创新的“天线罩”测试技术提升汽车雷达系统性能

据麦姆斯咨询报道，汽车行业正在竞相为车辆提供更多的高级驾驶辅助系统（ADAS）功能，例如自适应巡航控制（ACC）、紧急制动辅助（EBA）和车道保持辅助（LKA）。为了给车辆提供环境感知必需的信息，这些系统日益复杂化，反过来又推动了对车载雷达系统的需求。

雷达如何实现环境感知？汽车雷达系统的工作原理是发射连续的高频信号，然后测量其反射信号的传播延迟和多普勒频移，这样可以计算车辆与其他物体之间的距离及其径向速度。带有阵列天线的高级雷达系统还可以测量车辆行驶路径与检测物体之间的方位角（水平面的角度）和仰角（垂直面的角度）。

汽车雷达系统工作的准确性和可靠性很重要，因为车辆的控制系统需要根据它们提供的数据来了解车身周围环境并做出实时的操纵决策。错误的数据将导致致命的决策。例如，如果在两辆车相距100米时，雷达系统的角度测量误差为1度，那么当它们靠近时彼此的距离或间隔的误差就有1.5米。这个距离误差足以影响这两辆车是能够安全驶过他们的车道，还是不幸地迎面相撞。

麻烦的雷达“天线罩”

雷达传感器通常隐藏在车辆散热器格栅上的品牌标志或其保险杠后面。这主要出于美观考虑，不过代价是在雷达信号传播的路径中引入了衰减材料。这些标志或保险杠将成为雷达传感器的“穹顶”或“天线罩”，成为其射频（RF）系统的一部分，它们会改变传输信号，在某种程度上可能影响雷达的探测性能和准确性。

这会产生什么影响呢？根据平方反比定律，雷达发射信号的功率随目标距离r的平方而线性衰减，这意味着雷达传感器接收的反射信号的功率将是其发射功率的1/r4。例如，如果一个输出功率为3W和天线增益为25dBi的77GHz雷达，要能够探测的雷达截面积为10m2且最小信号为-90dBm的目标，那么它的最大雷达探测距离将为109.4m。但是如果增加了天线罩，会导致双向衰减3dB，那么雷达的探测距离会减少16%，实际值仅为92.1m，比没有天线罩时少了几个车长。

天线罩还产生了其他的问题。在基材与雷达信号之间可能产生射频失配。通常塑料制品的材料特性不均匀，这会导致不可预测的信号失真。光洁的金属表面引起的射频散射也会产生类似的影响。由此产生的干扰信号会降低雷达接收器的探测灵敏度。解决这些问题的方法之一是安装天线罩，使发射的雷达信号不会直接反射回接收器。但是，这种方法受到车辆设计的限制，并且不能消除寄生反射的问题。

通过校准提高系统性能

雷达系统设计人员面临的挑战是，尽管他们的系统存在多种不确定性，雷达的性能都必须要达到一定的水平。任何可减少系统不确定性因素的方法，都将有助于更容易达到性能要求。

例如，雷达传感器制造商可以对其产品进行校准。然而，RF系统设计人员知道，制造商无法预测他们的传感器将安装在哪种天线罩下，用的什么涂漆工艺以及它的材料特性变化。所以，传感器的校准只是解决方案的一部分，以达到必要的系统性能。

让性能更加确定的另一个步骤是为天线罩供应商测试和验证其产品的属性，以便让雷达系统设计人员知道他们使用的是怎样的天线罩。但是，在车辆生产线上测试和调整每种天线罩的性能的替代方案成本太过昂贵。

因此，天线罩供应商需要对他们的产品做详细且可靠的生产级测试。他们通常使用参考雷达系统来测试他们的产品，该参考雷达是由多个雷达反射器组成的固定装置。在有和无天线罩两种状态下，在各种距离和角度下进行对比测量，并创建参考规范。当天线罩的测量值在参考测量值规定的公差范围内时，天线罩便通过测试。

还有一种更精细的测试方法，将雷达和天线罩固定在转盘上并正对一个反射器，然后旋转进行各种角度的测量。这种方法可以创建更详细的参考测量集，但是这种方法太慢，不适合生产测试。

更好的天线罩测试仪

鉴于雷达系统的性能在汽车系统中的重要性日益增加，在生产过程中测试汽车雷达天线罩的任何方法都需要在几秒钟而不是几分钟内完成。为了解决整个汽车业共同的难题，一种创新的使用数百个雷达发射和接收天线阵列的测试解决方案应运而生，该方案由罗德与施瓦茨公司（简称R&S公司）开发。它相比使用商业雷达解决方案的基于转盘的方法，可提供更高的测量分辨率。

该测试仪提供可靠的测试数据，其成本和测试速度非常实用，适用于生产环境。利用这种方法可以直观的观察天线罩对测试信号的影响。还可以分析所得到的图像以提取质量参数，然后将其处理成简单的通过/失败标准。

图1：汽车雷达天线罩测试仪（R&S QAR），提供一种快速测试复杂射频部件通过/失败的方法

图2：在测试天线罩的表面上方仅突出0.5 mm的R&S公司标志，在77GHz出现失配

图3：左图显示了测试天线罩的非均匀反射图像，右图显示了它的单向衰减

测试仪还可以评估透射率，确定材料的频率匹配和衰减，因此确认其在特定频率下的适用性。经校准的发射单元位于被测部件后面（图1），按选定的频率范围进行扫描，天线阵列接收信号，能够精确评估天线罩的发射频率响应。此频率响应还显示了被测天线罩在预期工作频率下与雷达信号的射频匹配的程度。

确保安全关键数据的准确性和可靠性

自动驾驶辅助系统要能够精确地感知周围环境，必须从多个雷达系统获取高质量和可靠的数据。不过由于雷达天线罩会在雷达射频信号传播路径中引入不确定因素，将破坏这些数据的质量和可靠性。但是，在车辆生产线上检查和调整雷达天线罩的性能过于复杂、昂贵且耗时，制造商将不得不将天线罩作为独立部件来测试和验证其射频性能。

对于汽车制造商来说，更多的测试意味着更高的成本和更低的生产率，但对于天线罩供应商来说，它们代表了机会。他们可以自己测试需要的部件。这不仅提高了他们自己的质量标准，还使他们能够通过提供具有测量数据的特定附加服务来增加客户的忠诚度。另一方面，汽车制造商有了这些测量数据，可以精确地定位和鉴别各种材料的问题，比如影响雷达性能的任何材料错误或不均性问题，有利于为汽车开发性能更准确和更可靠的雷达系统。