塑料金屬化3D波導天線為新一代汽車雷達帶來變革
塑料金屬化3D波導天線為新一代汽車雷達帶來變革
為了尋找高效、緊湊的輻射方向圖，同時生產(chǎn)制造成本有足夠的競爭力，HUBER+SUHNER的工程師們自2000年代初以來不斷致力于塑料金屬化技術(shù)的研究。在克服并開創(chuàng)了多項新技術(shù)后，成功設(shè)計、制造并驗證了具有緊湊外形的輕量化3D波導天線。
得益于更高的輻射效率、方向圖穩(wěn)定及更大帶寬等特點，該天線在汽車領(lǐng)域越來越受到追捧。這項工作回顧了HUBER+SUHNER成為3D波導雷達天線供應商的歷程。
起源：毫米波信號回傳
第一款塑料金屬化3D波導天線(圖1)由HUBER+SUHNER設(shè)計，并從2006年開始在該公司生產(chǎn)。 該產(chǎn)品工作在V波段和E波段(分別為57-66GHz和71-86GHz)，在符合國際法規(guī)的同時，為毫米波信號回傳給予更高增益和更小尺寸的解決方案。
基于設(shè)計需求，HUBER+SUHNER同時采用了多種新穎的設(shè)計，順利獲得單一饋源將信號等幅等相饋入1024到4096不等個輻射通道。該設(shè)計得到了信號非常集中的筆形波束輻射方向圖（方向性分別為38至43dBi），和可控的副瓣電平及穩(wěn)定的頻點增益（圖2）。
高Q值濾波器和雙工器也是用同樣的技術(shù)制造的。該技術(shù)也直接體現(xiàn)出更多的優(yōu)勢，更緊湊的機械結(jié)構(gòu)和固定概念，進一步實現(xiàn)了一種全新的集成式點對點毫米波無線回傳系統(tǒng)SL60（圖3a）3。圖3b顯示的是最新V波段天線和雙工器組合設(shè)計。
解決城市帶寬需求挑戰(zhàn)
Terragraph項目有助于HUBER+SUHNER塑料金屬化天線演變到了下一階段，需求從點對點連接轉(zhuǎn)向多點對多點的無線分布網(wǎng)絡應用。該項目旨在為更多的人給予快速的互聯(lián)網(wǎng)接入，在光纖使用成本較高的市場上部署更快、更有效的千兆連接。借鑒57-66GHz頻譜寬帶特性，HUBER+SUHNER給予天線解決方案，助其搭建了第一批持續(xù)、可靠連接的技術(shù)驗證框架（圖4）。
多通道的演變
多點到多點的無線網(wǎng)絡分配也同時有助于HUBER+SUHNER塑料金屬化天線從單信道開展到多信道；設(shè)計和生產(chǎn)了一款36通道垂直極化天線。順利獲得多通道天線設(shè)計形成的主波束，將通信鏈路指向所需的地方。圖5顯示了天線水平面35度內(nèi)全覆蓋，同時保持29dBi以上的實際增益。
設(shè)計和生產(chǎn)多通道天線也極大地影響著測試。早在2016年，HUBER+SUHNER工程師就設(shè)計了一個半自動化的系統(tǒng)來測試所有通道，并確保交付產(chǎn)品的質(zhì)量。
最后，幾個通道的同時使用要求天線和有源器件之間要有更高的集成度。因此 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 開發(fā)了一種專用的射頻接口，將天線直接安裝在印刷電路板（PCB）上，不需要再使用波導法蘭，以提高產(chǎn)品的整體緊湊性，實現(xiàn)更高的性能。
77GHz汽車MIMO雷達：最有效點
HUBER+SUHNER將塑料金屬化天線引入通信市場后，于2016年將該技術(shù)引入汽車雷達應用，并在2018年進行首次展示。從那時起，多種天線方案和傳感器方案得到設(shè)計、生產(chǎn)和驗證，用以解決這兩款產(chǎn)品應該如何開發(fā)并集成在新的生態(tài)系統(tǒng)中。
由于大多數(shù)設(shè)備制造商(OEM)和一級供應商需要在保密狀態(tài)下對天線進行高度定制設(shè)計，因此本文僅介紹HUBER+SUHNER內(nèi)部天線和系統(tǒng)的開發(fā)，天線用于不同的雷達應用(長、中、短距，角和側(cè)視雷達)。
3D波導天線和它的生態(tài)系統(tǒng)
第一款驗證系統(tǒng)Demorad（圖6）里開發(fā)的天線，共包括四層3D打印板、基于低損耗射頻PCB的微帶線轉(zhuǎn)波導腔體饋電單元和一個饋電均勻的天線陣列。接收（Rx）和發(fā)射（Tx）分別選擇了兩個以上和四個以上間隔，建立對應的天線陣列（8Rx，4Tx）。
圖7顯示了初樣天線的一些實測特性。結(jié)果有力地展示了該技術(shù)的寬頻特性（12%的相對帶寬），能夠使用于76-81GHz汽車雷達全頻段。輻射特性也同樣出色，-15dB副瓣電平和90%的效率（0.5dB損耗）。
這些特性優(yōu)于傳統(tǒng)PCB方案，哪怕是業(yè)內(nèi)最先進的PCB天線10。雖然這個初樣是與英飛凌合作開發(fā)的，但該技術(shù)解決方案可應用于所有的MMIC供應商。
如今該設(shè)計和技術(shù)已經(jīng)向前邁出了幾步。第一步是產(chǎn)品的小型化。Demorad驗證了其出色的射頻性能，但由于用了四層塑料，產(chǎn)品顯得很笨重。隨著技術(shù)的開展，現(xiàn)在層數(shù)已減少到兩層，整體厚度減少到不到兩個。
第二步是引入更先進的饋電技術(shù)，振幅和相位漸變，實現(xiàn)更復雜的輻射方向圖。僅用兩層塑料就可以實現(xiàn)不同的性能特征，順利獲得波束傾斜將寬方位面波形改為窄俯仰面波形，同時保證極低副瓣，如圖8中實測的輻射特性所示。所有典型的汽車雷達（長、中、短距雷達）要求現(xiàn)在都可以滿足。作為現(xiàn)代技術(shù)進步的結(jié)果， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 也可以很容易地實現(xiàn)不同的極化，如水平、垂直、±45°;或圓極化，從而實現(xiàn)極化雷達的應用。
第三步是與傳感器其他部分和MMIC的集成。第一款初樣依托低損耗射頻板來傳輸和激勵MMIC到天線的信號；然而，這需要高性能/高成本的射頻板，且板材本身也會產(chǎn)生明顯的損耗，并不能充分達到低損耗波導的技術(shù)潛力。
而 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 與德州儀器最新聯(lián)合開發(fā)的項目中，成功實現(xiàn)了一款高度集成的傳感器（圖9a）。從MMIC順利獲得PCB上的電鍍孔直接耦合到天線專用射頻接口，實現(xiàn)高效的功率傳輸，且不需要低損耗射頻板。這給予了一種可獨立于射頻板外的解決方案，在性能（避免了產(chǎn)生2到3dB損耗的PCB輻射單元）和成本（避免了對高性能射頻材料的依賴）方面都有巨大的優(yōu)勢。
圖9b是另一個集成示例，展示了HUBER+SUHNER 3D塑料金屬化天線成為下一代數(shù)字成像雷達的一部分。它的低損耗特性對于大孔徑多通道天線陣列的性能至關(guān)重要。
最后，更大尺寸的3D天線可以增加更優(yōu)異設(shè)計的可能性，以減小（若無法完全消除時）天線罩和/或輻射單元前方的保險杠引起的方向圖失真。圖10中的橙色曲線顯示了使用介電常數(shù)為3.0、厚度為3.5毫米、天線到保險杠距離為18毫米的扁平形狀保險杠模型，模擬天線-保險杠間的輻射相互作用的多重結(jié)果。順利獲得在天線頂層引入周期性元素（即metasurface），此時的主波束輻射性能得到了大幅恢復，方向圖中的抖動等現(xiàn)象明顯減少（藍色曲線）。
技術(shù)：具備大規(guī)模生產(chǎn)能力
自創(chuàng)建以來，HUBER+SUHNER塑料金屬化技術(shù)不斷在不斷開展成熟，將大批量制造、低成本控制和成熟的生產(chǎn)工藝步驟完善化，諸如：注塑成型工藝(IM)、物理氣相沉積(PVD)和焊接工藝(如回流焊中的錫膏應用和檢驗等)。由于完全擁有這三項技術(shù)并對其進行了聯(lián)合優(yōu)化，HUBER+SUHNER可靈活調(diào)整從通信領(lǐng)域轉(zhuǎn)向汽車市場時的核心制造環(huán)節(jié)(例如擴大溫度和濕度范圍，增加循環(huán)次數(shù))，嚴格保證產(chǎn)品的使用壽命和可靠性要求。
這種專業(yè)的生產(chǎn)能力與自身擁有出色的制造設(shè)計能力密切相關(guān)。為了確保上述生產(chǎn)步驟的精確度， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 將復雜的射頻三維結(jié)構(gòu)分成幾個不同層來保證工藝精度，同時密切關(guān)注射頻性能和制造可靠性。
例如，為支持TE10模式，同時將不同層連接起來，波導在電場最大值處被分割開來，同時此處的表面無電流。最終形成一款高性能、堅固、易于實施又無能量泄漏的組件。這種設(shè)計方法，加上專有的涂層，可實現(xiàn)每米損耗低至8-10dB，且相鄰通道之間互相沒有耦合。
最后如前所述，結(jié)合自身多樣的組合經(jīng)驗，HUBER+SUHNER開發(fā)了一套完整的RF測試站，可以在幾秒鐘內(nèi)驗證所有的RF通道。
圖11展示了一套典型的塑料金屬化技術(shù)生產(chǎn)線的工藝流程，它具備一個模塊化的管理方法可適應不同的客戶需求。
技術(shù)：同時又具備敏捷性
滿足大規(guī)模生產(chǎn)的設(shè)備可用性和使用可能會危及產(chǎn)品開發(fā)項目過程中所需的敏捷性，特別是在新技術(shù)引入新市場的時候。然而事實上，驗證復雜和具有挑戰(zhàn)性的產(chǎn)品迭代設(shè)計需要快速而簡單的生產(chǎn)技術(shù)。
HUBER+SUHNER掌握了3D打印技術(shù)和快速IM(如使用鋁制工具)來生產(chǎn)單層塑料，同時保證一個內(nèi)部專門的打樣車間進行涂鍍、焊接。這樣可以為一些前期的概念驗證和研究供應初樣階段樣品生產(chǎn)，同時也可進行小批量生產(chǎn)，滿足產(chǎn)品開發(fā)要求、交付時間和成本。挑戰(zhàn)，也是藝術(shù)，在于實現(xiàn)一個盡可能接近批量生產(chǎn)的解決方案，挑戰(zhàn)甚至在產(chǎn)品開發(fā)早期就可能出現(xiàn)。HUBER+SUHNER掌握并控制著從塑料粒子到最終認證產(chǎn)品完整的價值鏈。
大規(guī)模生產(chǎn)：今天和未來
現(xiàn)在汽車雷達天線的需求并沒有減緩的跡象，而駕駛輔助功能日益凸顯，緊急制動助手、自適應巡航控制，甚至是自動駕駛。為了滿足這一不斷增長的需求，HUBER+SUHNER投入了大批量的生產(chǎn)技術(shù)，從一開始就融入了高度自動化。
除在瑞士建立的第一條高度自動化長距雷達天線生產(chǎn)線外，最近HUBER+SUHNER在波蘭工廠也建立了一條短距雷達生產(chǎn)線。下一步，HUBER+SUHNER會根據(jù)客戶和市場的需求，在其他主要市場所在的工廠增加新生產(chǎn)線，如中國和美國。這樣在靠近客戶的工廠就近生產(chǎn)，最大限度地減少與產(chǎn)品相關(guān)的二氧化碳排放比例。
結(jié)論
HUBER+SUHNER塑料金屬化技術(shù)正在徹底改變汽車雷達的所有應用(長距、中距和短距、角和側(cè)視雷達)，因為它能夠?qū)崿F(xiàn)非常低的插入損耗，并提高雷達效率、方向圖穩(wěn)定性和阻抗帶寬。與PCB天線相比，它給予了壓倒性的出色性能，且制造成本非常具有競爭力。尤其需要強調(diào)的是，非常低的路徑損耗（每米小于8-10dB）使得天線陣列可以更自由地進行大孔徑天線設(shè)計，實現(xiàn)雷達系統(tǒng)的高分辨率和增加虛擬陣列的可能性。
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