汽车毫米波雷达覆盖件设计及验证方法

钱国平，武锡斌，刘莲芳，田俊涛，夏宝华

北汽福田汽车股份有限公司

【摘要】 汽车毫米波雷达是智能驾驶系统中非常关键的传感器，由于安装美观和保护的需要，一般利用汽车保险杠、车标或增加护罩作为覆盖件。由于毫米波雷达波长较短，比较容易受覆盖件材质、厚度等方面的影响，导致雷达性能无法满足要求。文章给出了覆盖件材料选择、设计和测试验证方法，并按照项目需要，选择合适材料，设计两个不同厚度的覆盖件作为雷达护罩，最后在屏蔽暗室进行测试并验证了设计。

【关键词】 ADAS，毫米波雷达，覆盖件，介电常数，衰减

Design and Verification Method of Automotive Millimeter Wave Radar Cover

Qian Guoping, Wu Xibin, Liu Lianfang, Tian Juntao, Xia Baohua

Beiqi Foton Motor Co ., Ltd .

Abstract: Automotive millimeter-wave radar is a very critical sensor for intelligent driving system.Due to the need for aesthetics and protection of installation,car bumpers,car logos or additional protective covers are generally used as covering parts.Because the millimeter wave radar is a short wavelength,it is easy to be affected by the material and thickness of the cover,resulting in the performance of the radar cannot meet the requirements.The article gives the cover material selection,design and test verification methods,and according to the needs of the project,select the appropriate material,design two covers of different thicknesses as the radar shield,and finally test and verify the design in a shielded darkroom.

Key words: ADAS, millimeter-wave radar, cover, dielectric constant,attenuation

引言

在汽车防撞传感器当中，根据工作原理和工作过程不同，分为超声波雷达、激光雷达以及毫米波雷达等。其中前两种雷达，都是通过对回波的检测，与发射信号相比较，得到脉冲或相位的差值，从而计算出发射与接收信号的时间差。

毫米波指的是工作频率在30～100GHz，波长在1～10mm之间的电磁波。因为毫米波的波长介于微波和厘米波之间，所以毫米波雷达兼具微波雷达和光电雷达的部分优点。当前，在车载ADAS（高级驾驶辅助系统）中的毫米波雷达主要为24GHz和77GHz两类。

毫米波雷达凭借其可穿透尘雾、雨雪、不受恶劣天气影响的绝对优势，且唯一能够“全天候全天时”工作的超强能力，成为了汽车ADAS不可或缺的核心传感器之一。

由于毫米波雷达裸露在外的话容易受到损坏、腐蚀，因此毫米波雷达和汽车外部之间一般会增加覆盖件进行保护，例如保险杠、雷达罩盖、散热器格栅或车辆品牌标徽等。为了保证毫米波雷达在各种工况中都能达到稳定可靠的表现，降低覆盖件对毫米波雷达性能的衰减，对覆盖件材料的耐候性、尺寸稳定性、耐化学性以及介电特性都有很高的要求。因此，如何选择合适的材料、设计并测试验证覆盖件就非常重要。

1 雷达覆盖件材料选择及设计

1.1 覆盖件材料选择

覆盖件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 ^[1] 。

选用毫米波雷达覆盖件必须满足电性能和热性能的要求，同时还应适用于各种环境并满足力学性能的需要。其基本要求是，覆盖件的电性能和力学性能应不受环境（温度和相对湿度）的影响。关键的技术问题是发展能够满足所有这些要求而又能在整个操作过程保持费用低廉的特点的雷达覆盖件 ^[2] 。因此对材料的要求有：

低介电常数：需要雷达发出的电波充分穿透，且状态稳定。

可加工性：成型性较强。

耐热性：由于暴露在太阳光及发动机舱的热环境下，对耐热性要求高。

耐化学性：耐雨蚀、尘蚀和粒子侵蚀。

更详细的材料测试选择方法可以参考文献[1]。

很多厂家根据相关特性开发出一系列具有非线性光学系数大、响应速度快、损伤阈值高、介电常数低、良好的可加工性等优点的材料满足要求。日本宝理开发了一种能够平衡各项性能的PPS；日本东丽开发了适用于5G通信中使用的电子组件和毫米波雷达的聚酰亚胺（PI）材料，这种新材料具有PI树脂特有的耐热性、机械特性和粘合特性，并具有低介电损耗性能。SABIC在毫米波雷达上也开发了不少材料，如PBT材料经过相关处理可制作出满足汽车毫米波雷达的要求，甚至经过改性、添加玻纤的方式可制造出可透过雷达波的材料。

1.2 覆盖件设计

对于不同电磁波频率，材料的属性参数会有很大的区别。材料的介电常数和介电损失因子，以及表面粗糙度会直接影响雷达的电磁波的衰减和传播路径，进而影响雷达性能。故对于雷达罩材料的设计，应遵循：

·材料粗糙度：小于400um（皮纹的粗糙度建议小于0.1mm）。

·组合材料要求：低的介电常数，降低反射；低的介电损失因子，降低衰减。

·不同常见毫米波材料的介电常数可以通过材料供应商获取，无法获取或变更材料添加物的可以根据参考文献[2]所描述方法进行测试获取。表1为几种常见雷达罩材料的介电常数。

确定材料特性选定雷达罩材料后进行雷达罩的具体设计。

首先，雷达罩在保证强度和一定的防护作用基础上，尽量薄一些，因此在选定材料后需要根据材料的介电常数计算获得合适的材料厚度。先计算雷达波在真空中的波长 λ ，其计算公式为

式中， c 为毫米波传播速度，其值为3×10 ⁸ m/s； f 为毫米波雷达工作频率。77G毫米波其频率为77Ghz，计算获得毫米波在真空中波长后，可通过式（2）计算在材料中的波长

式中， ε _r 为材料的介电常数。板材厚度最好是雷达在材料中波长一半的整数倍 ^[3] ，在此厚度雷达波衰减较低，因此根据上述公式和介电常数，计算出不同材料下的推进厚度，见表2。

在选定雷达覆盖件材料和厚度以后进行雷达覆盖件结构设计时还需要注意以下事项：

·雷达覆盖件的平整度：雷达罩表面的沟槽或凸起（如溢料口）应小于0.1mm（区域最高减最低）。

·雷达覆盖件涂层：在雷达波衰减要求的规范内，油漆涂层不超过4层，且不建议使用金属漆。

·雷达覆盖件安装：全平行于 YOZ 平面，但雷达罩和雷达在 Z 轴方向不要完全平行，需要倾斜一个角度，角度 a 在5°～30°之间。

·雷达覆盖件与周边件间隙：不会因为热胀冷缩与周边零件干涉；雷达罩背面距离雷达前表面建议为5～15mm的间隙，最小间隙处须大于5mm。

2 雷达覆盖件衰减测试方法

在选定材料并按照结构要求设计好毫米波雷达覆盖件以后，还需要在专业的微波暗室实测覆盖件的实际衰减是否达到要求，主要测试设备和原理如下：

·测试设备：汽车毫米波雷达、雷达模拟器、转台、射频前端接收天线、数据采集设备、同轴电缆等。

·测试原理：测试采用控制变量法在相同的测试环境下测试信号穿过覆盖件样片损耗的能量。

2.1 测试设备校准

车载雷达测试角度校准。

将车载雷达安装在暗室转台上面，使用水平仪确保雷达在测试过程中表面垂直于地面。

在确保车载雷达垂直安装位置无误的情况下，将雷达上电，调整雷达角度与射频接收前端在同一角度，使用暗室测试数据采集软件进行雷达的功率采集校准，找出最大功率点，确保雷达在水平方向上面的测试零点，保证测试得到的发射方向图不会人为引入方向图不同角度相位叠加。

射频接收前端校准：

在进行测试之前将转台中心点激光笔打开，使用激光笔来确保接收端和发射端中心点在同一位置。

测试过程中使用远场测试发射方向图。

2.2 测试发射方向图

以雷达作为信号源，射频前端作为接收天线，测试过程中以1°为一个步进，在水平方向上面测试±50°角方向上的方向图，在垂直方向上面测试±20°角方向上面的方向图。

通过将不加雷达覆盖件和加雷达覆盖件在水平和垂直方向上分别将各对应点的方向图数值做差值，得出衰减的能量分布图，从而判断所测覆盖件是否满足设计需求。

不加雷达保覆盖件和加雷达覆盖件测试框图见图1和图2。

2.3 测试结果判定标准

所用的测试雷达在测试实验室需测试验证，性能稳定，满足测试要求，需依照雷达覆盖件实车安装位置搭建测试环境。

测试结果要求如下：

·加雷达覆盖件后的单向衰减方向图在水平（±45°）和垂直（±15°）范围内衰减小于1.5db即为满足功能设计要求的雷达覆盖件。

·加雷达覆盖件后的单向衰减方向图在水平（±30°）和垂直（±10°）范围内衰减小于1.5db，在测试的边缘角度水平（±30°～±45°）和垂直（±10°～±15°）大于1.5db但不大于2db即为基本满足设计要求的雷达覆盖件。

·加雷达覆盖件后的单向衰减方向图在水平（±30°）和垂直（±10°）范围内衰减大于1.5db，即为不满足功能设计要求的雷达覆盖件。

3 雷达覆盖件实测

福田部分已量产车型升级驾驶辅助功能，由于保险杠不重新设计，因此没有采用保险杠一体覆盖件，选择了独立雷达覆盖件。在设计时综合考虑成本和耐腐蚀等因素，材料采用了PA66+GF33，其介电常数为3.6 ε _r ，由于最佳厚度1.08mm太薄，容易变形，因此制作了2.05mm和3.08mm两个厚度的样件进行测试验证。雷达及覆盖件安装位置及角度数模见图3。

在毫米波雷达测试暗室，需要分别测试不带雷达覆盖件和带覆盖件两组数据，再计算得到差值。不带雷达覆盖件在转台安装示意图见图4，带雷达覆盖件见图5。

3.1 雷达不加覆盖件测试方向图

将被测雷达安装于转台上面，使用激光定位方式确定被测雷达裸件和射频前端接收天线处于同一水平方向，然后将转台设置为水平方向±50°角内的方向图和垂直方向±20°角内的方向图。水平方向见图6，垂直方向见图7。

3.2 雷达加覆盖件测试方向图

将被测雷达及雷达覆盖件按照所测实车覆盖件与雷达的安装尺寸安装于转台上面，使用激光定位方式确定被测雷达、雷达覆盖件和射频前端接收天线处于同一水平方向，然后将转台设置为水平方向±50°角内的方向图和垂直方向±20°角内的方向图。2mm厚度覆盖件水平方向见图8，垂直方向见图9，3mm厚度覆盖件水平方向见图10，垂直方向见图11。

3.3 测试结果对比分析

通过将雷达裸件与加雷达覆盖件后的数据在同一数据采集点处加雷达覆盖件与不加雷达覆盖件的方向图的能量值做差，然后将所得的点差值汇总即可得出所测雷达罩在各位置处的能量衰减值，从而判定所测雷达罩的性能好环。2mm覆盖件测试衰减图见图12、图13，3mm覆盖件衰减图见图14、图15。

3.4 测试结果

测试结果表明2mm雷达覆盖件在水平±30°以内和垂直方向都满足衰减要求，但在水平±30°以外超标，总体不满足要求；3mm雷达覆盖件在水平和垂直方向都能满足技术要求。针对2mm雷达覆盖件，进一步分析发现，由于厚度较薄，样机生产比较难控制，导致有轻微变形，因此覆盖件表明变形也会影响覆盖件衰减值。

4 结论

实验结果表明，按照本文原理和方法，能设计出满足毫米波雷达覆盖件衰减技术要求的覆盖件，但由于受入射角度、覆盖件变形等因素的影响，理论设计下能满足要求的覆盖件实测依然可能超标。因此，每一款车开发新的独立覆盖件时，除了理论设计都需要按照实车雷达和覆盖件角度、距离相同的情况下在实验室测试其衰减值是否满足毫米波雷达系统的技术要求。

参考文献

[1]炳恒.毫米波雷达天线罩的材料选择[J].化工新型材料，1981（4）：16-26.

[2]张明远，宫剑，付靖.汽车毫米波雷达天线罩材料测试[J].数字通信世界，2019（5）：3-4，24. 8BtG98Ie2o6ywHt4hATDsHtq34rKJ6iUFx+4f6GgkmB3m/LgXYXBqMKyJ1sALGO5