一、使用網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA測試汽車保險杠和車標(biāo)

       放置在車標(biāo)或保險杠后面的車載毫米波雷達(dá)必須以Mini的干擾傳輸信號。汽車制造商確認(rèn)相應(yīng)材料的規(guī)格，以確保雷達(dá)的正常運(yùn)行。為了測試車標(biāo)或保險杠，使用具有83選件（5米E波段）的ShockLine MS46522B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來提供必要的頻率范圍覆蓋，并測量所有S參數(shù)（S11、S12、S21和S22），表征材料的特性。在這種情況下，將兩個天線連接到ShockLine MS46522B-083矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩個端口以傳輸和接收信號，來替代信號通過同軸電纜等傳輸線傳輸?shù)膫鲗?dǎo)測試設(shè)置。必須根據(jù)測試配置確定所用天線的型號，始終考慮到待測表面必須存在平面波（在60至90 GHz的E波段工作，這應(yīng)該不是問題）。將選擇具有透鏡或電介質(zhì)的特定天線來形成波。

       對于上述測試，還必須考慮被測材料(MUT)的形狀，因為基于寬度、油漆、制造工藝等會影響結(jié)果。出現(xiàn)的另一個問題是，在整個待測試表面上使用單個大波束還是使用較小波束測試二到三次更好。

       值得注意的是，在這些測試中，輻射環(huán)境對于定性被測材料并不理想，必須注意一些地方。重要的問題是反射。在使用的開放環(huán)境中，可能會發(fā)生反射并破壞測量結(jié)果。為了避免反射，可以采用兩個不相互排斥的選項。第 一種方法需要在房間周圍放置吸收材料，然而，這可能會使設(shè)置更加復(fù)雜。第二個是在ShockLine矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中使用門控過程(Gating process)。在這種情況下，在測試距離范圍周圍定義一個門限，以排除任何外部干擾。

       測試結(jié)果非常精準(zhǔn)和一致，測量精度在幾百分之一dB左右。在進(jìn)行這些測量時，ShockLine矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀似乎不是影響測量精度的關(guān)鍵因素，而是反射測量中被測樣品的實際位置。該測量受到發(fā)射方向與樣品平面之間的角度的影響。樣品的小縱向位移對發(fā)射測量的影響很小，對于反射，±1mm的位移約為±0.2 dB。

       保險杠上的測量值顯示，發(fā)射約為0.7 dB，反射約為-9 dB。當(dāng)然，這些值會受到厚度和所用油漆的影響。

       盡管傳統(tǒng)的E波段測量系統(tǒng)更大、更昂貴，可以產(chǎn)生足夠準(zhǔn)確的結(jié)果，但我們還必須考慮這些系統(tǒng)在生產(chǎn)環(huán)境中的合理性。ShockLine MS46522B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的低成本和較小的“即插即用"外形非常適合這種生產(chǎn)用途。

       如今，汽車制造商使用的毫米達(dá)雷達(dá)是其安全系統(tǒng)的關(guān)鍵要素。未來，這些系統(tǒng)將被認(rèn)為對自動駕駛汽車更為關(guān)鍵。在生產(chǎn)線的出口，必須對所有保險杠和車標(biāo)進(jìn)行測量，以確保它們符合安全標(biāo)準(zhǔn)，并保存結(jié)果以保持可追溯性。必須能夠利用可以放置在生產(chǎn)工廠環(huán)境中的快速易用的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)。

二、基本設(shè)置

       以下是用來進(jìn)行材料測試的基本配置。天線之間的空間必須：1）足夠?qū)?，以便在它們之間放置保險杠，2）能夠達(dá)到遠(yuǎn)場條件，使波在樣品處成為平面。還必須使用精密機(jī)械來保持兩個天線之間的待測材料對準(zhǔn)。在這種配置中，使用了兩個電介質(zhì)天線，但可以根據(jù)要求進(jìn)行更改。為了避免多次反射，使用了吸收性材料來改善配置。對一些樣品和保險杠進(jìn)行了測量，結(jié)果與之前的測量結(jié)果相關(guān)聯(lián)。

三、VNA設(shè)置

      與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的大多數(shù)用途一樣，此應(yīng)用需要配置和校準(zhǔn)儀器以獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。用于這些輻射測量的校準(zhǔn)方法是傳輸線、反射和匹配（LRM）算法，其中反射平面用于反射校準(zhǔn)，傳輸線用于傳輸校準(zhǔn)，完好匹配。

      校準(zhǔn)套件由一塊已知厚度的簡單金屬板組成，因此可以在校準(zhǔn)過程中被考慮在內(nèi)。該金屬板應(yīng)盡可能導(dǎo)電，并在整個感興趣的頻率范圍內(nèi)具有平坦的響應(yīng)（已經(jīng)看到反射響應(yīng)，其中在高頻段出現(xiàn)了一些異常）。

圖1 與金屬板和天線一起配合的LRM設(shè)置

       對于LRM算法，兩個端口的反射將通過垂直于兩個天線放置的金屬板完成，而傳輸線將在沒有金屬板的情況下完成。后面，對于匹配，放置在45°斜面上的金屬板不會反射回任何端口，并實現(xiàn)完好匹配的相同行為。在這種情況下，使用放置在金屬板兩側(cè)的吸收性材料可以改善校準(zhǔn)（圖1）。

      在我們的例子中，兩個天線之間的距離為310毫米，這個距離足夠大，可以有空間放置樣品或保險杠零件，并處于天線的遠(yuǎn)場條件下。寬度為2毫米的金屬板被放置在在中間。

四、MS46522B VNA的LRM Menu

       在ShockLine MS46522B VNA校準(zhǔn)設(shè)置（圖2）中，請注意配置的Line長度為0 mm（A）。當(dāng)使用0 Line長度時，系統(tǒng)被告知“端口"位于采樣平面。在這種情況下，反射偏移也為0。在此設(shè)置中，校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)條目是自洽的，校準(zhǔn)是合理的。

       此外，在LRM設(shè)置中，反射被配置為short-like (B)，并且參考平面位于Line 1的中間。此外，匹配必須配置為Cal Device Y (B)，如果我們使用LRL校準(zhǔn)算法，這也可能是第二行。

圖2 LRM校準(zhǔn)設(shè)置

        一旦系統(tǒng)被校準(zhǔn)，“傳輸線(Line)"的測量（設(shè)置中間沒有金屬板或塑料樣品）將給出大小和相位的平坦軌跡。圖3顯示了良好校準(zhǔn)流程后獲得的結(jié)果示例。預(yù)計其幅度紋波小于±0.25 dB，相位紋波小于±0.2°。然而，校準(zhǔn)過程可能會受到不同參數(shù)的影響，如金屬板的位置、外部反射等。執(zhí)行校準(zhǔn)過程時應(yīng)特別小心，以獲得佳結(jié)果。

圖3 校準(zhǔn)后的傳輸響應(yīng)

五、測試配置

       保險杠（或材料樣品）將設(shè)置在參考面上，該參考面是天線之間的中點(diǎn)（在測量保險杠零件的情況下，機(jī)械定位器在將保險杠放置在要測量的精準(zhǔn)位置上起著重要作用）。

圖4 測量設(shè)置

       天線之間的距離取決于測試要求。需要滿足遠(yuǎn)場條件，在這個頻率范圍內(nèi)很容易（假設(shè)遠(yuǎn)場是波長的十倍，當(dāng)天線相距5cm或更遠(yuǎn)時，這些條件就滿足了）。同樣重要的是，樣品上的輻射點(diǎn)不得超過甚至接近樣品尺寸，以避免散射。圖5說明了使用電介質(zhì)天線和喇叭天線的情況（兩者的輻射方向圖都可以在本文末尾找到）：

圖5 樣品上的輻射點(diǎn)

      使用間距為31cm的介質(zhì)天線，對于3dB的衰減，輻射點(diǎn)（直徑）小于3cm（對于10dB的衰減，輻射點(diǎn)直徑小于5cm）。喇叭天線的類似計算顯示直徑為57毫米的輻射點(diǎn)。這意味著，15x15厘米的樣品提供了足夠的余量，以確保輻射點(diǎn)落入樣品中。

      在吸收材料不可用的情況下，可以配置一個門限(Gating)來改善測量并避免外部反射（這些外部反射可能會在跡線中表現(xiàn)為額外的波紋）。到目前為止，材料位置已被確定為參考平面，即零位置?，F(xiàn)在應(yīng)將門控配置在零位附近。這可以在圖6中看到，圖6顯示了S21的時域響應(yīng)（帶通模式）。

圖6 傳輸響應(yīng)的時域響應(yīng)

       然后，需要考慮的是在設(shè)置中使用的窗口寬度，以嘗試改進(jìn)結(jié)果。這將取決于測量中使用的頻率跨度（頻率跨度越高，所需的窗口大小越短）。表1顯示了配置的頻率跨度與窗口大小之間的關(guān)系（這些值表示反射測量的窗口大??；對于傳輸測量，窗口大小必須加倍）。

表1 Gate尺寸與頻率跨度的函數(shù)關(guān)系

       例如，使用頻率跨度為3 GHz的標(biāo)稱窗口，我們應(yīng)該使用2/3ns的Gate進(jìn)行傳輸，如果我們考慮Vp=3.108 m/s的傳播速度，則相當(dāng)于使用20cm的門進(jìn)行反射測量，因此相當(dāng)于使用40cm的門來進(jìn)行傳輸測量。在圖7所示的軌跡中（使用頻率跨度為3 GHz的標(biāo)稱窗口、用于反射測量的20cm Gate和用于傳輸測量的40cm Gate），我們可以看到傳輸中時域響應(yīng)周圍的Gate。

圖7 應(yīng)用于TD傳輸響應(yīng)的40cm標(biāo)稱門

       我們還可以看到Gate如何影響時域（TD）響應(yīng)。當(dāng)然，可以更改窗口類型和修改大小，這將略微改變響應(yīng)。然后我們可以轉(zhuǎn)到顯示“FrequencyResponse with Time Gat"，在將門控應(yīng)用于我們的測量后查看結(jié)果。在下面的軌跡中，我們可以看到有Gate和沒有Gate的直通的傳輸和反射響應(yīng)（圖8）。我們可以清楚地看到兩條痕跡中波紋的消退，但也對痕跡本身產(chǎn)生了一些影響。傳輸軌跡的差異不大，可以降低0.02 dB，但反射的差異很大。盡管如此，反射值仍然是非常好的數(shù)字（幾乎小于-40dB），值得嘗試不同的窗口大小和類型來增強(qiáng)結(jié)果。

圖8 有Gate和沒有Gate的傳輸和反射響應(yīng)

       這些結(jié)果需要考慮的另一點(diǎn)是，系統(tǒng)的設(shè)置沒有優(yōu)化（沒有使用精密機(jī)械定位器）。重要的是要重申，在這種設(shè)置中，待測材料、擴(kuò)展器頭和天線的精準(zhǔn)放置將在獲得的結(jié)果中發(fā)揮重要作用。在本文檔的后面，將顯示一些客戶的設(shè)置圖片。

六、測試結(jié)果

      為了可追溯性，結(jié)果的存儲很重要，為此可以保存數(shù)據(jù)和圖像。如果格式為.s2p，則在保存數(shù)據(jù)時必須小心，因為默認(rèn)情況下，門控不會被考慮在內(nèi)。結(jié)果可以保存為.csv或.txt格式，或者可以在ShockLine MS46522B系統(tǒng)菜單中設(shè)置，將.s2p文件與應(yīng)用的門控一起保存，如圖9所示（System → Setup →Misc. Setup → SnP Files Setup）。在SnP設(shè)置彈出窗口中，選擇Save Gated Data以將門控保存在.s2p文件中。

圖9 改變s2p文件數(shù)據(jù)的流程

七、案例

       近來，歐洲汽車行業(yè)對表征保險杠制造中使用的可能影響雷達(dá)傳輸?shù)牟牧袭a(chǎn)生了極大的興趣。大型汽車制造商正在敦促其承包商測量雷達(dá)中使用的所有相關(guān)組件在E波段頻率范圍內(nèi)的材料特性。不同的材料、油漆涂層、注塑方法和材料寬度必須在生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn)行多次測試，以準(zhǔn)確表征其行為。為了實現(xiàn)這一點(diǎn)，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)的簡單性和易用性通常是客戶所要求的。安立ShockLine MS46522B E波段系統(tǒng)和這種特殊的材料表征設(shè)置是滿足這些需求的佳解決方案。幾乎即插即用的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、只需幾分鐘即可完成的校準(zhǔn)方法以及可重復(fù)且易于執(zhí)行的測量方法構(gòu)成了進(jìn)行這些測量的佳設(shè)置。

       當(dāng)然，為了獲得一致的結(jié)果，需要對裝置進(jìn)行精準(zhǔn)定位。對于這類客戶來說，這通常根本不是問題，但在采用此設(shè)置時需要考慮這一點(diǎn)。

       有位客戶是一家歐洲主要汽車制造商的保險杠供應(yīng)商。在這種情況下，他們能夠制造一種結(jié)構(gòu)來容納帶有天線的VNA擴(kuò)展器頭和待測樣品。他們還制作了用于校準(zhǔn)的金屬板（圖10）。在圖中，我們可以看到固定系統(tǒng)部件的結(jié)構(gòu)，所有部件都是可移動的，因此我們可以調(diào)整天線之間的長度、樣品的位置等。需要提及的一個重要點(diǎn)是伸縮頭的支架。它們是用塑料3D打印的，這被證明是一個很好的解決方案，因為在另一位客戶的演示中，這個支架是用金屬制造的，導(dǎo)致了幾次反射。

圖10 客戶測量的系統(tǒng)設(shè)置

圖11 塑料樣品的反射和傳輸特性

        在圖11中，我們可以看到其中一個塑料樣品的反射和傳輸特性和行為的痕跡。調(diào)整樣本垂直位置的可能性使我們能夠靈活地處理不同的樣本大小。

八、總結(jié)

      ShockLine MS46522B E波段系統(tǒng)能夠進(jìn)行非常簡單直觀的設(shè)置，以進(jìn)行材料表征。受歡迎的特點(diǎn)是設(shè)置和配置的簡單性，以及與其他系統(tǒng)相比，測量的可重復(fù)性。

      使用網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA測試汽車保險杠和車標(biāo)所需設(shè)備概述如下：

1、ShockLine MS46522B-082（1米E波段選件?；蛘?，在測試整個保險杠的情況下，可能需要帶有5米測試電纜的083選件）和–002時域選件

2、兩個天線（WR-12）

3、校準(zhǔn)套件（金屬板）

4、用于固定樣品和伸縮頭的機(jī)械設(shè)置