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塑料金属化3D波导天线为新一代汽车雷达带来变革

Ulf Huegel、Alejandro Garcia-Tejero、Rafal Glogowski、Eugen Willmann、Michael Pieper和Francesco Merli，HUBER+SUHNER

为了寻找高效、紧凑的辐射方向图，同时生产制造成本有足够的竞争力，HUBER+SUHNER的工程师们自2000年代初以来一直致力于塑料金属化技术的研究。在克服并开创了多项新技术后，成功设计、制造并验证了具有紧凑外形的轻量化3D波导天线。

得益于更高的辐射效率、方向图稳定及更大带宽等特点，该天线在汽车领域越来越受到追捧。这项工作回顾了HUBER+SUHNER成为3D波导雷达天线供应商的历程。^1,2

起源：毫米波信号回传

第一款塑料金属化3D波导天线(图1)由HUBER+SUHNER设计，并从2006年开始在该公司生产。^3,4 该产品工作在V波段和E波段(分别为57-66GHz和71-86GHz)，在符合国际法规⁵的同时，为毫米波信号回传提供更高增益和更小尺寸的解决方案。

基于设计需求，HUBER+SUHNER同时采用了多种新颖的设计，通过单一馈源将信号等幅等相馈入1024到4096不等个辐射通道。该设计得到了信号非常集中的笔形波束辐射方向图（方向性分别为38至43dBi），和可控的副瓣电平及稳定的频点增益（图2）。

高Q值滤波器和双工器也是用同样的技术制造的。该技术也直接体现出更多的优势，更紧凑的机械结构和固定概念，进一步实现了一种全新的集成式点对点毫米波无线回传系统SL60（图3a）³。图3b显示的是最新V波段天线和双工器组合设计。

解决城市带宽需求挑战

Terragraph⁶项目推动HUBER+SUHNER塑料金属化天线演变到了下一阶段，需求从点对点连接转向多点对多点的无线分布网络应用。该项目旨在为更多的人提供快速的互联网接入，在光纤使用成本较高的市场上部署更快、更有效的千兆连接。借鉴57-66GHz频谱宽带特性，HUBER+SUHNER提供天线解决方案，助其搭建了第一批持续、可靠连接的技术验证框架（图4）。

多通道的演变

多点到多点的无线网络分配也同时推动HUBER+SUHNER塑料金属化天线从单信道发展到多信道；设计和生产了一款36通道垂直极化天线。通过多通道天线设计形成的主波束，将通信链路指向所需的地方。图5显示了天线水平面±35度内全覆盖，同时保持29dBi以上的实际增益。

设计和生产多通道天线也极大地影响着测试。早在2016年，HUBER+SUHNER工程师就设计了一个半自动化的系统来测试所有通道，并确保交付产品的质量。

最后，几个通道的同时使用要求天线和有源器件之间要有更高的集成度。因此我们开发了一种专用的射频接口，将天线直接安装在印刷电路板（PCB）上，不需要再使用波导法兰，以提高产品的整体紧凑性，实现更高的性能。⁷

77GHz汽车MIMO雷达：最有效点

HUBER+SUHNER将塑料金属化天线引入通信市场后，于2016年将该技术引入汽车雷达应用⁸，并在2018年进行首次展示⁹。从那时起，多种天线方案和传感器方案得到设计、生产和验证，用以解决这两款产品应该如何开发并集成在新的生态系统中。

由于大多数设备制造商(OEM)和一级供应商需要在保密状态下对天线进行高度定制设计，因此本文仅介绍HUBER+SUHNER内部天线和系统的开发，天线用于不同的雷达应用(长、中、短距，角和侧视雷达)。

3D波导天线和它的生态系统

第一款验证系统Demorad（图6）里开发的天线，共包括四层3D打印板、基于低损耗射频PCB的微带线转波导腔体馈电单元和一个馈电均匀的天线阵列。接收（Rx）和发射（Tx）分别选择了两个λ以上和四个λ以上间隔，建立对应的天线阵列（8Rx，4Tx）。

图7显示了初样天线的一些实测特性。结果有力地展示了该技术的宽频特性（12%的相对带宽），能够使用于76-81GHz汽车雷达全频段。辐射特性也同样出色，-15dB副瓣电平和90%的效率（0.5dB损耗）。

这些特性优于传统PCB方案，哪怕是业内最先进的PCB天线¹⁰。虽然这个初样是与英飞凌合作开发的，但该技术解决方案可应用于所有的MMIC供应商。

如今该设计和技术已经向前迈出了几步。第一步是产品的小型化。Demorad验证了其出色的射频性能，但由于用了四层塑料，产品显得很笨重。随着技术的发展，现在层数已减少到两层，整体厚度减少到不到两个λ。

第二步是引入更先进的馈电技术，振幅和相位渐变，实现更复杂的辐射方向图。仅用两层塑料就可以实现不同的性能特征，通过波束倾斜将宽方位面波形改为窄俯仰面波形，同时保证极低副瓣，如图8中实测的辐射特性所示。所有典型的汽车雷达（长、中、短距雷达）要求现在都可以满足。作为现代技术进步的结果，我们也可以很容易地实现不同的极化，如水平、垂直、±45°或圆极化，从而实现极化雷达的应用。

第三步是与传感器其他部分和MMIC的集成。第一款初样依托低损耗射频板来传输和激励MMIC到天线的信号；然而，这需要高性能/高成本的射频板，且板材本身也会产生明显的损耗，并不能充分达到低损耗波导的技术潜力。

而我们与德州仪器最新联合开发的项目中^11,12，成功实现了一款高度集成的传感器（图9a）。从MMIC通过PCB上的电镀孔直接耦合到天线专用射频接口，实现高效的功率传输，且不需要低损耗射频板。这提供了一种可独立于射频板外的解决方案，在性能（避免了产生2到3dB损耗的PCB辐射单元）和成本（避免了对高性能射频材料的依赖）方面都有巨大的优势。

图9b是另一个集成示例，展示了HUBER+SUHNER 3D塑料金属化天线成为下一代数字成像雷达的一部分。它的低损耗特性对于大孔径多通道天线阵列的性能至关重要。

最后，更大尺寸的3D天线可以增加更优异设计的可能性，以减小（若无法完全消除时）天线罩和/或辐射单元前方的保险杠引起的方向图失真。¹³

图10中的橙色曲线显示了使用介电常数为3.0、厚度为3.5毫米、天线到保险杠距离为18毫米的扁平形状保险杠模型，模拟天线-保险杠间的辐射相互作用的多重结果。通过在天线顶层引入周期性元素（即metasurface），此时的主波束辐射性能得到了大幅恢复，方向图中的抖动等现象明显减少（蓝色曲线）。^14,15

技术：具备大规模生产能力……

自成立以来，HUBER+SUHNER塑料金属化技术一直在不断发展成熟，将大批量制造、低成本控制和成熟的生产工艺步骤完善化，诸如：注塑成型工艺(IM)、物理气相沉积(PVD)和焊接工艺(如回流焊中的锡膏应用和检验等)。由于完全拥有这三项技术并对其进行了联合优化，HUBER+SUHNER可灵活调整从通信领域转向汽车市场时的核心制造环节(例如扩大温度和湿度范围，增加循环次数)，严格保证产品的使用寿命和可靠性要求。

这种专业的生产能力与自身拥有出色的制造设计能力密切相关。^16,17 为了确保上述生产步骤的精确度，我们将复杂的射频三维结构分成几个不同层来保证工艺精度，同时密切关注射频性能和制造可靠性。

例如，为支持TE10模式，同时将不同层连接起来，波导在电场最大值处被分割开来，同时此处的表面无电流¹⁸。最终形成一款高性能、坚固、易于实施又无能量泄漏的组件。这种设计方法，加上专有的涂层，可实现每米损耗低至8-10dB，且相邻通道之间互相没有耦合。

最后如前所述，结合自身多样的组合经验，HUBER+SUHNER开发了一套完整的RF测试站，可以在几秒钟内验证所有的RF通道。

图11展示了一套典型的塑料金属化技术生产线的工艺流程，它具备一个模块化的管理方法可适应不同的客户需求。

技术：同时又具备敏捷性

满足大规模生产的设备可用性和使用可能会危及产品开发项目过程中所需的敏捷性，特别是在新技术引入新市场的时候。然而事实上，验证复杂和具有挑战性的产品迭代设计需要快速而简单的生产技术。

HUBER+SUHNER掌握了3D打印技术和快速IM(如使用铝制工具)来生产单层塑料，同时保证一个内部专门的打样车间进行涂镀、焊接。这样可以为一些前期的概念验证和研究供应初样阶段样品生产，同时也可进行小批量生产，满足产品开发要求、交付时间和成本。挑战，也是艺术，在于实现一个尽可能接近批量生产的解决方案，挑战甚至在产品开发早期就可能出现。HUBER+SUHNER掌握并控制着从塑料粒子到最终认证产品完整的价值链(图12)。

大规模生产：今天和未来

目前汽车雷达天线的需求并没有减缓的迹象，而驾驶辅助功能日益凸显，紧急制动助手、自适应巡航控制，甚至是自动驾驶。为了满足这一不断增长的需求，HUBER+SUHNER投入了大批量的生产技术，从一开始就融入了高度自动化。

除在瑞士建立的第一条高度自动化长距雷达天线生产线外，最近HUBER+SUHNER在波兰工厂也建立了一条短距雷达生产线。下一步，HUBER+SUHNER会根据客户和市场的需求，在其他主要市场所在的工厂增加新生产线，如中国和美国。这样在靠近客户的工厂就近生产，最大限度地减少与产品相关的CO₂排放比例。

结论

HUBER+SUHNER塑料金属化技术正在彻底改变汽车雷达的所有应用(长距、中距和短距、角和侧视雷达)，因为它能够实现非常低的插入损耗，并提高雷达效率、方向图稳定性和阻抗带宽。与PCB天线相比，它提供了压倒性的出色性能，且制造成本非常具有竞争力。尤其需要强调的是，非常低的路径损耗（每米小于8-10dB）使得天线阵列可以更自由地进行大孔径天线设计，实现雷达系统的高分辨率和增加虚拟阵列的可能性。

参考文献

1.    “HUBER+SUHNER Becomes Supplier of Radar Antennas to Leading Tier 1 Automotive Supplier,” HUBER+SUHNER AG, September 2021, Web: https://www.hubersuhner.com/en/company/media/news/2021/09/2021-09-30-en.

2.    “Advanced Radar Sensor – ARS540,” Continental Automotive, Web: https://www.continental-automotive.com/en-gl/Passenger-Cars/Autonomous-Mobility/Enablers/Radars/Long-Range-Radar/ARS540.

3.    “Wireless Ethernet Bridge SENCITY ®LINK SL60,” HUBER+SUHNER AG, 2010, Web: https://www.hubersuhner.com/en/documents-repository/markets/pdf/automotive/wireless-ethernet-bridge-sencity-link-sl60.aspx.

4.    “SENCITY® Matrix Flat Antennas,” HUBER+SUHNER AG, July 2017, Web: https://5.imimg.com/data5/NE/EW/KK/SELLER-948981/huber-sencity-matrix-directional-wave-outdoor-antenna.pdf.

5.    “Fixed Radio Systems; Characteristics and Requirements for Point-to-Point Equipment and Antennas; Part 4-2: Antennas; Harmonized EN covering the essential requirements of article 3.2 of R&TTE Directive,” ETSI, Final draft ETSI EN 302 217-4-2 V1.4.1, November 2008, Web: https://www.etsi.org/deliver/etsi_en/302200_302299/3022170402/01.04.01_40/en_3022170402v010401o.pdf.

6.    Terragraph, Web: https://terragraph.com/.

7.    U. Hugel, R. Glogowski, M. Thiel and F. Merli, “Adapter with Waveguide Channels and Electromagnetic Band Gap Structures,” European Patent Office, Patent No. EP3430685, 2020.

8.    A. Post, “An Antenna Concept that Addresses the Challenges with Automotive Radar,” IWPC Trends in Automotive Radar and Impact on System Architecture, Workshop Presentation, March 2016.

9.    F. Merli and A. Post, “Injection Molded Radar Antennas,” IWPC 2018 New Features for Automotive Radars, Workshop Presentation, January 2018.

10.   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, pp. 845–860.

11.   F. Merli and A. Post, “Injection Molded Radar Antennas,” IWPC 2021 In Search of Optimum Automotive Sensor Solutions, Workshop Presentation, May 2021.

12.   F. Merli, A. Garcia-Tejero and M. Kagelmann, “3D Waveguide Antenna Radar Systems - an RF Independent Substrate Solution,” IWPC 2022 Which Direction is Automotive Radar Heading?, Workshop Presentation, April 2022.

13.   R. Schnabel, D. Mittelstrab, T. Binzer, C. Waldschmidt and R. Weigel, “Reflection, Refraction, and Self-Jamming,” IEEE Microwave Magazine, Vol. 13, No. 3, May 2012, pp. 107–117.

14.   J. Kowalewski, A. Garcia Tejero, P. Romano, M. Pieper, E. Willmann, M. Notter, F. Merli, A. Freni and A. Mazzinghi, “Antenna Device for Radar Applications,” European Patent Office Patent 2022/063535, 2021.

15.   A. Garcia-Tejero, J. Kowalewski, F. Rodriguez Varela, A. Freni, A. Mazzinghi and F. Merli, “Three Advances in Metallized Polymer mmWave Waveguide Antenna Design,” 2021 IEEE APS/URSI, Workshop Presentation, December 2021.

16.   A. Garcia-Tejero, P. Romano and F. Merli, “Antenna Device,” European Patent Office Patent 2021/081922. 2020.

17.   R. Glogowski, “Array Antenna,” CH Patent 00825/16, 2016.

18.   H. Butterweck, “Mode Filters for Oversized Rectangular Waveguides,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 16, No. 5, May 1968, pp. 274–281.

图1 HUBER+SUHNER毫米波回传天线：38dBi (左图)和43dBi (右图)

图2 HUBER+SUHNER毫米波回传天线在73.5GHz的实测方向图(左图)和各频点增益(右图)

图3 SL60射频前端（左图）和集成式V波段天线-双工器（右图）。

图4 Terragraph射频前端板，分别为发射（Tx）天线和接收（Rx）天线

图5 36通道天线模组不同频率的归一化俯仰面方向图（左图）和61.5GHz时方位面波束指向（右图）

图6 与英飞凌合作开发的Demorad雷达。

图7 76-81GHz Demorad天线归一化实测结果（左图）和Rx、Tx天线|S11|（右图）

图8 汽车雷达天线实测方向图：俯仰面（左图）和方位面（右图）。

图9 与德州仪器合作开发的中距样品（左图）和使用HUBER+SUHNER3D天线Uhnder数字成像雷达（右图）。

图10 模拟metasurface的效果，以尽量减少天线-保险杠的反射：方位角（左图）和仰角（右图）平面。

图11 天线主要制造生产流程

图12 可支持新产品开发的现有技术