【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。
模式特性
工作模式
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。
雷達(dá)實(shí)物圖
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。
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。
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：
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。
天線布局圖
接收天線
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；
加載SIW結(jié)構(gòu)的S參數(shù)
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)。
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。
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。
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。
RCS vs Distance
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。
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。
不同模式的虛擬陣列分布
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。
不同發(fā)射組合俯仰
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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