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[导读]出于美观考虑,雷达系统不是安装在车辆的显眼处。通常,它们隐藏在散热器格栅上的品牌徽标后面以及前、后塑料保险杠后面。这些徽标和保险杠就成了雷达天线罩。作为天线罩,必须对它们的射频性能进行评估,它们会影响隐藏在它们后面的雷达的探测性能和准确性

车辆制造是德国的创新驱动力 - 根据Fraunhofer研究所和欧洲经济研究中心(ZEW)的报告INNOVATIONEN IN DER DEUTSCHEN WIRTSCHAFT[德国经济创新],仅2016年德国就在该领域投资了524亿欧元,且呈上升趋势。各项投资的重点是自动驾驶。该领域的新发展意味着持续的工艺改进,涉及到的不仅有汽车制造商。整个汽车电子供应链必须适应新的挑战。

本文引用地址: http://www.21ic.com/app/auto/201811/847126.htm

传感器 - 自动驾驶的核心

自动驾驶需要大量环境信息,这些信息通常由人眼捕获并由人的大脑处理。技术层面的对应物是传感器,它们是自动驾驶的关键部件。目前市面上已有数百万部汽车雷达投入使用。汽车雷达是高端车辆的标准配置,配合高级驾驶辅助系统使用,用于预防事故并提高驾驶舒适性。

雷达传感器主要使用调频连续波(FMCW)信号。由于传播延迟和多普勒频移,传感器能够测量和分辨多个目标的距离和径向速度。根据天线阵列特性,还可测量和分辨方位角甚至是仰角。在信号处理期间,传感器电子设备生成目标列表,其中包含测量得到的目标位置和速度以及类型信息(行人,汽车等)。该列表被发送到车辆的电子控制单元(ECU),ECU用该列表对操纵车辆实时做出决策。这些数据的准确性和可靠性对于车辆,乘客和其他道路使用者的安全极为重要。

 

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图1:由于方位测量误差,检测到错误的目标位置。自动驾驶车辆控制系统有可能会做出致命的操控。

雷达天线罩 - 特殊的挑战

出于美观考虑,雷达系统不是安装在车辆的显眼处。通常,它们隐藏在散热器格栅上的品牌徽标后面以及前、后塑料保险杠后面。这些徽标和保险杠就成了雷达天线罩。作为天线罩,必须对它们的射频性能进行评估,它们会影响隐藏在它们后面的雷达的探测性能和准确性。天线罩材料的射频传输损耗使信号衰减两次,因为信号必须在到达目标的路上和返回途中穿过该材料。根据信号传播定律,发射信号的功率与每个方向上的距离r的平方成反比,这意味着由于发射信号功率减小了r4倍。

例如,如果具有3W输出功率和25dBi天线增益的77GHz雷达,要探测雷达截面为10m²且最低可检测信号电平为-90dBm的目标,在没有雷达天线罩时,最大雷达可探测距离为109.4m。如果天线罩的双向衰减为3dB,雷达探测距离将减少16%,仅为92.1m。

除了材料衰减外,天线罩材料的反射率和均匀性对雷达性能也有重要影响。例如,涂料中金属颗粒的反射和基材的射频失配都会在天线罩内(即靠近传感器)产生干扰信号。这些干扰信号在接收链路中被接收和下变频,这降低了雷达的检测灵敏度。许多车辆制造商试图通过在特定角度安装天线罩来减轻这种影响,以便发射的雷达信号不会直接反射回接收器前端。这种方法受到设计限制,并且不能消除导致射频能量损失的寄生反射。另一个问题是材料不均匀性(如夹带杂物,密度变化和三维品牌标识中的不同材料厚度)会干扰输出和输入波阵面。材料不均匀会产生材料变形,导致角度测量不准确。雷达传感器校准可在一定限度内将这种影响降至最低,但不能完全消除它,因为被校准的雷达可能安装在不同制造商生产的天线罩后面。

校准和验证 - 供应商的机会

为确保雷达可靠性,保证辅助驾驶系统和自动驾驶的安全性,必须验证雷达天线罩及其性能。材料校正非常耗时且昂贵,对于汽车制造商来说难以承受。随着车辆变得越来越独立,需要高质量的天线罩,其衰减特性不仅要最小,而且要恒定不变,还要在细节上一清二楚。由于时间限制,汽车制造商希望尽可能缩短测试时间,因此能够提供已经测试过,且具有这些性能和信息的天线罩的供应商具有明显的竞争优势。

为此,供应商需要做可靠而详细的产品测试。天线罩制造商通常使用参考雷达(黄金设备)来测试他们的产品。用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。当确定的值保持在规定的公差范围内时,天线罩通过测试。随着传感器和传动装置承担更多责任以及天线罩本身的复杂性增加,这种选择性测试已明显难以满足需求。

 

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图2:使用黄金设备的典型测试装置

仅使用一个反射器和放置在转盘上的雷达和天线罩的测试方法更准确。以各种角度重复测量,并将测量结果与转盘上指示的角度进行比较。转盘的定位越精确,测试的角度越大,结果越有效。但是,这种方法需要花费很多时间,因此不适合生产测试。

优质汽车雷达天线罩测试仪 - 实用的定性和定量测试

罗德与施瓦茨公司开发出R&S®QAR汽车雷达天线罩测试仪,它给出测试流程,能提供可靠的数据,并且就成本和测量速度上讲非常实用。它使用大型面板,而不是黄金设备,面板上有几百个发射天线和接收天线,工作频率范围与汽车雷达相同。R&S®QAR的天线会看到汽车雷达能看到的东西。由于具有大口径,它能以更高的分辨率(毫米范围)测量距离、方位角和仰角。这种高分辨率能够将反射率可视化为一种X射线图像,即使不是专家也能立即进行质量评估。在第二个步分析步骤中,可通过X射线图像计算质量参数,这意味着先前的生产测试可由简单的通过/失败测试替代。使用许多发射天线和接收天线可以在几秒钟内一次性(一次性方法)详细测试整个天线罩,完全不需要耗时的测量序列。

 

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图3:R&S®QAR优质汽车雷达天线罩测试仪。测试对象安装在工作台的前缘。蓝色单元包含用于发射测量的毫米波发射器。

R&S®QAR可测量空间各点的反射率和被测部件的透射率。反射率测量是测量由天线罩材料反射的能量。这是会降低雷达性能的损失。某些区域由于各种原因会有较高的反射率,例如,材料缺陷,空气夹杂物,不同材料层间有害的相互作用或过量的某些材料成分。该测量方法通过对所有反射信号幅度和相位的相干处理,来提供空间各点的测量结果。此结果可视化能够产生自发的、定性的和可靠的通过/失败评估,以及产生对被测部件反射行为的定量评估。

高分辨率雷达图像(图5)显示了由这个圆顶盖天线罩(图4)遮盖的雷达传感器能够看到什么。亮度水平代表反射率。区域越亮,它反射的雷达信号越多。金属物体显示为白色(四角位置的螺钉)。徽标的清晰可见轮廓表明高反射率和非常不均匀的整体图像。

 

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图4:带有仅在天线罩基座表面上方突出0.5 mm的罗德与施瓦茨公司徽标的圆顶盖天线罩

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图5:反射率的高分辨率毫米波图像(左)与所选分析区域(蓝框),以及R&S天线罩的透射测量/单向衰减(右)。由于在76 GHz到77 GHz范围内不匹配,这种天线罩不适合这个频率范围内的雷达。

发射测量确定天线罩材料的频率匹配和衰减,这是天线罩材料是否适用的基础。位于被测部件后面经校准的发射单元(图4)扫描选定的频率范围。接收阵列接收信号,能够精确评估天线罩的发射频率响应。此频率响应提供被测部件在是否适合这个频段。这些信息与雷达单元使用的实际信号波形无关,因此适用于能够安装在天线罩后面的所有类型的雷达。

总结

自动驾驶需要可靠的雷达,来正确地探测周围区域内的物体。这取决于雷达质量和安装位置。用作雷达天线罩的车身部件会使信号完全损耗,或导致目标位置误判。今天,这些部件不仅承担原有的机械件功能,还需要特定的射频特性。要靠准确和实用的测量方法来验证这些特性。罗德与施瓦茨公司的R&S®QAR提供了一种创新、独特的方法,可在极短的时间内给出空间各点射频反射率和透射测量,并提供更加详细的测量结果。

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。

 

作者:Andreas Reil和Steffen Heuel博士

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