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缝隙波导技术改变汽车雷达的游戏规则

Carlo Bencivenni、Abolfazl Haddadi、Abbas Vosoogh和Marcus Hasselblad，Gapwaves AB

向毫米波频段的转变和对更可靠的传感器的需求给汽车雷达带来了越来越大的压力，对经典的印刷电路板（PCB）天线所能提供的功能提出了挑战。缝隙波导技术通过以具有竞争力的价格提供出色的性能和先进的功能，已经成为一种有吸引力的解决方案（见图1）。

图1 带外壳的汽车成像雷达天线。

尽管存在技术上的挑战，但微波行业一直在向更高的频率前进。一方面，是必要性的驱使，如已经使用的频谱越来越拥挤，以及高频率的优势，如更大的带宽和更小的尺寸。另一方面，存在的障碍是电路的低性能和不太有利的传播条件。最近，现代电信和雷达系统已经顺利进入毫米波频段。虽然这符合大趋势，但它带来了相当大的挑战。因此，该技术正在推动几个既定解决方案的演进，从信号处理到硬件。

当涉及到射频分布和辐射时，基于PCB技术的平面解决方案通常是首选，能为大多数应用提供足够的性能，成本低，集成简单。在以前的低频段和新的77GHz频段的第一代汽车雷达中也是如此。然而，在毫米波频率下，诸如低带宽、高损耗和昂贵的射频基材等问题变得非常重要，PCB的局限性为其他技术创造了机会。一些替代的候选技术包括传统波导、基材集成波导（SIW）、低温共烧陶瓷（LTCC）和透镜天线。

汽车雷达应用

汽车雷达已经完成了向76至81GHz频段的迁移，现在也被国际监管机构强制要求。¹主要的好处是，由于频带更宽，距离测量更准确，而且由于尺寸缩小，传感器更容易集成到汽车上。同时，高级驾驶辅助系统（ADAS）功能的增加和自动驾驶（AD）的兴起需要能力更强和准确的传感器。由于其低成本和全天候运行，雷达预计将继续发挥重要作用。然而，要做到这一点，雷达必须不断提高其性能，同时继续满足严格的成本、尺寸、散热和可靠性要求。

为了达到对车辆周围环境的准确和完整感知，业界开发了多种雷达传感器。²在ADAS应用中，人们通常根据相应功能所需的距离和视场（FoV）来区分短程、中程和远程雷达，如盲点检测、变道辅助和前方碰撞警告。这些传感器是专门的，而且越来越普遍。它们通常有8到16个通道，外形紧凑。成本是一个关键因素（见图2）。这里的主要性能挑战是达到所需的探测距离和FoV。在频谱的另一端是更强大和灵活的高分辨率传感器，例如用于AD系统。它们也被称为成像雷达（见图1），因为它们能够通过高分辨率提供类似照相机/激光雷达的感知能力。这些更先进、更高级的传感器，有30到100个通道。主要的性能挑战是实现低损耗布线和复杂的大型天线与大量的通道。

图2 用于ADAS的紧凑和低成本的角雷达天线。

缝隙波导技术

传统波导是最早的、性能最好的射频技术之一，但笨重和高成本使其仅限于卫星和军事等小众高端应用。随着毫米波频段设备的小型化，由于容差变得越来越严格，成本仍然是一个主要障碍。事实上，最具挑战性和最昂贵的制造方面之一是确保零件之间的精确配合。出于这个原因，通常使用高精度的铝铣和许多螺钉。虽然存在更多的解决方案，如浸渍钎焊、焊接和3D打印，但是它们仍然昂贵，技术要求高，所以不适合大规模生产。

同时，缝隙波导技术已经成为一种解决方案，能够以一种稳健的、高效益的方式达到相同的性能。³在最典型的实施中，只需用人工磁导体（AMC）纹理取代波导侧壁，通常以适当尺寸的周期性柱子的形式，就可以获得一个等效传输线。然后，即使在部件的制造或组装过程中存在配合缺陷，场仍然很好地限制在波导通道内，不像传统的空心波导会出现场击穿，如图3所示。从理论上讲，缝隙波导技术适用于高达四分之一波长的缝隙，在E波段为0.9毫米，但它是用来放宽容差，从而降低成本的。

图3 在小的装配缺陷下，标准波导中的场会被破坏（左），而缝隙波导则按设计运行（右）。

Gapwaves汽车解决方案

早在2018年，在业界对波导解决方案的最初怀疑中，Gapwaves发布了一个汽车参考天线，⁴如图4所示。从外形上看，该天线采用了最小的1.5层（一个核心层和一个扁平的2D金属层）、2毫米以下的厚度和非导电胶装配。从性能上讲，六个通道支持整个76至81GHz频段，半波长间距，窄的仰角覆盖，宽而适中的方位面，使用串联缝隙波导端部馈电设计和可选分组。

图4 Gapwaves制作和组装的汽车参考天线（下图）；其爆炸图（上图）。

今天，Gapwaves提供了一系列的技术和制造解决方案，以最好地解决灵活的大批量角传感器以及大型高级成像雷达的问题。这项技术的优势之一是在制造和功能上的灵活性。虽然每个应用都有不同的需求，但主要的好处通常与射频性能的提高、传感器尺寸的缩小和先进的功能（如热处理和EMC屏蔽）有关。

雷达性能

主要的射频性能优势有三个方面：强大的辐射图控制、宽带运行和高效率。波导天线可以很好地实现非常宽和集中的辐射图，以及成形的辐射图。垂直排列的谐振串联馈电缝隙波导天线由于其灵活性、简单性和低矮的外形，是一个理想的构建模块。⁵它们在水平E面有天然的非常宽和稳定的辐射图（如图5a所示），超过了贴片天线，并能通过其长度和缝隙的数量轻松控制仰角。这对于短程雷达来说是非常理想的，因为大方位角的FoV是非常关键的，而且经常需要低至半λ的间距。对于需要聚焦在方位面的应用，如远程雷达的最大探测距离，则使用柱状分组或硬面。成形的波束，例如在角雷达中，最大探测距离的方向在大约40度，可以通过仔细的相位和振幅控制获得。

图5 八个样品的跨越76-81GHz的宽而一致的方位角辐射图（a）和狭窄仰角辐射图（b）。

当涉及到操作带宽时，与PCB贴片解决方案不同，波导可以轻松支持整个76至81GHz频段。这带来了频率分配的灵活性和更精确的距离测量。为此，阻抗和更重要的辐射图都必须表现良好，波束宽度越窄越有挑战性。图5b显示了波束宽度为10度的长天线的全波段辐射图。

高效率是该技术最著名的优势。在天线层面，即使是高增益的元件，损失也是可以忽略不计的。当涉及到布线时，E波段的典型损耗约为0.01至0.02 dB/mm，取决于设计和材料特性，比典型的微带解决方案低约一个数量级。这对大型和多层传感器特别有利，例如成像雷达，如图6所示，其中天线尺寸和布局可能需要几十厘米长的布线，包括交叉器。当然，设计和制造具有多个通道的大型传感器是一个难题。

图6 成像雷达天线显示了长而复杂的布线。

集成

相对于PCB上的同类产品，波导天线能够缩小传感器的尺寸。天线位于PCB上面，与下面的主机部件有缝隙。这释放了原本由天线占据的区域，并消除了组件对辐射特性的任何影响。然而，简单、坚固和高性能的集成是一个关键的方面，因为整个电子元件都在PCB上和传感器组件内。因此，我们设计了一系列现成的过渡方案，用于从高端到低端的各种馈电配置和基材。大多数典型的解决方案都有简单的无过孔PCB设计，损耗小于1dB，如图7a所示。另外，为主要制造商的芯片提供了无接触接口，如图7b所示。这些独特的芯片将信号直接注入带有集成发射器的天线中，完全绕过了PCB。⁶这进一步降低了损耗，并完全消除了对射频衬底的需求。在所有这些情况下，缝隙波导技术被用来实现一个坚固的接口，在天线和PCB之间不需要电气接触，并且在所有方向上都支持数百微米的容差。

图7 Gapwaves天线与印刷电路板的接口（a）和封装（b）。

此外，波导集成可以提供额外的功能。由于高频电子器件的低功率效率、紧凑的尺寸和典型的高温环境，通常射频系统都有热限制。因此，热设计方面往往是关键和具有挑战性的。在这些情况下，天线体可以通过使用与电子器件直接接触的导热材料来提供一个额外的散热路径。传感器中另一个具有挑战性的方面是电磁兼容性（EMC），其中设备必须不违反关于辐射性带外排放的规定。同样，由导电材料制成的天线可以通过紧密围绕电路的关键部分和屏蔽它们来抑制辐射。图8显示了一个压铸金属天线层，除了电气功能外，还具有这两种功能：中心突出的方形区域正在为有源元件提供热连接，而周围的墙壁则改善了EMC屏蔽。

图8 使用金属层可以改善雷达传感器的热和EMC性能。

制造和供应

Gapwaves已经开发了多种制造工艺。小批量的原型设计大多由金属或塑料数控加工处理。这已被证明是明智的首次验证，也是实际零件的可靠基准，因为实际零件的交货时间和偏差更大。对于大批量生产，Gapwaves目前采用了三种主要工艺：注塑模压、金属压铸和金属片冲压。

注塑模压可生产复杂、轻质的零件，通常是汽车应用的首选。不导电的塑料部件被涂上一层薄薄的金属层，以获得最佳的性能和成本比。另外，压铸可以用来生产散装铝或锌零件。这种解决方案提供了卓越的热和EMC处理能力，并在某些几何形状上具有更大的灵活性。最后，金属片冲压可生产精确的薄型2D零件。与其他工艺不同，通过选择激光切割、化学蚀刻或冲压，这在小批量和大批量制造中都具有高效益。出于这个原因，它通常是简单零件的首选，因为它相对于全3D产品来说成本较低。鉴于每种工艺之间的差异，根据应用选择最佳工艺很重要。此外，将它们结合起来也是很常见的，例如，靠近电子器件的金属压铸，用于其他3D部件的模压，以及用于简单层（如辐射层）的金属片，如图9所示。

图9 使用多种批量制造工艺制造的天线。

可靠性和测试

与市场中的任何新技术一样，建立声誉至关重要。为此，需要进行广泛的测试和鉴定，以确保无缺陷的制造和可靠的现场操作。有趣的是，与基于PCB的天线不同，波导以其可连接的接口使测试变得简单和直接。在天线层面上进行早期测试的好处是，可以毫不含糊地确定其性能，并在不报废整个装配好的传感器的情况下发现有问题的部件。看到这种即将到来的需求和机会，Gapwaves为生产线开发了一个在线测试系统，如图10所示。该系统快速而灵活，可以在几秒内测量任何类型的天线。

图10 Gapwaves的天线在线快速测试系统。

可靠性是最重要的一个方面。汽车行业通常需要苛刻的环境标准，包括恶劣的温度、湿度、冲击和振动测试。这些产品已经完全符合汽车标准，如IEC60068-2，并根据客户的要求进行资格认证。

结论

Gapwaves独特的波导技术为汽车雷达提供了空前的性能。由于其坚固性和宽松的制造容差，先进的天线现在已经可以低成本、大批量地制造了。一些关键的好处是强大的辐射图控制、全频带支持、最小的损耗以及传感器尺寸的缩小、热耗散和EMC屏蔽。此外，利用该技术的灵活性，可以为每种应用和数量提供广泛的构建方法和制造工艺。从灵活的大批量到复杂的高级传感器，缝隙波导技术提供了卓越的定制解决方案。这些优点使任何雷达传感器都能提高性能，并帮助传感器制造商满足现代ADAS和AD的要求。

参考文献

1. “Permitting Radar Services in the 76-81 GHz Band,” Federal Communications Commission, 82 FR 43865, pp. 43865-43872, September 2017, Web: https://www.govinfo.gov/content/pkg/FR-2017-09-20/pdf/2017-18463.pdf.
2. J. Hasch, E. Topak, R. Schnabel, T. Zwick, R. Weigel and C. Waldschmidt, “Millimeter-Wave Technology for Automotive Radar Sensors in the 77 GHz Frequency Band” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 60, No. 3, March 2012.
3. P. S. Kildal, E. Alfonso, A. Valero-Nogueira and E. Rajo-Iglesias, “Local Metamaterial-Based Waveguides in Gaps Between Parallel Metal Plates” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 8, 2009.
4. “Gapwaves Releases 77 GHz Waveguide Antenna for Automotive Radar,” Web: https://www.gapwaves.com/pressreleases/gapwaves-releases-77-ghz-waveguide-antenna-for-automotive-radar/,https://www.gapwaves.com/wp-content/uploads/2022/10/Automotive-reference-antenna-1-1.pdf.
5. A. Haddadi, C. Bencivenni and T. Emanuelsson, “Gap Waveguide Slot Array Antenna for Automotive Applications at E-Band,” 2019 13th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 2019, pp. 1–4.
6. Q. Ren, C. Bencivenni, A. Uz Zaman, J. Yang, G. Carluccio and H. T. Shivamurthy “Millimeter-wave Gap-waveguide Interconnect for Launcher in Package Technology,”16th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 2022.