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Tesla雷達(dá)天線淺析

發(fā)布時間:2023-10-13 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】前段時間Tesla重拾雷達(dá)的消息擾動了整個行業(yè),甚至擾動了資本市場。網(wǎng)絡(luò)上也放出來幾張雷達(dá)PCB及實(shí)物尺寸圖。本期邀請了一份技術(shù)稿,對這款雷達(dá)做一些基本的分析,和大家一起探討,如有錯誤之處,期待各位讀者朋友及同仁的指導(dǎo)。


根據(jù)xx的測試報告,行業(yè)研究指出Tesla雷達(dá)采用TI 2243雙芯片級聯(lián)方案。TI官網(wǎng)給出的芯片發(fā)射功率為13dBm,RX noise figure:12dB。從測試報告里可以看出,Tesla雷達(dá)采用FMCW工作體制,工作頻率為76-77GHz,且雷達(dá)支持三種工作模式(文件中定義為Mode3,Mode4和Mode5),三種工作模式的掃頻帶寬分別為210MHz,400MHz和700MHz,斜率一樣。


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模式特性


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工作模式


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不同模式的參數(shù)配置


產(chǎn)品尺寸:196 mm (Length)×82 mm (Width)×40 mm (Height)。由于沒有相應(yīng)的板材信息,根據(jù)其他廠商雷達(dá)的材料選型,文中的仿真材料選用Rogers3003,為常用材料,介電常數(shù)3,損耗正切角0.001。


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雷達(dá)實(shí)物圖


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雷達(dá)PCB


使用微帶轉(zhuǎn)SIW結(jié)構(gòu),雷達(dá)屏蔽罩可實(shí)現(xiàn)全接地方式,達(dá)到更好的電磁屏蔽效果。雷達(dá)采用內(nèi)置微帶天線,總增益20.32dBi,雷達(dá)有6個發(fā)射天線,但只有4個天線能同時發(fā)射,單天線最大增益14.3dBi,總增益=單根天線增益值+10log(同時發(fā)射天線個數(shù))=14.3dBi+10log4=20.32dBi。同時還給出了單天線的俯仰和方位波束寬度。


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天線信息


FCC法規(guī)中§ 95.3367(a)章節(jié)對 76-81 GHz 頻段雷達(dá)輻射功率限制如下:76-81 GHz 頻段內(nèi)的基本輻射發(fā)射限制以等效全向輻射功率 (EIRP) 表示,如下所示:(a) 根據(jù)使用具有 1 MHz 分辨率帶寬 (RBW) 的功率平均檢測器的測量結(jié)果,76-81 GHz 頻帶內(nèi)的最大功率 (EIRP) 不得超過 50 dBm。(b) 根據(jù)使用具有 1 MHz RBW 的峰值檢測器的測量結(jié)果,76-81 GHz 頻帶內(nèi)的最大峰值功率 (EIRP) 不得超過 55 dBm。根據(jù)ISEDC RSS-251第8.1章節(jié),根據(jù)使用具有1 MHz 分辨率帶寬 (RBW) 的功率平均檢測器的測量結(jié)果,測試功率為占用帶寬內(nèi)的總功率,且最大峰值功率不得超過55dBm。


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Peak fundamental Emission


Tesla雷達(dá)的三種工作模式下的Peak EIRP測試結(jié)果如下表:


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測試值


接下來,將對測試結(jié)果進(jìn)行分析(增益和發(fā)射功率均以最大值計算):


根據(jù)測試報告,可以得出單天線性能(最大增益14.3dB,3dB方位波束寬度48°,俯仰14°)。芯片發(fā)射功率TX power=13dBm,Mode 3 Max EIRP=31.54 dBm,Mode 4 EIRP=32.97 dBm以及Mode 5 EIRP=36.19 dBm。測試結(jié)果中是以的PSA reading是以dBuV/m為單位,需要轉(zhuǎn)換到dBm。根據(jù)ANSI C63.10-2013 Section 10.3.9,在距離為3m的測試場景下,dBuV/m到dBm的轉(zhuǎn)換公式是EIRP(dBm)=E(dBuV/m)-95.3。E(dBuV/m)對應(yīng)上表中的Corrected Field Strength(dBuV/m at 3m)。


假設(shè)存在單天線發(fā)射模式,此時天線增益14.3dBi,芯片功率13dBm,在系統(tǒng)損耗(x)一定的情況下,峰值EIRP=14.3+13-x=27.3-x,此種工作模式下的最大EIRP值無法到達(dá)前面的Mode3、4、5中的EIRP值,因此雷達(dá)不存在單發(fā)模式。兩芯片級聯(lián)并且同時工作時,總的發(fā)射功率Tx total=Tx power+10log2=16.01dBm。同時,不同個數(shù)的天線同時發(fā)射時的增益值如下:單根天線天線發(fā)射增益:14.3dBi;兩根天線同時發(fā)射時增益為17.3dBi;三發(fā)和四發(fā)增益分別為19.07dBi和20.32dBi;因?yàn)镸ode5的EIRP為36.19dBm,結(jié)合芯片功率和損耗值可知Mode5的工作模式為雙芯片4發(fā)。對比Mode4和Mode5之間的EIRP差值(3dB),可以推導(dǎo)出Mode4的工作模式為雙芯片雙發(fā),Mode3的工作模式為單芯片三發(fā)。(以上推論是作者基于測試報告中已給出的工作模式和測試值,計算公式為EIRP=Tx power+Antenna Gain-Loss,是否存在其他工作模式,尚無法確認(rèn))。


天線布局見下圖(未加屏蔽罩及SIW結(jié)構(gòu)),根據(jù)單個接收天線的尺寸做比擬,以半波長間距為基準(zhǔn),得到發(fā)射天線和接收天線的間距。兩芯片級聯(lián),其中芯片1的三發(fā)處于同一水平面,無俯仰向區(qū)分,間距6倍波長。芯片2(Tx3-Tx5)的三個發(fā)射天線俯仰向相差2倍波長,水平間距3倍波長。PCB表層采用人工電磁表面結(jié)構(gòu),可減小紋波抖動。


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天線布局圖


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接收天線


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接收天線方向圖@76GHz


接收天線,Port1和Port2之間的性能差異在方位面角度上,Port2方位面角度約120°,Port1方位面角度50°(3dB),推斷短距離模式用上圖接收天線中的Port2和Port7來工作。


為實(shí)現(xiàn)屏蔽罩全接地,天線采用SIW轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),對加載SIW結(jié)構(gòu)的RX天線組進(jìn)一步仿真,由于SIW結(jié)構(gòu)的寬度主要影響截止頻率,因此在沒獲得準(zhǔn)確的參數(shù)的前提下,仿真結(jié)構(gòu)的截止頻率可能和Tesla用的SIW結(jié)構(gòu)存在差異。對SIW結(jié)構(gòu)做阻抗匹配,并代入天線饋電端口,接收天線的隔離度大于-20dB,由于未對Port2上的功分器做過多的匹配設(shè)計,因此Port2和Port3之間存在一定頻偏量;


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加載SIW結(jié)構(gòu)的S參數(shù)


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增加屏蔽罩金屬地的S參數(shù)


在SIW結(jié)構(gòu)上增加金屬接地,模擬屏蔽罩的影響(受仿真時間限制,未將整個屏蔽罩設(shè)計進(jìn)去),增加接地金屬前后S參數(shù)并未產(chǎn)生明顯偏移和畸變,兩者基本重合。且SIW結(jié)構(gòu)在76.5GHz處的電場均勻分布在波導(dǎo)管內(nèi)。


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SIW的電場分布@76.5G


加載了SIW結(jié)構(gòu)的天線仿真性能如下,由于SIW結(jié)構(gòu)比較短,因此整體損耗并不大。


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加載SIW結(jié)構(gòu)的天線性能


由于尚不清楚工作時天線的選擇方式,以及移相器配置,因此無法知曉具體的發(fā)射天線工作方式。根據(jù)上面的不同模式推理,感興趣的讀者可以嘗試選擇不同的發(fā)射天線進(jìn)行組合,對可能的組合形式做進(jìn)一步仿真分析,可以明確的是,不同的發(fā)射天線組合形式勢必會增強(qiáng)天線增益強(qiáng)度和天線FoV的變化。


總結(jié):


1.仿真結(jié)果的峰值天線增益未達(dá)到14.3dBi,因此仿真模型里天線陣元間距及尺寸還有優(yōu)化空間,另外SIW結(jié)構(gòu)的阻抗也可以進(jìn)一步優(yōu)化。值得借鑒的是采用SIW結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)天線罩全接地的設(shè)計方案,有利于進(jìn)一步屏蔽芯片端對天線的射頻干擾。


2.單天線性能比較常規(guī),難點(diǎn)在于天線布局,文章僅對天線本體性能作仿真驗(yàn)證,尚未牽扯到虛擬列、稀疏陣等天線布局仿真分析;

雷達(dá)采用德州儀器的2243芯片,F(xiàn)MCW工作體制,雖然2243支持76-81 GHz,但為了符合法規(guī),但雷達(dá)帶寬將被天線限制在76-77GHz。中心頻率為76.5GHz,雙芯片級聯(lián)實(shí)現(xiàn) 6 個 TX 和 8 個 RX 通道,最大虛擬通道數(shù)為 48。芯片發(fā)射功率13dBm,接收天線和發(fā)射天線都為13dBi,饋線和介質(zhì)損耗LTx=5dB,LRX=3dB,天線罩雙向損耗=2dB,保險杠雙向損耗2dB,NTD=3,Nvirtual=19。


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根據(jù)以上參數(shù),代入雷達(dá)方程,則可以得到不同RCS下雷達(dá)的最遠(yuǎn)探測距離關(guān)系。


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RCS vs Distance


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PCB和關(guān)鍵尺寸


MIMO 虛擬孔徑分析


見上圖,第一種(藍(lán)色線條)是增加方位角范圍來提升角度分辨率的模式。該模式下無法進(jìn)行遠(yuǎn)距離測量,同時虛擬陣元的間距(~1.2 波長)。


第二種(橙色線條)是提供目標(biāo)位置的方位角和仰角測量的模式,主要增加俯仰探測能力。


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Rx 天線(圖片來源:Ghostautonomy)


第二個和第三個(左起)RX 天線具有與其他接收天線方位面角度及間距不一樣。這樣設(shè)計的好處在于可以靈活配置8個RX的工作狀態(tài);


要獲得更高角度分辨率,可以用Rx2和Rx3同時工作,此時天線性能和其余接收天線一致,而且變?yōu)榱碎g距4.5mm的均勻陣列(若Rx2和Rx3都采用和其余接收天線一樣的形式,雖然接收天線孔徑變大,但在發(fā)射天線位置固定的前提下,虛擬陣列重疊的個數(shù)會增加,利用率降低)。此時重疊的虛擬陣元為2個。為獲得更低的旁瓣電平,只使用接收天線1-4,此時為非均勻陣列,但兩者的方位角度是不一樣的。


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不同模式的虛擬陣列分布


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不同模式的方向圖


上面給出了不同模式下的虛擬陣列形式,且給出了相應(yīng)的方向圖結(jié)果。Tesla天線布局不僅實(shí)現(xiàn)了高分辨率同時優(yōu)化了旁瓣電平。


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不同發(fā)射組合俯仰


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不同發(fā)射組合方位


根據(jù)參數(shù)優(yōu)化后的性能見上;


來源:雷達(dá)天線站



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