设计技术：依靠设计软件来开发毫米波汽车雷达和天线系统(天线阵列毫米波波束设计)

图0、依靠设计软件来开发毫米波汽车雷达和天线系统

本文将讨论了多波束和多范围设计，并研究了针对5G的多输入，多输出（MIMO）和波束控制技术的天线设计，这也将在未来用于汽车安全系统中。

一个典型的自适应巡航控制（ACC，adaptive-cruise-control ）停走（stop-and-go）系统需要多个短程和长程雷达传感器来检测附近的汽车。
短距离雷达通常覆盖高达60米，角度覆盖范围高达±45°，可以检测可能从相邻车道切入当前行驶车道的车辆。
较远距离的雷达可提供250米的覆盖范围和±5°至±10°的角度覆盖范围，以便在同一车道上进一步提前检测车辆。

为了支持多个范围和扫描角度，诸如博世，DENSO和德尔福等模块制造商已经开发并将多范围，多检测功能集成到使用多通道发射器（TX）/接收器（RX ）架构（图1）中。
通过采用频率调制连续波（FMCW，frequency-modulated-continuous-wave）等雷达技术和天线阵列设计的数字波束形成技术，多波束/多波段雷达可以解决这些不同的检测范围的应用。

图1.

图1.这款博世中程雷达传感器具有三个发射机和四个接收机。
它支持主天线160m（±6°），100m（±9°）60m（±10°）的水平视场检测范围，以及仰角天线的36m（±25°）和12m（± 42°）的检测范围。

ACC系统应用中的基于FMCW雷达驱动多天线阵的多模式雷达如图2所示。
这种多波束，数字波束形成的多量程雷达工作在24 GHz和77 GHz频段上，利用两个开关阵列天线可以实现远距离，窄角度覆盖（150米，±10°）和短程，广角覆盖（60米，±30°）。
这个例子说明了使用多个天线阵列系统，包括用于长距离，窄角度检测（77 GHz）的多个（5×12元素）串联馈电贴片阵列（SFPAs，series-fed patch arrays）;单个SFPA（1×12元件，设计用于24 GHz），用于短距离，广角检测;以及用于这种类型的系统所需的接收机的四个（1×12）SFPA。

图2

图2.表示出的是多频带，多范围的FMCW数字波束形成ACC雷达，其利用六个单独的SFPA。

雷达性能受天线技术的很大影响，天线技术必须考虑电气性能，如增益，波束宽度，范围和特定应用的物理尺寸。
示例雷达中的多个固定的TX / RX天线阵列针对距离，角度和旁瓣抑制进行了优化。
贴片天线相对容易设计和制造，配置成阵列时性能会很好，从而增加整体增益和方向性。

矩形贴片天线设计的性能由天线的长度，宽度，介质衬底的厚度和介电常数来控制。
单个贴片的长度控制谐振频率，而宽度控制输入阻抗和辐射模式。
通过增加宽度，可以减小阻抗。
但是，将输入阻抗降低到50Ω通常需要非常宽的贴片天线，这将占用大量宝贵的空间。
较大的宽度也可以增加带宽，就像增加介质基板的厚度一样。

介电常数值较低的介质基片控制着边缘场，从而导致更宽的边缘，因此有更好的辐射。
降低衬底介质的介电常数也会增加天线的带宽。
同时介电常数的值越低，天线的效率也越高。

设计工程师通过利用电磁（EM，electromagnetic ）设计软件来精确地模拟分析和优化性能，这使得设计单贴片天线或者天线阵列成为可能。
NI AWR设计环境包括AXIEM 3D平面和Analyst 3D有限元方法模拟器。
除了仿真近场和远场辐射方向图，输入阻抗和表面电流等天线性能外，还能够直接与AWR中的视觉系统仿真器（VSS，Visual System Simulator）共同仿真模拟 - 自动将天线仿真结果纳入整个雷达系统分析中而无需在EM仿真器和系统设计工具之间手动导出/导入数据。

AXIEM和Analyst都采用用户定义天线的物理属性，如天线贴片的宽度和长度，以及天线衬底介质的材料和衬底高度等介电属性来产生电响应。
AXIEM是贴片天线设计分析的理想选择，而Analyst最适合用于3D结构，如同轴馈电结构或者有限介质（当接近印刷电路板[PCB]边缘时会影响天线性能;请参考图3）。

图3.

图3.该图显示了一个在AXIEM中优化的边缘耦合单贴片天线的设计示例：用于优化中心回波损耗和设计频率的宽边增益。

下图显示了具有共馈电网络的贴片天线阵列和在不到6.5分钟内用四核处理器解决了167k个未知数。

图4

图4.中显示的是具有共同馈电（单馈端口）的8×16贴片天线阵列（128个元件）和在约6.5分钟内用四核处理器解决的167k个未知数（1.88GHz）。

为了确定产生所需电气响应的物理属性，天线设计人员可以使用NI AWR软件的AntSyn天线综合和优化工具（如图5所示）。
AntSyn使用户能够指定天线的电气要求和物理尺寸限制。
该软件探索了一套设计配置，并基于专有遗传优化和EM（Electromagnetic ）分析确定最佳结构。
然后可以将导致的天线几何结构导入到专用的平面或者3D EM求解器（如AXIEM或Analyst）中，以进行验证或者进一步分析/优化。

图5

图5.该图说明了AntSyn天线综合规范接口和天线类型库（a）以及基于用户指定的天线要求（b）的仿真结果。

平面元素可以通过结合非常简单的元素（如微带贴片）轻松形成阵列结构。
可以按照诸如图6中的1×8贴片阵列的顺序配置贴片，其中每个元件通过传输线的“可调谐”部分串联连接。
在这个AXIEM项目中，每个阵列元件和连接传输线的长度和宽度都用变量定义，以便优化整个天线阵列的性能。

图6.

图6.该软件具有参数化修改器允许优化串行馈电的1×8贴片阵列。

1×8阵列可以进一步扩展为8×8天线阵列，实现高增益固定波束设计（如图7所示）。

图7

图7.这是一个77-GHz 8×8天线阵列。
参数是N λ/ 2个λ/ 2 <间距<λ给的。

在NI AWR设计环境中，阵列可以用VSS表示为系统行为模块，使用专有的相控阵模型，使设计人员能够指定阵列配置（元件数量，元件间距，天线辐射模式，受损元件，增益减小，以及更多），以获得对期望性能（例如增益和旁瓣）的阵列要求的先进理解。
这种方法最适合大规模天线阵列（数千个天线单元）和系统设计人员为天线阵列开发团队所提的基本要求。

图8.

图8.如图所示的是一个4×4的贴片天线阵列，每个天线单元都有单独的端口，从而可以在电路/系统级定义和共同仿真馈电结构（左下），以监测每个天线单元的天线输入阻抗的变化，通过射频馈电网络控制天线波束的转向。

如果天线的馈电网络也在AXIEM / Analyst（图9）中实现，那么也可以在AXIEM或Analyst中使用详细的物理阵列对天线阵列的性能进行建模，指定每个单独的端口馈送（如图8所示）或者单个馈送网络（如图9所示）。

图9.

图9.该图显示了对在RO4003C PCB上布局的8×8贴片天线阵列的仿真模拟结果，天线阵列的尺寸大约2.3×2.5cm。
树状结构的公共馈电路径保证了天线阵列的整体辐射是有同相叠加合成性的，从而在1GHz带宽上产生了大于20dBi的阵列增益。

这种方法使设计团队能够研究波束角度和每个单独元件输入阻抗之间的相互作用，从而使RF前端器件设计人员能够考虑阻抗对收发信机性能的影响。
这种能力突出了RF电路，系统和EM协同仿真在制造这些复杂系统之前对电路/天线行为进行精确地研究的重要性。

对于道路上的车辆，雷达将会接收到不需要的背向散射以及环境中的大型固定物体，如建筑物和护栏的边缘散射。
除了直接路径反射之外，散射体之间也存在多径反射，可以通过使用MIMO天线来减轻这些散射杂波的影响。

MIMO雷达系统使用多个天线系统，每个发射天线独立于其他发射天线发射任意波形。
每个接收天线都可以接收这些信号。
由于波形不同，回波信号可以重新分配给单个发射器。
N个发射机的天线场和K个接收机的场从数学地将导致K·N个单元的虚拟场，导致放大的虚拟孔径，从而允许设计者减少必要的天线阵列单元的数量。
MIMO雷达系统从而提高空间分辨率并提供显著提高的抗干扰性。
通过改善信噪比，目标的检测概率也增加了。

VSS能够实现用户指定的MIMO算法，并评估与信道模型相关的整体性能（如图10所示）。
用户可以模拟一个高度可定制的多径衰落信道，包括信道路径损耗，发射机和接收机之间的相对速度以及最大多普勒扩展角度。
该软件也支持独立或连续的块到块操作，该信道可以包含多种路径衰落形式（LOS，Rayleigh，Ricean，频移），可以根据其衰落类型，延迟，相对增益和其他适用特性来进行单独配置。
该模块还可以模拟具有用户定义的几何结构的接收机天线阵列，从而能够模拟单输入多输出（SIMO，single-input, multiple-output ）系统的性能。

图10.

图10. VSS可以实现用户指定的MIMO SIMO算法。

除了变得更加复杂和可靠之外，在不久的将来，ADAS系统将在大多数（如果不是全部的话）车辆中变得更加普遍地应用。
由于在5G通信中将发生的天线阵列和毫米波技术的类似进步，大多数汽车和卡车将比现在更安全。
仿真技术的进步 - 尤其是RF感知电路设计，天线阵列的建模和系统级联合仿真 - 将使天线设计人员和系统集成人员能够针对具有挑战性的天线尺寸，成本和可靠性等设计目标来优化这些系统。

（完）