)行了這個(gè)計(jì)算任務(wù)。方位角αAZ 是通過毫米波雷達(dá)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(dá)天線所收到反射回波的相位差b，然后通過三角函數(shù)計(jì)算得到方位角αAZ 的值，這樣就可以知道被監(jiān)測(cè)目標(biāo)的方位角DoA 了。

圖9 英飛凌76/77GHz毫米波雷達(dá)MMIC系統(tǒng)框圖

圖10 方位角計(jì)算原理

如圖11所示，由于汽車?yán)走_(dá)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(zhì)的作用下，電磁波的相位和幅度在每個(gè)天線的等效口徑面上都將發(fā)生畸變，估計(jì)出來的目標(biāo)方向不再是自由空間中的真實(shí)信號(hào)的來波方向，而是經(jīng)過天線罩調(diào)制以后的來波方向，如果仍用無天線罩時(shí)的信號(hào)模型，而不加校正，估計(jì)出來的信號(hào)到達(dá)角將會(huì)有較大誤差。這就需要測(cè)量研究天線罩對(duì)DOA估計(jì)性能的影響，使得誤差在可接受的范圍內(nèi)。測(cè)量可以在一個(gè)滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量條件的微波暗室里進(jìn)行，將被測(cè)物放置于轉(zhuǎn)臺(tái)上，在轉(zhuǎn)臺(tái)的不同水平或俯仰角度下，測(cè)量方向角信息。按照需求將被測(cè)雷達(dá)及其天線罩間隔一定的距離或者調(diào)整不同的傾角，對(duì)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(zhì)層后方向發(fā)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(jié)束語

隨著汽車市場(chǎng)需求及技術(shù)進(jìn)步，車載毫米波雷達(dá)進(jìn)入蓬勃發(fā)展時(shí)期，特別是77GHz-81GHz 毫米波雷達(dá)，該頻段帶寬更大、功率水平更高、探測(cè)距離更遠(yuǎn)。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(shí)發(fā)生著越來越多的改變，天線罩材料的介電常數(shù)測(cè)試和角度誤差測(cè)試，可以幫助雷達(dá)系統(tǒng)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(fā)生幾率。