本期將介紹一款上市十年左右的雷達(dá)—大陸ARS4-B，盡管設(shè)計(jì)之初使用Tx和Rx相分離的方案，集成度遠(yuǎn)不如現(xiàn)在，但能同時(shí)實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)距離同時(shí)探測(cè)的設(shè)計(jì)思路一直沿用至今，而且量產(chǎn)之初就用在Tesla Model3和奔馳E級(jí)車。后面將介紹一些基本性能，然后對(duì)天線做性能仿真。
圖1：雷達(dá)外觀及天線板
主要工作頻率為76-77GHz，2T3R實(shí)現(xiàn)6通道，帶有數(shù)字波束賦形功能。其中短距離模式下最遠(yuǎn)探測(cè)距離為55m，F(xiàn)oV角度±45°。對(duì)于中遠(yuǎn)距離探測(cè)，±9°FoV的探測(cè)距離最遠(yuǎn)120m，±4°最遠(yuǎn)覆蓋距離為177m。
圖2：雷達(dá)探測(cè)距離分類
在雷達(dá)可視范圍內(nèi)[敏感詞]支持64個(gè)目標(biāo)探測(cè)，通過(guò)檢測(cè)和評(píng)估其視野內(nèi)的所有目標(biāo)，雷達(dá)傳感器能夠分析當(dāng)前收集的數(shù)據(jù)并預(yù)估車輛未來(lái)的行駛路徑；
圖3：雷達(dá)的波束角度
自適應(yīng)巡航控制：傳感器檢測(cè)其視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)并將目標(biāo)消息輸出傳輸?shù)阶赃m應(yīng)巡航控制系統(tǒng)（駕駛員輔助系統(tǒng)）。整個(gè)流程如下：A：雷達(dá)發(fā)送包含在視場(chǎng)內(nèi)檢測(cè)到的所有目標(biāo)的列表。B：包含到檢測(cè)到的目標(biāo)的距離的消息。C：如果與前方車輛的距離低于閾值距離，則會(huì)向自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)發(fā)送制動(dòng)請(qǐng)求消息。
圖4：自適應(yīng)巡航及緊急制動(dòng)
緊急制動(dòng)輔助：一旦雷達(dá)傳感器在其視場(chǎng)內(nèi)檢測(cè)到物體，它就會(huì)向緊急制動(dòng)輔助系統(tǒng)發(fā)送特定的消息輸出請(qǐng)求。流程如下：A：當(dāng)與一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)到的目標(biāo)的距離低于視場(chǎng)內(nèi)的預(yù)定閾值時(shí)，將發(fā)送一條距離警告消息。B：如果到一個(gè)或多個(gè)物體的距離低于第二閾值，則發(fā)送減速請(qǐng)求消息。C：收到這些消息請(qǐng)求后，制動(dòng)系統(tǒng)開始減速以避免與檢測(cè)到的物體發(fā)生碰撞。傳感器提供必要的減速信息，以確保當(dāng)物體低于第二閾值時(shí)避免碰撞。
Continental ARS 4-B 雷達(dá)采用串聯(lián)饋電微帶貼片天線，兩個(gè)發(fā)射天線(TX) 和三個(gè)接收天線 (RX) ，介質(zhì)基板厚度100μm。傳導(dǎo)功率，即 RF系統(tǒng)提供給天線的射頻功率，小于 10 dBm (10mW)。為了提高天線的帶寬，基板的厚度保持在100微米。此外，在PCB頂部印刷電阻片，并使用帶有通孔柵欄的金屬平面來(lái)抑制表面波。當(dāng)施加交變電場(chǎng)時(shí)會(huì)發(fā)生介電損耗，導(dǎo)致材料分子經(jīng)歷重復(fù)的極化循環(huán)并耗散熱能。天線中的不同類型的損耗包括介電損耗、導(dǎo)體損耗和表面損耗，可以通過(guò)在制造過(guò)程中為介質(zhì)板和導(dǎo)體選擇合適的材料來(lái)減少這些損耗。附圖描述了 PCB 上的天線布局及芯片信息。包括反射抑制六邊形缺陷接地結(jié)構(gòu)和整體接地模式。
RX1和 RX2 天線由一個(gè) 梳狀線陣列組成，間距 2.12 mm。另一方面，RX3 天線是一個(gè)小型二維陣列，由兩個(gè)分開 2.12 mm的獨(dú)立線性 RX陣列組成。在 y （俯仰）方向上，RX3 陣列與RX1 和 RX2天線相距 3.92 mm，而在 x（方位）方向上，它與RX1 和 RX2天線之間的中點(diǎn)相距12.73 mm。TX 天線分為兩組，每組包含七個(gè)相同的TX 線陣列，間隔 2.12 mm， 并帶有功分器饋電網(wǎng)絡(luò)。兩個(gè)發(fā)射天線間距約7倍波長(zhǎng)。
介質(zhì)基材厚度0.1mm，寬45mm，長(zhǎng)66mm，結(jié)構(gòu)中包含2個(gè)發(fā)射天線和3個(gè)接收天線。發(fā)射天線間距27.45mm，RX2和Rx3相距12.73mm，Rx1和Rx2距離2.12mm。仿真結(jié)果來(lái)看，單個(gè)天線的能量集中分布在76-77GHz內(nèi)，端口匹配良好。
發(fā)射天線1和2性能一致，3dB方位波束寬度±9°，實(shí)現(xiàn)中距離探測(cè)，在±45°處的峰值增益在5dBi左右，實(shí)現(xiàn)短距離探測(cè)。同時(shí)Tx1和Tx2同時(shí)工作時(shí)，在±4°的波束實(shí)現(xiàn)最遠(yuǎn)距離177m探測(cè)；
Rx1和Rx3的差異體現(xiàn)在方位面角度以及增益強(qiáng)度，Rx1峰值增益12dBi，3dB俯仰/方位波束寬度分別為18°和90°；Rx3峰值增益14.5dBi，3dB俯仰/方位波束寬度分別為18°和60°。
電磁帶隙結(jié)構(gòu)是一種新型人工電磁材料，其具有獨(dú)特的同相反射相位特性以及表面波帶隙特性，通過(guò)設(shè)計(jì)其表面波帶隙，可以在一定的頻率范圍內(nèi)抑制表面波的傳播，由于表面波是造成陣列天線間互耦的主要因素之一，因此可利用EBG 結(jié)構(gòu)達(dá)到抑制天線間互耦的效果，相比于缺陷地結(jié)構(gòu)，電磁帶隙結(jié)構(gòu)不用破壞地平面，因此在抑制互耦的同時(shí)不會(huì)造成增益的降低。
因?yàn)榻橘|(zhì)板的介電常數(shù)和厚度能夠影響到天線在介質(zhì)層上的表面波，而且表面波隨著介質(zhì)板介電常數(shù)和厚度的增加會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，但是微帶線的厚度影響著天線的帶寬，介質(zhì)板的介電常數(shù)可以調(diào)節(jié)天線的中心頻率，為了權(quán)衡設(shè)計(jì)陣列天線時(shí)陣元之間表面波與天線整體之間的性能，就需要合理的設(shè)計(jì)天線的參數(shù)和介質(zhì)板的參數(shù)，使之達(dá)到最優(yōu)的匹配。有些情況下必須舍掉陣元之間的表面波來(lái)得到天線本身的性能，此時(shí)就需要對(duì)表面波進(jìn)行特殊的處理，使得天線間的耦合達(dá)到天線可用的標(biāo)準(zhǔn)，這些方法中包括了EBG 結(jié)構(gòu)。
Continental ARS 4-B雷達(dá)在貼片天線周圍配備六邊形缺陷結(jié)構(gòu)和過(guò)孔以最小化反射這些結(jié)構(gòu)被合并以增強(qiáng)天線與傳輸線或饋電網(wǎng)絡(luò)之間的阻抗匹配，從而減少反射。此外，六邊形結(jié)構(gòu)影響 工作帶寬，有效降低基板的介電常數(shù)。六邊形缺陷接地結(jié)構(gòu)在分配接地平面中的電流以及調(diào)節(jié)基板中無(wú)線電波的輸入阻抗和激發(fā)方面起著至關(guān)重要的作用。確保了更均勻的電流分布并導(dǎo)致更好的輻射特性。
附圖2：接口信息及尺寸
以上為Continental ARS 4-B雷達(dá)天線的基本仿真分析，不當(dāng)之處請(qǐng)指正。感謝先進(jìn)結(jié)構(gòu)公司（India）工程師提供的部分雷達(dá)圖片以及FCC測(cè)試報(bào)告。
1.于有海，基于電磁帶隙結(jié)構(gòu)的可穿戴天線設(shè)計(jì). 重慶: 重慶郵電大學(xué),2020.
2.焦天其，EBG（電磁帶隙）在陣列天線降耦合中的應(yīng)用及研究. 哈爾濱工程大學(xué)，2018.
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