汽车毫米波雷达天线罩材料测试

张明远，宫 剑，付 靖

（国家无线电监测中心检测中心，北京 100041）

毫米波雷达因其波束窄、分辨高的能力，相比激光雷达其传播特性受气候影响小、具有全天候特性，最终成为了传感器技术中备受瞩目的关键技术。也是基于毫米波雷达的这些特性，这项技术被用在了像无人机、智能家居等领域。然而，毫米波汽车雷达的使用环境复杂，在设计时必须将各种干扰、杂波、噪声等进行考虑，也对测试测量带来了一系列的困扰。

在雷达系统中，天线罩是一个重要组成部分。理想的天线罩应能完全透过来自（或到达）天线的RF 辐射，但同时还能抵挡环境如风、雨、冰雹、雪、冰、沙尘、盐雾、雷电等的影响。实际上，这些环境因素决定天线罩的机械设计，RF 透波的要求必须折中考虑，因为机械和电气要求往往相互矛盾。

天线罩能够防止环境的影响和干扰，提高雷达系统的工作效率和可靠性，其性能直接影响到雷达系统的功能。对其材料介电特性的精确测量，准确地获得电气参数，恰当地运用这些材料是雷达系统设计的关键。

并且，雷达传感器如果在天线罩被安装之前进行校准调测，就会引入由天线罩被安装之后带来的误差。所以需要带着天线罩对雷达整体DoA（Direction of Arrival）及其误差进行测量以保证角度误差在允许范围内。

1 介电常数测试方法

由于每一种材料的性状都不相同，测试的参数、精度、频率范围、温度、成本等因素也不同，所以材料测试有很多种方法。图1为不同材料介电特性的测试方法汇总，从中可以看出自由空间法适合用于汽车雷达天线罩材料介电常数的测试。自由空间法本质上还是传输线的方法，只是通过收发天线将闭合的空气线或直波导进行了外延。该法可以对材料进行非破坏性测试。要求样品大而平整且均匀，并适合于高频、高温、非接触测试。

图1 材料介电特性的测试方法汇总

图2 为测试系统示意图，网络分析仪和毫米波扩频头构成可以覆盖DC-110 GHz 的扩频系统，连接两个W 波段喇叭天线可以测量夹具中放置的材料样品的S 参数，基于S 参数和材料厚度可以计算出材料的介电常数。测量频率范围为75-110 GHz。

图2 雷达天线罩材料测试系统示意图

第一步，系统的校准。为了精确测量材料样品的S 参数，从而精确计算材料的介电常数，需要对系统进行校准，使测量端面位于被测材料样品的两侧。Keysight N1500A 材料测试软件使用两级校准的方法测量材料特性。第一级是喇叭天线波导端面的波导校准，在毫米波网络分析仪的扩频头波导端面，使用网络分析仪自带的校准向导做W 波段的TRL（Thru-Ref lect-Line）校准。校准步骤是端口1、端口2分别连短路件；端口1、2直连；端口1、2连接四分之一波长延迟线。图3为直连步骤。

图3 系统校准第一级波导校准-直连

第二步，取得较好的波导校准S11和S21的值后就可以进行下一级校准，材料样品端面的GRL（Gated Ref lect Line）校准。首先接上喇叭天线，进行空间校准，测量S33和S23，S23曲线转换成时域波形，peaksearch 之后，使用夹具在中间放上金属板，S33也进行时域变换，调整金属板的左右位置，使得S33peak 点与S23时间相同，表示金属板已经调至两个喇叭天线的正中间，如图4所示。

通过S33找到并记录peak 点两边的低点，图4中的marker2，marker3点时间值，启动N1500A 材料测试软件进行GRL 的校准，

分别设置好金属板和测试材料的厚度值，启动测量。

图4 时域变换校准中间位置

去掉金属板，测量空气介电常数作为对校准结果的验证，由图5可知空气的介电常数为1，与实际值一致（空气的介电常数为1）。之后可以放入被测材料样品，测量其介电常数，如图6、图7所示，测量到的介电常数在77 GHz 为2.56。

这里测量的介电常数实际上是复数介电常数的实部即εr'，虚部损耗因子εr''仍然可以通过材料测试软件损耗正切（Loss Tangent）测试换算。但是自由空间法的原理决定了它难以测量低损材料的损耗正切，更合适的方法是用谐振腔法（把材料样品放置到一个谐振腔里测量谐振频率的变化，从而推导出材料的损耗正切），本文不做详细介绍。

图5 空气介电常数

图6 天线罩材料介电常数测量图

图7 天线罩介电常数结果图

2 材料夹具和测试平台

材料夹具由准光学平台、扩频头基座、样品台（sample holder）三部分组成。准光学平台提供了整个测试平台的基座，并安装有导轨，方便扩频头基座、样品台滑动；扩频头基座提供电动调节X/ Y/Z 三个方向每个方向20 mm 的移动，通过和创科技的MMA 软件可控制每个方向的移动，移动精度可达到0.01 mm，机械方面，匹配是德科技的N5293AX03，同时通过搭配不同的转接安装板兼容VDI/OML 扩频模块，在扩频头基座两端均设有吸波材料，可有效降低测试环境中的噪声。

样品台提供了固定样品、测量样品厚度的功能，通过将材料放置到样品台的夹持装置中，数显游标卡尺通过一个联动机构在样品夹稳的状态下可同时测量到样品厚度，并且可将数据发送到MMA 软件中，如图8所示。

图8 和创联合科技MMA软件

3 天线罩DOA 误差测试

除了最简单的雷达之外几乎所有的雷达都需要一个以上的接收机通道，如图9所示。相同的通道可以根据雷达系统的需要进行任意数量的复制。通过毫米波雷达的发射天线发射出毫米波后，遇到被监测物体，反射回来，通过毫米波雷达多个并列的接收天线，收到同一监测目标反射回来的毫米波的相位差，就可以计算出被监测目标的方位角，原理图如图10所示。雷达芯片数字信号处理部分执行了这个计算任务。方位角αAZ 是通过毫米波雷达接收天线RX1和接收天线RX2之间的几何距离d，以及两根毫米波雷达天线所收到反射回波的相位差b，然后通过三角函数计算得到方位角αAZ 的值，这样就可以知道被监测目标的方位角DoA 了。

图9 英飞凌76/77GHz毫米波雷达MMIC系统框图

图10 方位角计算原理

如图11所示，由于汽车雷达前端加了天线罩，电磁波不再是直接通过自由空间入射到天线阵列上，在天线罩介质的作用下，电磁波的相位和幅度在每个天线的等效口径面上都将发生畸变，估计出来的目标方向不再是自由空间中的真实信号的来波方向，而是经过天线罩调制以后的来波方向，如果仍用无天线罩时的信号模型，而不加校正，估计出来的信号到达角将会有较大误差。这就需要测量研究天线罩对DOA估计性能的影响，使得误差在可接受的范围内。测量可以在一个满足远场测量条件的微波暗室里进行，将被测物放置于转台上，在转台的不同水平或俯仰角度下，测量方向角信息。按照需求将被测雷达及其天线罩间隔一定的距离或者调整不同的倾角，对比与不加天线罩的情况下的方位角信息，即可得到差值信息，如图12 ～14所示。

图11 波穿过介质层后方向发生变化

图12 不同水平方向下的方向角

图13 不同水平方向下的方向角误差

图14 归一化的方位角误差图

4 结束语

随着汽车市场需求及技术进步，车载毫米波雷达进入蓬勃发展时期，特别是77GHz-81GHz 毫米波雷达，该频段带宽更大、功率水平更高、探测距离更远。但是在越来越多的需求下，天线罩的材料、位置、涂料等也同时发生着越来越多的改变，天线罩材料的介电常数测试和角度误差测试，可以帮助雷达系统更正确的判断和决策，保证驾驶过程的安全性和舒适性，减少事故发生几率。