麻煩的雷達“天線罩”，通過校準提高系統(tǒng)性能

據(jù)麥姆斯咨詢報道，汽車行業(yè)正在競相為車輛提供更多的高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）功能，例如自適應(yīng)巡航控制（ACC）、緊急制動輔助（EBA）和車道保持輔助（LKA）。為了給車輛提供環(huán)境感知必需的信息，這些系統(tǒng)日益復(fù)雜化，反過來又推動了對車載雷達系統(tǒng)的需求。

雷達如何實現(xiàn)環(huán)境感知？汽車雷達系統(tǒng)的工作原理是發(fā)射連續(xù)的高頻信號，然后測量其反射信號的傳播延遲和多普勒頻移，這樣可以計算車輛與其他物體之間的距離及其徑向速度。帶有陣列天線的高級雷達系統(tǒng)還可以測量車輛行駛路徑與檢測物體之間的方位角（水平面的角度）和仰角（垂直面的角度）。

汽車雷達系統(tǒng)工作的準確性和可靠性很重要，因為車輛的控制系統(tǒng)需要根據(jù)它們提供的數(shù)據(jù)來了解車身周圍環(huán)境并做出實時的操縱決策。錯誤的數(shù)據(jù)將導(dǎo)致致命的決策。例如，如果在兩輛車相距100米時，雷達系統(tǒng)的角度測量誤差為1度，那么當它們靠近時彼此的距離或間隔的誤差就有1.5米。這個距離誤差足以影響這兩輛車是能夠安全駛過他們的車道，還是不幸地迎面相撞。

麻煩的雷達“天線罩”

雷達傳感器通常隱藏在車輛散熱器格柵上的品牌標志或其保險杠后面。這主要出于美觀考慮，不過代價是在雷達信號傳播的路徑中引入了衰減材料。這些標志或保險杠將成為雷達傳感器的“穹頂”或“天線罩”，成為其射頻（RF）系統(tǒng)的一部分，它們會改變傳輸信號，在某種程度上可能影響雷達的探測性能和準確性。

這會產(chǎn)生什么影響呢？根據(jù)平方反比定律，雷達發(fā)射信號的功率隨目標距離r的平方而線性衰減，這意味著雷達傳感器接收的反射信號的功率將是其發(fā)射功率的1/r4。例如，如果一個輸出功率為3W和天線增益為25dBi的77GHz雷達，要能夠探測的雷達截面積為10m2且最小信號為-90dBm的目標，那么它的最大雷達探測距離將為109.4m。但是如果增加了天線罩，會導(dǎo)致雙向衰減3dB，那么雷達的探測距離會減少16%，實際值僅為92.1m，比沒有天線罩時少了幾個車長。

天線罩還產(chǎn)生了其他的問題。在基材與雷達信號之間可能產(chǎn)生射頻失配。通常塑料制品的材料特性不均勻，這會導(dǎo)致不可預(yù)測的信號失真。光潔的金屬表面引起的射頻散射也會產(chǎn)生類似的影響。由此產(chǎn)生的干擾信號會降低雷達接收器的探測靈敏度。解決這些問題的方法之一是安裝天線罩，使發(fā)射的雷達信號不會直接反射回接收器。但是，這種方法受到車輛設(shè)計的限制，并且不能消除寄生反射的問題。

通過校準提高系統(tǒng)性能

雷達系統(tǒng)設(shè)計人員面臨的挑戰(zhàn)是，盡管他們的系統(tǒng)存在多種不確定性，雷達的性能都必須要達到一定的水平。任何可減少系統(tǒng)不確定性因素的方法，都將有助于更容易達到性能要求。

例如，雷達傳感器制造商可以對其產(chǎn)品進行校準。然而，RF系統(tǒng)設(shè)計人員知道，制造商無法預(yù)測他們的傳感器將安裝在哪種天線罩下，用的什么涂漆工藝以及它的材料特性變化。所以，傳感器的校準只是解決方案的一部分，以達到必要的系統(tǒng)性能。

讓性能更加確定的另一個步驟是為天線罩供應(yīng)商測試和驗證其產(chǎn)品的屬性，以便讓雷達系統(tǒng)設(shè)計人員知道他們使用的是怎樣的天線罩。但是，在車輛生產(chǎn)線上測試和調(diào)整每種天線罩的性能的替代方案成本太過昂貴。

因此，天線罩供應(yīng)商需要對他們的產(chǎn)品做詳細且可靠的生產(chǎn)級測試。他們通常使用參考雷達系統(tǒng)來測試他們的產(chǎn)品，該參考雷達是由多個雷達反射器組成的固定裝置。在有和無天線罩兩種狀態(tài)下，在各種距離和角度下進行對比測量，并創(chuàng)建參考規(guī)范。當天線罩的測量值在參考測量值規(guī)定的公差范圍內(nèi)時，天線罩便通過測試。

還有一種更精細的測試方法，將雷達和天線罩固定在轉(zhuǎn)盤上并正對一個反射器，然后旋轉(zhuǎn)進行各種角度的測量。這種方法可以創(chuàng)建更詳細的參考測量集，但是這種方法太慢，不適合生產(chǎn)測試。

更好的天線罩測試儀

鑒于雷達系統(tǒng)的性能在汽車系統(tǒng)中的重要性日益增加，在生產(chǎn)過程中測試汽車雷達天線罩的任何方法都需要在幾秒鐘而不是幾分鐘內(nèi)完成。為了解決整個汽車業(yè)共同的難題，一種創(chuàng)新的使用數(shù)百個雷達發(fā)射和接收天線陣列的測試解決方案應(yīng)運而生，該方案由羅德與施瓦茨公司（簡稱R&S公司）開發(fā)。它相比使用商業(yè)雷達解決方案的基于轉(zhuǎn)盤的方法，可提供更高的測量分辨率。

該測試儀提供可靠的測試數(shù)據(jù)，其成本和測試速度非常實用，適用于生產(chǎn)環(huán)境。利用這種方法可以直觀的觀察天線罩對測試信號的影響。還可以分析所得到的圖像以提取質(zhì)量參數(shù)，然后將其處理成簡單的通過/失敗標準。

圖1：汽車雷達天線罩測試儀（R&S?QAR），提供一種快速測試復(fù)雜射頻部件通過/失敗的方法

圖2：在測試天線罩的表面上方僅突出0.5 mm的R&S公司標志，在77GHz出現(xiàn)失配

圖3：左圖顯示了測試天線罩的非均勻反射圖像，右圖顯示了它的單向衰減

測試儀還可以評估透射率，確定材料的頻率匹配和衰減，因此確認其在特定頻率下的適用性。經(jīng)校準的發(fā)射單元位于被測部件后面（圖1），按選定的頻率范圍進行掃描，天線陣列接收信號，能夠精確評估天線罩的發(fā)射頻率響應(yīng)。此頻率響應(yīng)還顯示了被測天線罩在預(yù)期工作頻率下與雷達信號的射頻匹配的程度。

確保安全關(guān)鍵數(shù)據(jù)的準確性和可靠性

自動駕駛輔助系統(tǒng)要能夠精確地感知周圍環(huán)境，必須從多個雷達系統(tǒng)獲取高質(zhì)量和可靠的數(shù)據(jù)。不過由于雷達天線罩會在雷達射頻信號傳播路徑中引入不確定因素，將破壞這些數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性。但是，在車輛生產(chǎn)線上檢查和調(diào)整雷達天線罩的性能過于復(fù)雜、昂貴且耗時，制造商將不得不將天線罩作為獨立部件來測試和驗證其射頻性能。

對于汽車制造商來說，更多的測試意味著更高的成本和更低的生產(chǎn)率，但對于天線罩供應(yīng)商來說，它們代表了機會。他們可以自己測試需要的部件。這不僅提高了他們自己的質(zhì)量標準，還使他們能夠通過提供具有測量數(shù)據(jù)的特定附加服務(wù)來增加客戶的忠誠度。另一方面，汽車制造商有了這些測量數(shù)據(jù)，可以精確地定位和鑒別各種材料的問題，比如影響雷達性能的任何材料錯誤或不均性問題，有利于為汽車開發(fā)性能更準確和更可靠的雷達系統(tǒng)。