可為駕駛提供幫助，並能夠提高道路安全性的高級駕駛輔助系統現在已整合到入門款車輛，成為汽車世界中的常見技術。全自動駕駛汽車(包括測試汽車)經常會成為新聞頭條，尤其是在自動駕駛車輛發生事故後。這些複雜系統在準備批量生產前還有很長的路要走，但可肯定其會於不久的將來成為現實。
汽車雷達感測易受干擾
能夠偵測附近物體的感測器是自動駕駛汽車的關鍵元件，這些包括攝影機和雷射雷達感測器，尤其是雷達感測器更為重要。現今每年生產數以百萬計的汽車雷達，為高階車輛中的標準裝置。汽車雷達感測器主要用於提高駕駛舒適性和預防事故，大多支援主動車距控制巡航的雷達感測器均在76GHz至77GHz頻率範圍(1GHz頻寬)內運作，用以感測遠處其他車輛和物體。汽車雷達要實現一些先進功能，特別是能夠感測附近物體的功能，如變道輔助和盲點偵測等，需要其於77GHz至81GHz頻率範圍內運作，以更大頻寬才能實現所需高解析度；且高達81GHz的擴展汽車頻段有助於減少無線電干擾。
由於汽車外觀比功能更重要，汽車雷達通常被雷達罩覆蓋，該雷達罩由對RF訊號透明的材料製成。汽車散熱器格柵上的標誌通常用於雷達罩用途，塑膠保險桿也是雷達良好藏身之處。過去標誌主要用於推廣品牌，而無其他重要作用，但現可作為雷達天線罩，因而更像RF零組件。若於設計中不考量此點，則可能對標誌後的雷達探測性能及準確性產生不利影響。
尤其是具有局部材料厚度變化的三維形狀品牌標誌可能會導致在毫米波段運作時導致出現RF性能問題。保險桿通常塗有金屬漆，可減弱高頻訊號。因此為確保雷達可靠性，必須驗證天線罩的材料屬性並檢查其對雷達訊號的影響。對自動駕駛而言，汽車感測器的不確定性和風險皆無法接受，基於以上產生的錯誤皆無法透過後續處理而充分糾正。因此車輛製造商及其供應商需要全新量測功能，以便評估天線罩雷達一致性。
雷達偵測精準度受多方影響
汽車雷達感測器主要使用頻率調變連續波(FMCW)訊號。由於傳播延遲和都卜勒(Doppler)頻移，這些感測器可量測並解析多個目標的距離及徑向速度。根據天線陣列特性，還可量測和解析方位角甚至至仰角。在偵測及追蹤後，感測器電子裝置處理訊號以生成目標參數清單，其中包含物件量測位置、速度以及類型訊息(行人及汽車等)。此清單將被發送至車輛電子控制單元，用於即時決策車輛操控。因此該資料的準確性和可靠性對車輛及乘客安全極為重要。
雷達精度取決於多因素，如硬體零元件、軟體處理和雷達回波本身。具有低訊噪比(SNR)的訊號回波參數無法像高SNR訊號一樣精確量測。此外，諸如多路徑傳播和天線罩等引起的失真也大幅影響量測精度；方位角量測誤差會導致目標看起來與實際位置有偏差，如圖1所示。雷達感測器角度量測誤差僅為1O，將導致100m外的目標看上去橫向偏移1.75m，以致被誤認處於不同車道。為確保可靠運作，在此距離下角度量測誤差須遠小於1O。
天線罩選用決定雷達偵測精度
圖2顯示基於實際汽車零組件量測結果得出的方位角偏差影響，其中商用汽車雷達與靜止目標距離為12.4m，角度為11.5O，該圖顯示不同天線罩如何影響雷達的橫截面和入射角。以A區顯示值(無天線罩)也在此提供用於比較；可以看出當使用合適天線罩(B區)時，對入射角的估算無影響，但雷達橫截面會以兩種方式減小(在此狀況下約為2dB)；若使用不合適的天線罩(C區)，相對於比較量測值，平均雷達橫截面下降約4dB，使其難以偵測弱反射目標。不合適天線罩對偵測入射角的影響亦明顯。在恆定11.5O時無法看見，但在11.5O和11.7O間交替變化時則可顯示，因此訊號處理電子裝置不會獲得明確值。使用該天線罩，汽車雷達無法達到0.1O的目標精度。
多因素考量輔助雷達校正
現代雷達感測器在接收器前端通常具有天線陣列，透過量測由相控陣天線波束成形獲得的相位和振幅比確定方位角(有時還可確定仰角)。為獲得最佳方位角精度，必須單獨校正每個雷達感測器。以下是雷達校正的典型程式：首先將感測器安裝在消聲室內轉盤上，遠場中已知距離的角反射器通常作為參考目標；量測雷達方向圖並將其儲存於感測器記憶體(Memory)中，再由偵測演算法使用，於訊號處理過程中校正演算，並於運作期間完成。
車輛製造商通常在標誌或保險桿後方將校準的雷達感測器整合至車輛。由於訊號必須在到達目標和從目標返回過程中兩次穿過天線罩材料，因此天線罩材料對於RF傳輸訊號的減弱出現兩次。從以下分析可看出其減小雷達偵測範圍。
根據訊號傳播定律，訊號傳輸後功率與距離r的平方成反比，代表在訊號往返過程中，其功率將減小因數1/r4。對於具有3W輸出功率、25dBi天線增益、雷達目標橫截面為10m，而訊號偵測臨界值為-90dBm的77GHz雷達使用此等式，配置最大範圍為109.4m。若天線罩雙向減弱為3dB，則同一雷達最大距離將減少16%，僅為92.1m。
但材料減弱並非減低雷達性能的唯一因素，天線罩材料的反射率和均勻性也很重要。例如塗漆中金屬顆粒的反射以及基礎材料的射頻失配會在天線罩內(即靠近感測器位置)產生干擾訊號，後者於接收器鏈路中被接收和下變頻，進而降低雷達偵測靈敏度。許多汽車製造商試圖透過傾斜天線罩減輕此影響，使發射的雷達訊號反射至其他處，而非直接回到接收器前端。但此種解決方案會受設計限制，且無法消除導致RF能量損失的寄生反射。
另一個問題則是，天線罩中夾雜物和密度變化等導致材料不均勻，會干擾出射和入射波前，因而可能失真，並降低角度量測準確度。雷達感測器校準無法補償此種影響，因為即便雷達校準後也可能安裝在不同製造商的天線罩後面。
傳統黃金裝置偵測死角易現
天線罩製造商通常使用參考雷達(黃金裝置)測試其產品。對於這種測試，將角反射器以事先預定距離和方位角安裝在雷達前面(圖3)，分別在有和無天線罩的情形進行差動量測再加以比較。若雷達測定距離和方位角以及回波訊號在指定範圍內，天線罩測試始合格。但此方法僅檢查特定方位角，易錯過天線罩中有問題的區域。另一種量測方法以類似方式操作，但僅需一個反射器—將雷達感測器和天線罩安裝至轉盤，以不同角度重複量測，可從轉盤讀取實際角度(地面真實狀況)並與雷達測得角度比較。該方法與轉盤定位精度一樣精確，但因測試需長時間故不適用於生產線測試。
天線罩測試儀克服傳統限制
有方案能克服傳統方法的局限，像是羅德史瓦茲(R&S)QAR汽車天線罩測試儀(圖4)使用具數百個發射及接收天線的大型面板代替具微小天線陣列的黃金裝置，這些天線在75GHz至82GHz的擴展汽車雷達頻率範圍運作，使汽車雷達綜合數百個天線資料；由於具大孔徑，可憑藉更高解析度(mm範圍內)量測距離、方位角和仰角，使量測結果(即反射率)顯示為X射線影像，即便測試及量測經驗受限者也可立即進行品質評估。與使用真實雷達量測不同，此方法毋需費時量測順序以確定天線罩特性，只需一次時程即可獲得結果，類似使用攝影機拍照。
被測天線罩放置於面板前的指定區域，可進行兩種量測，一種用於確定被測裝置(DUT)反射率，另一種用於確定透射率。
首先進行反射率量測以確定天線罩材料反射多少能量，此能量無法透過天線罩。如上所述，反射訊號會降低性能，甚至損害正確運作。由於各種原因，某些區域可能具有較高反射率，如材料缺陷、空氣夾雜物、不同材料層間的有害相互作用或某些材料組分過多等。透過根據幅度和相位連貫使所有反射訊號連接，該量測方法提供空間分辨量測結果，而視覺化結果能直觀、定量評估DUT反射特性。
圖5中高解析度雷達影像顯示演示用天線罩(圖6)覆蓋下雷達感測器看到的影像，亮度水準代表反射率、區域越亮、反射雷達訊號越多；金屬物體(四角螺釘)顯示為白色，標誌清晰可見的輪廓顯示局部高反射率和非常不均勻的整體影像；標誌區域中較大的0.5mm厚度足以大幅降低雷達性能。
此示例中天線罩中間部分平均反射率為-11.0dB，標準差為-18.2dB，在許多使用場景中此值過高，無法確保雷達可靠操作。實際上預期反射率取決於雷達單元靈敏度和欲覆蓋的最大偵測範圍。
接下來量測天線罩材料的頻率匹配及衰減。位於DUT後的發射器在選定頻率跨度掃描，可精確評估天線罩的發射頻率回應，回應可提供有關DUT用於雷達操作確切頻段上RF匹配的詳盡訊息，其與雷達使用的實際訊號波形無關，因此對可安裝在天線罩後的雷達均有效。圖6右側圖則顯示演示天線罩的量測結果，由於76GHz至79GHz之間的高波紋度，該天線罩不適用於在該頻段操作的雷達。
若使用汽車行業真實3D天線罩的傳輸量，可測得圖7中類似鋸齒狀的曲線，該天線罩會遇到各種性能問題：
頻率匹配位於不太有利的71GHz左右而非於76GHz，是因某些天線罩層厚度增加所致；79GHz頻帶中不穩定的減弱變化表明駐波比顯著增加，表示天線罩邊界處反射及強烈干擾效應；總體單向(One-way)衰減相對較高，將導致偵測範圍顯著減小。
準確感測實現安全自駕
自動駕駛需可靠雷達正確無誤偵測周圍區域物體，可行性取決於雷達品質及其安裝狀況。雷達安裝在品牌標誌或保險桿後，車身部件(天線罩)會減弱訊號，以致無法偵測物體或於錯誤位置偵測到。當下此類部件不僅需滿足其原始目的，且須具備特定RF特性，並以準確實用的量測方法驗證。相較黃金裝置，此測試儀能更快、更易評估汽車天線罩品質，不僅量測DUT的RF透射率，進而帶出天線罩設計的基本適用性，並量測反射率而視覺化為X射線影像，亦可讓非專業人員進行可靠合格/失效評估，對於生產線終端測試尤為重要。
(本文作者皆任職於羅德史瓦茲)
