毫米波雷达天线罩设计指导2(TI文档)

5 天线罩设计与仿真

本节重点介绍了一些天线罩设计和仿真，IWR6843 ISK型天线使用球形天线罩作为案例研究。在本节中，将比较带和不带天线罩的远场天线辐射方向图。在这次仿真中，使用了IWR6843 ISK EVM设计的衍生品。

图5-1 ~图5-4为三维电磁场求解工具(如Ansys公司的HFSS)中天线罩的仿真图。

图5-1 球面天线罩HFSS模型:37.44mm外半径

图5-2 球面天线罩HFSS模型:18.24mm外半径

图5-3 更小的球形HFSS模型:相应的尺寸和布局与PCB的半透明视图

图5-4 更大的球形HFSS模型:相应的尺寸和布局与PCB的半透明视图

球面天线罩设计如图5-5所示，根据天线孔径大小和期望视场要求选择半径。在这种情况下，设计优化为±70度方位角和±40°仰角视场。所选择的曲率半径优化为λ0/2的整数倍。为了进行分析，选用ABS-HG_FR材料，Dk为2.8，Df为7.90E-03。

图5-5 天线罩曲率半径基于天线孔径和视场要求

下面的图像显示了与无天线罩模式相比，在最佳厚度下，不同外径λ0/2 (18.24 mm, 31.2 mm, 37.44 mm)的仿真天线辐射图。对于TX图像，显示了IWR6843的三个发射器，同样对于RX图像，四个接收器以不同的颜色显示。在对比中分析了方位角和仰角两个方面。根据在天线模式中看到的波纹和视场边缘的天线增益，31.2mm的半径似乎是这种设计的最佳选择。预计大约有2-3 dB的双向损耗，需要在系统链路预算分析中考虑。。

图5-6 没有天线罩的TX方位辐射方向图

图5-7 天线罩半径18.24mm的TX方位辐射方向图

图5-8 天线罩半径37.44mm的TX方位辐射方向图

图5-9 天线罩半径32.64mm的TX方位辐射方向图

图5-10 没有天线罩的RX方位辐射方向图

图5-11 天线罩半径18.24mm的RX方位辐射方向图

图5-12 天线罩半径37.44mm的RX方位辐射方向图

图5-13 天线罩半径32.64mm的RX方位辐射方向图

下面的图像显示了对俯仰角视场进行的类似分析。对于±40°俯仰角视场，由于天线罩的影响，波纹影响最小。

图5-14 没有天线罩的TX俯仰辐射方向图

图5-15 天线罩半径18.24mm的TX俯仰辐射方向图

图5-16 天线罩半径37.44mm的TX俯仰辐射方向图

图5-17 天线罩半径32.64mm的TX俯仰辐射方向图

图5-18 没有天线罩的RX俯仰辐射方向图

图5-19 天线罩半径18.24mm的RX俯仰辐射方向图

图5-20 天线罩半径37.44mm的RX俯仰辐射方向图

图5-21 天线罩半径32.64mm的RX俯仰辐射方向图

6 天线罩实验室实验

实验室测量使用了不同材料、形状和厚度的多个天线罩。介绍不同天线罩的测量结果。

6.1 天线罩实验- 1:平面塑料天线罩

天线罩厚度为2mm，选用ABS塑料材料构造。天线罩外观如图6-1所示。实验在IWR6843ISK EVM板上以62 GHz为中心频率进行。

图6-1 ABS塑料矩形天线罩，壁厚2mm

以ABS塑料矩形天线罩为例，如图6-2所示。无天线罩时的天线辐射方向图如图6-3所示，有天线罩时的天线辐射方向图如图6-2所示。从图中可以看出，该天线罩显著降低了天线的辐射方向图。

图6-2 2毫米壁厚ABS塑料矩形天线罩的方位天线辐射方向图

图6-3 没有天线罩的方位天线辐射方向图

6.2 聚四氟乙烯材料矩形天线罩

第二次实验选用矩形天线罩，壁厚1.524 mm，材料为聚四氟乙烯板材。天线罩的外观如图6-4所示。

图6-4 基于聚四氟乙烯的矩形天线罩，壁厚1.524 mm

带矩形天线罩和不带矩形天线罩的天线辐射方向图分别如图6-5和图6-6所示。可以看出，与常规ABS天线罩相比，使用PTFE材料可以减少畸变量或纹波幅度。在这种情况下，畸变较少，因为选择天线罩的厚度和材料来优化整个视场的透明度。

图6-5 PTFE矩形天线罩天线辐射测量

图6-6 没有天线罩的天线辐射测量

6.3 基于聚四氟乙烯的弯曲天线罩

第三个实验采用弯曲形天线罩，壁厚1.524 mm，材料为聚四氟乙烯，如图6-7所示。

图6-7 聚四氟乙烯弯曲天线罩，壁厚1.524 mm

弯曲型聚四氟乙烯材料天线罩天线辐射方向图和角度估计如图6-8 ~图6-11所示。与矩形天线罩相比，弯曲型天线罩的效果更好，天线辐射方向图失真或波纹更小，宽视场角下的角度估计误差更小。图6-9和图6-11中应用的相位校准在7.1节中进行了讨论，从图中可以看出，它移动了角度误差曲线，使估计的角度在天线视轴处调整为零。

图6-8 没有天线罩的天线辐射方向图测量

图6-9 无天线罩的方位角估计误差测量-有和没有相位校准

图6-10 弯曲型天线罩的方位天线辐射方向图（原文为俯仰可能有误）

图6-11 弯曲型天线罩的方位角估计误差测量-有和没有相位校准

7 额外注意事项

7.1 天线校准

为了提高天线罩内的天线性能，可以应用SoC级天线校准来补偿范围和接收器增益中的偏置以及RF路径延迟引入的相位。在较高的层级上，该程序的目标是确定所有Tx-Rx路径共有的范围偏置偏移，以及参考对象在远场中放置在固定已知距离处的每个虚拟Tx-Rx对的增益和相位失配。有关此主题的更多信息，请参见[4]。

毫米波SDK提供了一种通过开箱即用(OOB)演示在命令行界面生成校准系数的方法。有关更多详细信息，请参阅毫米波SDK用户指南并查找compRangeBiasAndRxChanPhase程序。此外，数据路径处理链中校准例程的程序和实现可以在毫米波SDK安装文件夹中找到:mmwave_sdk_<ver>\packages\ti\datapath\dpc\objectdetection\<chain_type>\docs\doxygen\html\index.html。您可以使用OOB演示来执行校准或将提供的源代码移植到您自己的自定义应用程序中。

此外，使用相同的OOB演示应用程序和读取源，有一个从空气天线罩边界去除近场反射的程序。在距离FFT输出中，靠近雷达的距离单元中可能存在天线耦合特征，这些特征在DC附近表现出来(参见SDK用户指南中的calibDcRangeSig)。同样的校准程序也可以用来消除由天线罩引起的任何近场反射。

7.2 天线罩近距离考虑

天线罩将自然地提供一个外部表面，在那里其他环境层将形成，并可能随后影响系统的性能。本文档不讨论此主题，但是，下面列出了一些示例挑战：

•用于割草机的湿草/泥沉积物

•灰尘和泥浆沉积物的越野车辆

•工厂车辆的金属粉尘和其他粉尘沉积物

•天线罩的吸水率可能是一个重要的影响因素，因为电性能会发生变化。

•汽车和外部车辆的天线罩或监视雷达传感器外部的冰雪形成会显著降低雷达探测能力的动态范围。当雷达部署在可直接暴露于降水的区域时，这通常通过在天线罩中嵌入加热器来解决。

为了解决上述一些挑战，需要手动或内置清洁系统，在使用自定义内置诊断检测到射频可见性被遮挡后，雷达系统可以触发该系统。

如果外壳是金属结构的一部分，也可以作为散热片，金属部分不应突出到天线的视野内。

在某些情况下，在天线罩内，为了防止从天线罩壁到PCB的多次反射，在可行的情况下使用吸收材料是一个很好的做法。在覆盖天线元件时，应避免其他技术，例如传统使用PCB灌封以保护环境。这些材料往往具有未知Dk特性的可变厚度，并且可能严重降低天线的性能。然而，如果需要额外的保护，可以在天线结构上使用非常薄(~1 μm)的低损耗涂层材料[11]。