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    Tesla雷達天線淺析

    發布時間:2023-10-13 責任編輯:wenwei

    【導讀】前段時間Tesla重拾雷達的消息擾動了整個行業,甚至擾動了資本市場。網絡上也放出來幾張雷達PCB及實物尺寸圖。本期邀請了一份技術稿,對這款雷達做一些基本的分析,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。


    根據xx的測試報告,行業研究指出Tesla雷達采用TI 2243雙芯片級聯方案。TI官網給出的芯片發射功率為13dBm,RX noise figure:12dB。從測試報告里可以看出,Tesla雷達采用FMCW工作體制,工作頻率為76-77GHz,且雷達支持三種工作模式(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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    不同模式的參數配置


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


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    雷達實物圖


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    雷達PCB


    使用微帶轉SIW結構,雷達屏蔽罩可實現全接地方式,達到更好的電磁屏蔽效果。雷達采用內置微帶天線,總增益20.32dBi,雷達有6個發射天線,但只有4個天線能同時發射,單天線最大增益14.3dBi,總增益=單根天線增益值+10log(同時發射天線個數)=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法規中§ 95.3367(a)章節對 76-81 GHz 頻段雷達輻射功率限制如下:76-81 GHz 頻段內的基本輻射發射限制以等效全向輻射功率 (EIRP) 表示,如下所示:(a) 根據使用具有 1 MHz 分辨率帶寬 (RBW) 的功率平均檢測器的測量結果,76-81 GHz 頻帶內的最大功率 (EIRP) 不得超過 50 dBm。(b) 根據使用具有 1 MHz RBW 的峰值檢測器的測量結果,76-81 GHz 頻帶內的最大峰值功率 (EIRP) 不得超過 55 dBm。根據ISEDC RSS-251第8.1章節,根據使用具有1 MHz 分辨率帶寬 (RBW) 的功率平均檢測器的測量結果,測試功率為占用帶寬內的總功率,且最大峰值功率不得超過55dBm。


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    Peak fundamental Emission


    Tesla雷達的三種工作模式下的Peak EIRP測試結果如下表:


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    測試值


    接下來,將對測試結果進行分析(增益和發射功率均以最大值計算):


    根據測試報告,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。測試結果中是以的PSA reading是以dBuV/m為單位,需要轉換到dBm。根據ANSI C63.10-2013 Section 10.3.9,在距離為3m的測試場景下,dBuV/m到dBm的轉換公式是EIRP(dBm)=E(dBuV/m)-95.3。E(dBuV/m)對應上表中的Corrected Field Strength(dBuV/m at 3m)。


    假設存在單天線發射模式,此時天線增益14.3dBi,芯片功率13dBm,在系統損耗(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值無法到達前面的Mode3、4、5中的EIRP值,因此雷達不存在單發模式。兩芯片級聯并且同時工作時,總的發射功率Tx total=Tx power+10log2=16.01dBm。同時,不同個數的天線同時發射時的增益值如下:單根天線天線發射增益:14.3dBi;兩根天線同時發射時增益為17.3dBi;三發和四發增益分別為19.07dBi和20.32dBi;因為Mode5的EIRP為36.19dBm,結合芯片功率和損耗值可知Mode5的工作模式為雙芯片4發。對比Mode4和Mode5之間的EIRP差值(3dB),可以推導出Mode4的工作模式為雙芯片雙發,Mode3的工作模式為單芯片三發。(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)。


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


    為實現屏蔽罩全接地,天線采用SIW轉換結構,對加載SIW結構的RX天線組進一步仿真,由于SIW結構的寬度主要影響截止頻率,因此在沒獲得準確的參數的前提下,仿真結構的截止頻率可能和Tesla用的SIW結構存在差異。對SIW結構做阻抗匹配,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計,因此Port2和Port3之間存在一定頻偏量;


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    加載SIW結構的S參數


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    增加屏蔽罩金屬地的S參數


    在SIW結構上增加金屬接地,模擬屏蔽罩的影響(受仿真時間限制,未將整個屏蔽罩設計進去),增加接地金屬前后S參數并未產生明顯偏移和畸變,兩者基本重合。且SIW結構在76.5GHz處的電場均勻分布在波導管內。


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    SIW的電場分布@76.5G


    加載了SIW結構的天線仿真性能如下,由于SIW結構比較短,因此整體損耗并不大。


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    加載SIW結構的天線性能


    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射天線工作方式。根據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射天線進行組合,對可能的組合形式做進一步仿真分析,可以明確的是,不同的發射天線組合形式勢必會增強天線增益強度和天線FoV的變化。


    總結:


    1.仿真結果的峰值天線增益未達到14.3dBi,因此仿真模型里天線陣元間距及尺寸還有優化空間,另外SIW結構的阻抗也可以進一步優化。值得借鑒的是采用SIW結構實現天線罩全接地的設計方案,有利于進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,難點在于天線布局,文章僅對天線本體性能作仿真驗證,尚未牽扯到虛擬列、稀疏陣等天線布局仿真分析;

    雷達采用德州儀器的2243芯片,FMCW工作體制,雖然2243支持76-81 GHz,但為了符合法規,但雷達帶寬將被天線限制在76-77GHz。中心頻率為76.5GHz,雙芯片級聯實現 6 個 TX 和 8 個 RX 通道,最大虛擬通道數為 48。芯片發射功率13dBm,接收天線和發射天線都為13dBi,饋線和介質損耗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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    根據以上參數,代入雷達方程,則可以得到不同RCS下雷達的最遠探測距離關系。


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    RCS vs Distance


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    PCB和關鍵尺寸


    MIMO 虛擬孔徑分析


    見上圖,第一種(藍色線條)是增加方位角范圍來提升角度分辨率的模式。該模式下無法進行遠距離測量,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。這樣設計的好處在于可以靈活配置8個RX的工作狀態;


    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,而且變為了間距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,但在發射天線位置固定的前提下,虛擬陣列重疊的個數會增加,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,且給出了相應的方向圖結果。Tesla天線布局不僅實現了高分辨率同時優化了旁瓣電平。


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    不同發射組合俯仰


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    不同發射組合方位


    根據參數優化后的性能見上;


    來源:雷達天線站



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