仿真与软件技术创新助力汽车ADAS雷达天线阵列设计
2019-02-18 20:45:22 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
麦姆斯咨询：仿真技术的创新和NI AWR软件的新设计流程，可支持RF感知电路设计、天线阵列配置、建模 优化和系统级协同仿真，使天线设计人员和系统集成商能够针对具有挑战性的天线尺寸、成本和可靠性等设计目标来优化这些系统。
作者：David Vye
简介
据麦姆斯咨询介绍，使用频段在76GHz至81GHz的毫米波雷达技术，高级驾驶辅助系统（ADAS）能够为智能车辆提供各种警告和辅助驾驶功能，从低胎压警告、碰撞避免到自助泊车。这些汽车雷达应用使用毫米波（mmWave）频段来开发更多的带宽，以获得更高的分辨率和更强的物体探测能力。然而，由于各向同性的自由空间衰减与波长成反比，频率越高传播时带来的路径损耗会越大。此外，除了这种额外的路径损耗外，随着波长变小，衍射、散射和材料穿透损耗等物理现象显著，都使得毫米波频段的传输信道性能的挑战性增加。
本文讨论了为下一代智能汽车和卡车开发毫米波雷达系统面对的几个挑战，并介绍了最近添加到电子设计自动化（EDA）软件的一些新功能，该软件支持开发高性能、低成本和小尺寸天线阵列的设计流程。支持这些新天线系统的射频（RF）前端硬件必须在性能、可靠性、紧凑性和成本方面进行优化。系统的各个组件必须经过设计流程指定和开发，设计流程管理和综合他们的性能数据，以便在跨扫描区域、频率范围和其他运行需求对整个阵列和馈电结构进行精确仿真。该流程还提供了各个组件的物理实现途径，包括天线阵列本身。
我们以增强型相控阵生成向导为例，利用该向导用户能够交互式地开发相控阵天线系统，并生成天线阵列和馈电网络的原理图或系统图，以适用于进一步的电路/系统/电磁（EM）分析。用户可以定义阵列几何（配置）、馈电结构、增益锥度，以及各个天线单元的特性及其各自的RF链路。
ADAS概述
基于不同的视觉技术和不同工作频段（24GHz或/和77GHz）雷达系统，汽车制造商正在为新车型配置不同的ADAS方案。图1显示了不同的ADAS功能和范围。
图1 各种ADAS的不同范围、视场（FOV）和功能
77GHz频段的雷达技术优势包括更小的天线（仅为当前24GHz频段的三分之一），允许发射更高的功率，最重要的是可用更宽的带宽以实现更高的目标分辨率。
该设计向导可在NI AWR设计环境平台内运行，与NI AWR软件工具交互工作，包括Microwave Office电路设计软件、Visual System Simulator（VSS）系统设计软件、AXIEM和Analyst电磁（EM）仿真器以及AntSyn天线设计和综合软件。支持相控阵设计的NI AWR软件工具和功能包括：
1. 系统仿真
雷达系统的波形设计、基带信号处理和参数估计，支持雷达测量的特定分析，以及RF组件和信号处理的综合行为模型。通过系统级链路分析确定组件和阵列/天线的需求。
2. 电路仿真
收发器RF/微波前端的设计，支持电路级分析和建模（分布式传输线、有源和无源器件），以用于印刷电路板（PCB）和单片微波集成电路（MMIC）/射频集成电路（RFIC）设计。
3. EM/天线仿真
平面/三维电磁（EM）分析，用于表征无源结构、复杂互连、外壳以及天线和天线阵列的电气特性。天线综合根据性能规范生成物理天线设计。
4. 相控阵生成向导
支持阵列配置，使用各个阵列单元的辐射图对阵列进行早期分析，以及基于用户输入的馈电网络，生成电路/系统原理图和测试设计以进行进一步分析。
从向导生成设计
相控阵生成向导的主要目标是为设计人员提供强大而直观的界面来定义天线阵列配置，为单个和/或多个的单元指定天线和RF链路特性，定义馈电网络和增益锥度特性，并模拟响应，包括潜在的单元故障（图2）。这使得用户能够生成扫描频率、输入功率和phi和theta角度的远场图，并滑动调谐器来控制这些参数值。生成的天线图案视图为设计人员提供了实时的视觉辅助，描绘了设计决策对远场性能的影响。
图2 自动分组选项帮助用户能够指定基本阵列配置并查看天线阵列的物理构成（左图）。图解视图（右图）允许用户在调整频率、功率水平和转向角（theta/phi）时，实时观察阵列辐射图。
开发实际的相控阵硬件需要将设计和仿真的重点聚焦于电路级分析和物理可实现的组件上。整个设计流程，包括从天线综合、通过EM分析生成天线辐射图、阵列配置和馈电网络到生成电路或系统级原理图设计，如图3所示。
图3 VSS相控阵生成向导根据用户的输入信息生成天线阵列、幅度/相移单元以及组合器/分配器系统级网络
天线设计
应用于自适应巡航控制（ACC）系统的多模雷达，就是基于驱动多个天线阵列的调频连续波（FMCW）雷达。如图4所示，举例说明了在这类系统中所需的多个天线阵列系统的使用，包括用于远程、窄角度探测（77GHz）的多个（5 x 12个单元）串联馈电贴片天线（SFPA），用于短程、广角探测（24GHz）的单个（1 x 12个单元）SFPA，以及用于接收器的4个（1 x 12单元）SFPA。
图4 由多频段、多范围的FMCW数字波束形成的ACC雷达，其利用了六个独立的SFPA
雷达性能受天线技术的影响很大，天线技术必须考虑特定应用的电气性能，如：增益、波束宽度、范围和物理尺寸等。示例雷达中的多个固定的TR/RX天线阵列针对范围、角度和旁瓣抑制进行了优化。贴片天线相对容易设计和制造，配置成阵列时性能会很好，从而增加了整体的增益和方向性。
阵列配置和馈电网络定义
通过EM分析设计和表征各个天线单元，用户可以指定阵列参数（天线尺寸、单元数量、单元间距、形状等等），将辐射单元分组，通常基于在阵列中的位置，例如边缘或角落，为单个或多个单元指定不同的天线辐射细节和RF链路特性。此功能通过使用更小、数量更易管理的单元组，将单元/馈电细节缩放到整个阵列，有助于简化和加快具有许多单元阵列的设置过程。可以从多个用户定义的配置中为同一组内的单元指定天线和/或RF链路配置。
NI AWR设计环境平台还提供额外的设计细节和深入分析功能，以进行进一步的硬件开发，包括整个阵列的全EM仿真，以及馈电结构的协同仿真，其中馈电结构用电路级和系统级行为模块表示，根据用户在相控阵生成向导中定义的信息构建而成。相控阵生成向导支持生成仿真就绪电路、系统和基于数据文件的设计，这些设计配置为层次原理图，以便用Microwave Office或VSS软件和指定的EM仿真器进行分析。
使用向导生成的阵列几何，AXIEM和Analyst仿真器或支持的第三方EM的工具（如HFSS）可通过预先定义的单个端口馈送，对整个物理阵列进行详细地分析。这使得设计团队能够研究每个单独单元的波束角度和输入阻抗之间的相互作用，并考虑阻抗负载对收发器性能的影响（图5）。此功能突出了RF电路、系统和EM之间协同仿真的重要性，以便在制造这些复杂系统之前能够精确地研究电路/天线行为。
图5 展示了4 x 4的贴片天线阵列，每个天线单元都有独立的端口。该软件允许设计人员在电路/系统级定义和协同仿真馈电结构（左下），以监测每个天线不断变化的单元输入阻抗，并通过RF馈电网络控制天线波束的转向。
结论
随着技术的发展，ADAS除了变得更加复杂和可靠之外，在不久的将来，将在大多数车辆中更加普遍地应用。得益于天线阵列和毫米波技术在5G通信中的类似进步，大多数汽车和卡车将比现在更安全。仿真技术的创新和NI AWR软件的新设计流程，可支持RF感知电路设计、天线阵列配置、建模/优化和系统级协同仿真，使天线设计人员和系统集成商能够针对具有挑战性的天线尺寸、成本和可靠性等设计目标来优化这些系统。
关于David Vye
David Vye是National Instruments的AWR Group的技术营销总监。他曾在ANSYS的电子业务部门担任业务开发经理和Ratheon的研究部担任高级设计工程师。他获得了麻省大学达特茅斯分校电子工程（EE）学位，专注于微波工程。
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