埃万特（AVIENT）PREPERM™ 高频介质材料助力毫米波雷达探测范围和精度

本文由埃万特供稿 作者：江峰、陈亚刚

随着5G时代的到来，雷达技术已经被广泛地应用在交通流量的计量、汽车定位和工业过程控制等民用领域，如座舱检测、自动泊车和障碍物预警等。为了使车载雷达的侦测能力在不同的场景和覆盖区域内发挥最佳效果，除了仰赖于电子模块本身性能外，另一个关键因素是要确保毫米波信号最大限度地穿透雷达天线罩。换言之，天线罩材料在高频下的信号损失必须维持在很低的水平。笔者首先阐述了雷达天线罩的电性能指标及其和高分子材料间的关系，在此基础上，通过若干实际测试结果来揭示天线罩材料选择中需要考虑的关键因素及其理论依据。

车载毫米波雷达是雷达的衍生品，是一种非接触式传感系统，大致可拆解为三个部分：天线阵元、电子系统和天线罩。在过去的20年间，天线和射频系统不断更新迭代，但天线罩的材料却是各种各样。在5G时代，优良介电性能的AVIENT PREPERM™ 天线罩材料在高频下为毫米波雷达达到最佳性能指标提供了可能。

毫米波雷达的基本功能、考量指标和天线罩材料的现状

雷达的基本功能包括测距、测速和测角等。测距的机理是通过电磁波的往返时间时间差来得到目标物距离。测速的机理，其一是利用dopler效应，通过检测发射波和回波的频率差测得目标相对于雷达的移动速度，简言之，相对速度正比于频率变化量。其二是对跟踪位置微分运算。测方位角的机理是依靠并列的接收天线收到同一目标反射的雷达波的相位差，计算出目标物的方位角。

由于车载雷达是靠信号发射和信号反射进行工作，所以探测距离、测距精度、覆盖角度、角分辨率以及杂波抑制能力等是毫米波雷达的主要电性能指标。

一般情况下，车载毫米波雷达天线罩的单向衰减建议不超过3.5 dB（70~80 GHz）。

纵观毫米波雷达天线罩的材料，目前市场上有ABS、PC、PBT及PPE等基材的改性塑料。但无论使用哪种材料，电磁波在毫米波雷达天线罩材料中实现极佳的穿透性和稳定性才是设计的终极目标之一。

提升毫米波雷达天线罩材料信号穿透性和稳定性的3个途径

高频介质材料

车载雷达天线罩的机械性能、耐候性是早期选材的主要技术指标。但在24~77 GHz的主流频段中，优良的高频介电性能已成为选材的第一指标，包括介电常数（Dk）和损耗角正切（Df）。如果DK越大，电磁波在天线罩内外表面的反射就越大，从而导致镜像波瓣电平增加和传输效率降低。如果Df越大，在电磁波穿透天线罩的过程中会有相当一部分转化为热量，信号的传输损失也就越大，因此，理想中的雷达天线罩材料要求Df接近于零，Dk也尽可能低，实现“最小传输损耗、最小反射和折射”。除此之外，在不同高频频段下Dk，Df的稳定性也是主要考核指标之一。

各种高分子材料的介电性能

从高频介质材料选择的角度出发，通过以上坐标系我们可以获得二个信息：

1. 不是所有的高分子原材料材料适合毫米波雷达天线罩，因为大的吸湿性和高的介电损耗会影响电磁波信号传输质量。

2. 弱极性或非极性高分子聚合物才是毫米波雷达天线罩材料的首选

据此，我们优先推荐PPE、PPS、LCP为基材的改性高频介质材料。

天线罩的形状和设计壁厚

非毫米波雷达应用领域中，设计壁厚往往不是重点，但进入毫米波时代，它的设计厚度对传感器的性能发挥至关重要，简言之，雷达罩壁厚∝电磁波波长。与此同时，天线罩的设计形状也与电磁波传输效率休戚相关。

AVIENT PREPERM™ RS260天线罩专用材料在不同频段下的设计壁厚

天线阵元到天线罩的设计距离

相对雷达天线罩外部空间而言，物体是动态变化的，而天线阵元与天线罩内表面在模块内的间距是固定的，那么它们之间在最佳设计距离内时，才可能最大限度地降低天线罩的反射效应，因为反射到天线的电磁波和传输信号同相时，此时的影响或许是最小的。

毫米波雷达天线罩测试结果给我们的启示

不可否认影响毫米波雷达性能的因素还有很多，在这里我们只就材料的介电常数、介电损耗、壁厚，间距和产品形状进行验证。

案例1：PBT Dk3.7和PREPERM™ RS260（PPE DK2.6） 材质的天线罩

AVIENT PREPERM™ RS260 材料水平方向图（-60°~ +60°）

PBT材料水平方向图（-60°~ +60°）

PBT材料俯仰方向图（-45°~ +45°）

实验条件：

频率f=37.5 GHz

PBT样板厚度 T=1.7~2.1 mm

PREPERM™ RS260 样板厚度 T=1.5~2.5 mm

天线阵元到天线罩的设计距离 D=4 mm

理论值：在37.5 GHz频段下，PBT Dk3.7的推荐天线罩壁厚T=2.1 mm . 而PREPERM™ RS260（PPE Dk2.6）的推荐天线罩壁厚T=2.48 mm . 另，f=37.5 GHz 频率下，推荐天线阵元到天线罩的设计距离D=4 mm。

实验结果：从合成方向图曲线我们可以看出，在37.5GHz频段下，2.5 mm壁厚的PREPERM™ RS260（Dk2.6 PPE）雷达罩材料在同组材料中有较好的穿透和覆盖性能。2.1 mm壁厚的Dk3.7 PBT雷达罩材料在同组材料中有较好的穿透和覆盖性能。进一步综合比较PBT和PREPERM™ RS260（DK2.6 PPE）材料二组实验结果，PREPERM™ RS260表现优良且最大能量值大于PBT材料。

案例2 ：ABS Dk3和PREPERM™ RS260（PPE DK2.6）、PREPERM™ PP320（ PPE DK3.2）材质的天线罩

28 GHz ΔS21正向传输系数曲线

实验条件：

ABS样板厚度T=3 mm

PREPERM™ RS260 / PREPERM™ PPE320（PPE）样板厚度T=3 mm

理论值：在28 GHz频段下，ABS Dk3（假设）的推荐天线罩壁厚T=2.09 mm. 而PREPERM™ RS260（Dk2.6PPE）的推荐天线罩壁厚T=2.48 mm . 另，f=28 GHz频率下，推荐天线阵元到天线罩的设计距离D=5.36 mm.

实验结果：从ΔS21正向传输系数曲线我们可以看出，在以28 GHz为中心的频段下，3 mm壁厚的PREPERM™ RS260（PPE DK2.6）和3 mm壁厚的 PREPERM™ RS260 PPE320（PPE DK3.2）雷达罩的增益均优于3mm ABS材质的雷达天线罩，且PREPERM™ RS260（PPE DK2.6）相比之下优势更加明显，尽管二组材料的设计厚度均未达到要求。

总结

如果纯粹从高频介质材料的角度来谈毫米波雷达罩材料的选择，我们要注意以下三点。

首先，在高频段，只有低介电常数/介电损耗材料才能有效减低毫米波雷达天线罩的通信信号传输损耗，高分子聚合物本身的材料介电性能至关重要。

其次，要达到毫米波雷达最大的探测范围和探测精度，天线罩的设计壁厚、天线阵元到天线罩的设计距离也必须进行演算和优化。

最后，设计工程师在优化雷达罩电性能的基础上寻求与机械性能间平衡。

综合埃万特客户的测试结果显示：AVIENT其 PREPERM™ 毫米波雷达天线罩材料在探测距离和覆盖范围上都要比传统的解决方案提升20%~40%。

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原文始发于微信公众号（汽车与配件）：埃万特（AVIENT）PREPERM™ 高频介质材料助力毫米波雷达探测范围和精度