車輛制造是德國的創(chuàng)新驅(qū)動力 - 根據(jù)Fraunhofer研究所和歐洲經(jīng)濟(jì)研究中心(ZEW)的報告INNOVATIONEN IN DER DEUTSCHEN WIRTSCHAFT[德國經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新]，僅2016年德國就在該領(lǐng)域投資了524億歐元，且呈上升趨勢。各項投資的重點是自動駕駛。該領(lǐng)域的新發(fā)展意味著持續(xù)的工藝改進(jìn)，涉及到的不僅有汽車制造商。整個汽車電子供應(yīng)鏈必須適應(yīng)新的挑戰(zhàn)。

傳感器 - 自動駕駛的核心

自動駕駛需要大量環(huán)境信息，這些信息通常由人眼捕獲并由人的大腦處理。技術(shù)層面的對應(yīng)物是傳感器，它們是自動駕駛的關(guān)鍵部件。目前市面上已有數(shù)百萬部汽車?yán)走_(dá)投入使用。汽車?yán)走_(dá)是高端車輛的標(biāo)準(zhǔn)配置，配合高級駕駛輔助系統(tǒng)使用，用于預(yù)防事故并提高駕駛舒適性。

雷達(dá)傳感器主要使用調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)信號。由于傳播延遲和多普勒頻移，傳感器能夠測量和分辨多個目標(biāo)的距離和徑向速度。根據(jù)天線陣列特性，還可測量和分辨方位角甚至是仰角。在信號處理期間，傳感器電子設(shè)備生成目標(biāo)列表，其中包含測量得到的目標(biāo)位置和速度以及類型信息(行人，汽車等)。該列表被發(fā)送到車輛的電子控制單元(ECU)，ECU用該列表對操縱車輛實時做出決策。這些數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性對于車輛，乘客和其他道路使用者的安全極為重要。

圖1：由于方位測量誤差，檢測到錯誤的目標(biāo)位置。自動駕駛車輛控制系統(tǒng)有可能會做出致命的操控。

雷達(dá)天線罩 - 特殊的挑戰(zhàn)

出于美觀考慮，雷達(dá)系統(tǒng)不是安裝在車輛的顯眼處。通常，它們隱藏在散熱器格柵上的品牌徽標(biāo)后面以及前、后塑料保險杠后面。這些徽標(biāo)和保險杠就成了雷達(dá)天線罩。作為天線罩，必須對它們的射頻性能進(jìn)行評估，它們會影響隱藏在它們后面的雷達(dá)的探測性能和準(zhǔn)確性。天線罩材料的射頻傳輸損耗使信號衰減兩次，因為信號必須在到達(dá)目標(biāo)的路上和返回途中穿過該材料。根據(jù)信號傳播定律，發(fā)射信號的功率與每個方向上的距離r的平方成反比，這意味著由于發(fā)射信號功率減小了r4倍。

例如，如果具有3W輸出功率和25dBi天線增益的77GHz雷達(dá)，要探測雷達(dá)截面為10m²且最低可檢測信號電平為-90dBm的目標(biāo)，在沒有雷達(dá)天線罩時，最大雷達(dá)可探測距離為109.4m。如果天線罩的雙向衰減為3dB，雷達(dá)探測距離將減少16%，僅為92.1m。

除了材料衰減外，天線罩材料的反射率和均勻性對雷達(dá)性能也有重要影響。例如，涂料中金屬顆粒的反射和基材的射頻失配都會在天線罩內(nèi)(即靠近傳感器)產(chǎn)生干擾信號。這些干擾信號在接收鏈路中被接收和下變頻，這降低了雷達(dá)的檢測靈敏度。許多車輛制造商試圖通過在特定角度安裝天線罩來減輕這種影響，以便發(fā)射的雷達(dá)信號不會直接反射回接收器前端。這種方法受到設(shè)計限制，并且不能消除導(dǎo)致射頻能量損失的寄生反射。另一個問題是材料不均勻性(如夾帶雜物，密度變化和三維品牌標(biāo)識中的不同材料厚度)會干擾輸出和輸入波陣面。材料不均勻會產(chǎn)生材料變形，導(dǎo)致角度測量不準(zhǔn)確。雷達(dá)傳感器校準(zhǔn)可在一定限度內(nèi)將這種影響降至最低，但不能完全消除它，因為被校準(zhǔn)的雷達(dá)可能安裝在不同制造商生產(chǎn)的天線罩后面。

校準(zhǔn)和驗證 - 供應(yīng)商的機(jī)會

為確保雷達(dá)可靠性，保證輔助駕駛系統(tǒng)和自動駕駛的安全性，必須驗證雷達(dá)天線罩及其性能。材料校正非常耗時且昂貴，對于汽車制造商來說難以承受。隨著車輛變得越來越獨立，需要高質(zhì)量的天線罩，其衰減特性不僅要最小，而且要恒定不變，還要在細(xì)節(jié)上一清二楚。由于時間限制，汽車制造商希望盡可能縮短測試時間，因此能夠提供已經(jīng)測試過，且具有這些性能和信息的天線罩的供應(yīng)商具有明顯的競爭優(yōu)勢。

為此，供應(yīng)商需要做可靠而詳細(xì)的產(chǎn)品測試。天線罩制造商通常使用參考雷達(dá)(黃金設(shè)備)來測試他們的產(chǎn)品。用由多個雷達(dá)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(jìn)行對比測量。當(dāng)確定的值保持在規(guī)定的公差范圍內(nèi)時，天線罩通過測試。隨著傳感器和傳動裝置承擔(dān)更多責(zé)任以及天線罩本身的復(fù)雜性增加，這種選擇性測試已明顯難以滿足需求。

圖2：使用黃金設(shè)備的典型測試裝置

僅使用一個反射器和放置在轉(zhuǎn)盤上的雷達(dá)和天線罩的測試方法更準(zhǔn)確。以各種角度重復(fù)測量，并將測量結(jié)果與轉(zhuǎn)盤上指示的角度進(jìn)行比較。轉(zhuǎn)盤的定位越精確，測試的角度越大，結(jié)果越有效。但是，這種方法需要花費很多時間，因此不適合生產(chǎn)測試。

優(yōu)質(zhì)汽車?yán)走_(dá)天線罩測試儀 - 實用的定性和定量測試

羅德與施瓦茨公司開發(fā)出R&S®QAR汽車?yán)走_(dá)天線罩測試儀，它給出測試流程，能提供可靠的數(shù)據(jù)，并且就成本和測量速度上講非常實用。它使用大型面板，而不是黃金設(shè)備，面板上有幾百個發(fā)射天線和接收天線，工作頻率范圍與汽車?yán)走_(dá)相同。R&S®QAR的天線會看到汽車?yán)走_(dá)能看到的東西。由于具有大口徑，它能以更高的分辨率(毫米范圍)測量距離、方位角和仰角。這種高分辨率能夠?qū)⒎瓷渎士梢暬癁橐环NX射線圖像，即使不是專家也能立即進(jìn)行質(zhì)量評估。在第二個步分析步驟中，可通過X射線圖像計算質(zhì)量參數(shù)，這意味著先前的生產(chǎn)測試可由簡單的通過/失敗測試替代。使用許多發(fā)射天線和接收天線可以在幾秒鐘內(nèi)一次性(一次性方法)詳細(xì)測試整個天線罩，完全不需要耗時的測量序列。

圖3：R&S®QAR優(yōu)質(zhì)汽車?yán)走_(dá)天線罩測試儀。測試對象安裝在工作臺的前緣。藍(lán)色單元包含用于發(fā)射測量的毫米波發(fā)射器。

R&S®QAR可測量空間各點的反射率和被測部件的透射率。反射率測量是測量由天線罩材料反射的能量。這是會降低雷達(dá)性能的損失。某些區(qū)域由于各種原因會有較高的反射率，例如，材料缺陷，空氣夾雜物，不同材料層間有害的相互作用或過量的某些材料成分。該測量方法通過對所有反射信號幅度和相位的相干處理，來提供空間各點的測量結(jié)果。此結(jié)果可視化能夠產(chǎn)生自發(fā)的、定性的和可靠的通過/失敗評估，以及產(chǎn)生對被測部件反射行為的定量評估。

高分辨率雷達(dá)圖像(圖5)顯示了由這個圓頂蓋天線罩(圖4)遮蓋的雷達(dá)傳感器能夠看到什么。亮度水平代表反射率。區(qū)域越亮，它反射的雷達(dá)信號越多。金屬物體顯示為白色(四角位置的螺釘)。徽標(biāo)的清晰可見輪廓表明高反射率和非常不均勻的整體圖像。

圖4：帶有僅在天線罩基座表面上方突出0.5 mm的羅德與施瓦茨公司徽標(biāo)的圓頂蓋天線罩

圖5：反射率的高分辨率毫米波圖像(左)與所選分析區(qū)域(藍(lán)框)，以及R&S天線罩的透射測量/單向衰減(右)。由于在76 GHz到77 GHz范圍內(nèi)不匹配，這種天線罩不適合這個頻率范圍內(nèi)的雷達(dá)。

發(fā)射測量確定天線罩材料的頻率匹配和衰減，這是天線罩材料是否適用的基礎(chǔ)。位于被測部件后面經(jīng)校準(zhǔn)的發(fā)射單元(圖4)掃描選定的頻率范圍。接收陣列接收信號，能夠精確評估天線罩的發(fā)射頻率響應(yīng)。此頻率響應(yīng)提供被測部件在是否適合這個頻段。這些信息與雷達(dá)單元使用的實際信號波形無關(guān)，因此適用于能夠安裝在天線罩后面的所有類型的雷達(dá)。

總結(jié)

自動駕駛需要可靠的雷達(dá)，來正確地探測周圍區(qū)域內(nèi)的物體。這取決于雷達(dá)質(zhì)量和安裝位置。用作雷達(dá)天線罩的車身部件會使信號完全損耗，或?qū)е履繕?biāo)位置誤判。今天，這些部件不僅承擔(dān)原有的機(jī)械件功能，還需要特定的射頻特性。要靠準(zhǔn)確和實用的測量方法來驗證這些特性。羅德與施瓦茨公司的R&S®QAR提供了一種創(chuàng)新、獨特的方法，可在極短的時間內(nèi)給出空間各點射頻反射率和透射測量，并提供更加詳細(xì)的測量結(jié)果。

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，但對于供應(yīng)商來說，它們代表了機(jī)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(biāo)準(zhǔn)，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。

作者：Andreas Reil和Steffen Heuel博士