CN113721081B - 一种天线罩的最佳厚度的测量方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种天线罩的最佳厚度的测量方法和系统。该方法包括：以搭建的介电常数测量系统通过自由空间法测量天线罩的材料样品的相对介电常数，其中，介电常数测量系统包括相对的发射天线和接收天线、分别与发射天线和接收天线连接的网络分析仪、以及用于在发射天线和接收天线之间放置和调节待测样品的夹具；根据材料样品的相对介电常数和预推导出的材料传输损耗公式，计算得到材料样品的传输损耗与厚度的曲线；根据材料样品的传输损耗与厚度的曲线确定天线罩的最佳厚度。本发明不依赖于场地环境即可快速、高精度地测量出天线罩的最佳厚度，且无需天线罩厂家提供多个样本，避免了使用试错的方法来进行最佳厚度的测量，降低了测量成本。
Description
技术领域
本发明涉及材料测试技术领域，特别是一种天线罩的最佳厚度的测量方法和系统。
背景技术
目前77GHz汽车毫米波雷达的普及速度正在逐年上升，而天线罩是雷达的一个重要组成部分。理想的天线罩应能完全透过来自(或到达)天线的RF(Radio Frequency，射频)信号，同时还能抵挡环境因素如风、雨、冰雹、雪、冰、沙尘、盐雾、雷电等的影响。实际上，这些环境因素决定了天线罩的机械设计和RF透波的要求必须折中考虑，因为机械和电气要求往往相互矛盾。天线罩能够防止环境因素的影响和干扰，提高雷达系统的工作效率和可靠性，其性能直接影响到雷达系统的功能。对天线罩材料介电特性的精确测量，准确地获得电气参数，恰当地选取这些材料的厚度和使用这些材料是雷达系统设计的关键。
目前广泛使用的一种测量雷达天线罩的性能的方法是使用角反射器。将角反射器以一定的距离和角度安装到雷达上。在没有雷达天线罩的情况下进行第一次测量作为参考，在安装了雷达天线罩后进行第二次测量，将这两次测量的结果相减，以确定雷达天线罩对雷达性能的影响。这种方法存在多个问题。第一个问题是不可能得出关于天线罩的均匀性和反射的结论，因为传输损耗只在2到4个点(取决于反射器的数量)进行评估。第二个问题是，需要提供不同厚度的材料分别进行测试，为了找到最佳厚度，可能需要制作非常多的样本才能最终确定。并且测试结果的不确定性很大，一个雷达天线罩在使用制造商A的传感器时有很好的结果，但在使用制造商B的雷达测试时不一定能得到好的结果。第三个问题是，这种方法需要建立一个特殊的暗室环境去进行测试，投入和成本较大。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的天线罩的最佳厚度的测量方法和系统。
本发明的一个目的在于提供一种天线罩的最佳厚度的测量方法，其可不依赖于场地环境即可快速、高精度地测量出天线罩的最佳厚度，且无需天线罩厂家提供多个样本，降低了测量成本。
本发明的一个进一步的目的在于进一步提高测量准确度。
特别地，根据本发明实施例的一方面，提供了一种天线罩的最佳厚度的测量方法，包括：
以搭建的介电常数测量系统通过自由空间法测量所述天线罩的材料样品的相对介电常数，其中，所述介电常数测量系统包括相对的发射天线和接收天线、分别与所述发射天线和所述接收天线连接的网络分析仪、以及用于在所述发射天线和所述接收天线之间放置和调节待测样品的夹具；
根据所述材料样品的相对介电常数和预推导出的材料传输损耗公式，计算得到所述材料样品的传输损耗与厚度的曲线，其中，所述材料传输损耗公式为根据电磁波传播理论推导出的材料传输损耗与材料的相对介电常数在一定频率和材料厚度下的关系式；
根据所述材料样品的传输损耗与厚度的曲线确定所述天线罩的最佳厚度。
可选地，所述材料传输损耗公式为：
其中，f为频率，c为光速，d为材料厚度，εr为材料的相对介电常数。
可选地，在测量所述天线罩的材料样品的相对介电常数之前，所述测量方法还包括：
对所述介电常数测量系统进行校准。
可选地，所述对所述介电常数测量系统进行校准的步骤包括：
通过所述网络分析仪进行所述发射天线和所述接收天线的波导端面的TRL校准；
通过所述夹具在所述发射天线和所述接收天线之间设置金属板，进行材料样品端面的GRL校准。
可选地，所述天线罩为用于汽车的毫米波雷达的天线罩。
可选地，所述天线罩的最佳厚度在2-3mm范围内。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种天线罩的最佳厚度的测量系统，包括：
相对的发射天线和接收天线；
夹具，用于支撑所述发射天线和所述接收天线，并在所述发射天线和所述接收天线之间放置和调节待测样品；
网络分析仪，分别与所述发射天线和所述接收天线连接，用于在将所述天线罩的材料样品作为所述待测样品进行测量时，根据所述发射天线的信号和所述接收天线的信号分析得到所述天线罩的材料样品的相对介电常数；以及
数据处理模块，配置为根据所述材料样品的相对介电常数和预推导出的材料传输损耗公式，计算得到所述材料样品的传输损耗与厚度的曲线，并根据所述材料样品的传输损耗与厚度的曲线确定所述天线罩的最佳厚度，其中，所述材料传输损耗公式为根据电磁波传播理论推导出的材料传输损耗与材料的相对介电常数在一定频率和材料厚度下的关系式。
可选地，所述发射天线包括与所述网络分析仪连接的第一扩频头，和设置在所述第一扩频头的一端并与所述第一扩频头连接的第一喇叭天线；
所述接收天线包括与所述网络分析仪连接的第二扩频头，和设置在所述第二扩频头的一端并与所述第二扩频头连接的第二喇叭天线。
可选地，所述夹具包括：
第一基座和第二基座，用于分别支撑所述第一扩频头和所述第二扩频头；
样品台，用于放置所述待测样品；以及
准光学平台，设置有导轨，所述第一基座、所述第二基座和所述样品台可沿所述导轨移动；
其中，所述样品台还设置有数显游标卡尺，用于测量所述待测样品的厚度。
可选地，所述网络分析仪为矢量网络分析仪；
所述数据处理模块与所述网络分析仪集成为一体。
本发明实施例提出的天线罩的最佳厚度的测量方法和系统，使用网络分析仪通过自由空间法对天线罩材料的相对介电常数进行测量，并根据测量出的相对介电常数通过推导出的材料传输损耗公式进行计算，得出在不同材料厚度情况下的传输损耗曲线，进而给出最佳厚度的参考取值。通过材料传输损耗公式的推导和应用，结合使用自由空间法实测材料样品的相对介电常数来选择确定天线罩的最佳厚度，本发明不依赖于场地环境即可快速、高精度地测量出天线罩的最佳厚度，且无需天线罩厂家提供多个样本，避免了使用试错的方法来进行最佳厚度的测量，降低了测量成本。本发明的测量方法和系统适用于各种天线罩材料的测试，特别是用于汽车的毫米波雷达的天线罩的测试。
进一步地，本发明实施例提出的天线罩的最佳厚度的测量方法和系统，在进行材料样品的相对介电常数的测量之前，先顺序进行介电常数测量系统中的发射天线和接收天线的波导端面的TRL(Thru-Reflect-Line)校准，以及材料端面的GRL(Gated ReflectLine)校准，保证介电常数测量系统的相对介电常数的测量精度，从而进一步提高天线罩的最佳厚度的测量准确度。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了根据本发明一实施例的天线罩的最佳厚度的测量方法的流程示意图；
图2示出了根据本发明一实施例的天线罩的最佳厚度的测量系统的结构示意图；
图3示出了电磁波传播理论下材料的传输损耗的原理示意图；
图4示出了根据本发明一实施例得到的某一频率下材料的传输损耗与材料厚度的曲线图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
为解决上述问题，本发明实施例提供了一种天线罩的最佳厚度的测量方法和系统。
图1示出了根据本发明一实施例的天线罩的最佳厚度的测量方法的流程示意图。参见图1所示，该测量方法至少可以包括以下步骤S102至步骤S106。
步骤S102，以搭建的介电常数测量系统通过自由空间法测量天线罩的材料样品的相对介电常数，其中，介电常数测量系统包括相对的发射天线和接收天线、分别与发射天线和接收天线连接的网络分析仪、以及用于在发射天线和接收天线之间放置和调节待测样品的夹具。
步骤S104，根据材料样品的相对介电常数和预推导出的材料传输损耗公式，计算得到材料样品的厚度与传输损耗的曲线，其中，材料传输损耗公式为根据电磁波传播理论推导出的材料传输损耗与材料的相对介电常数在一定频率和材料厚度下的关系式。
步骤S106，根据材料样品的厚度与传输损耗的曲线确定天线罩的最佳厚度。
相应地，本发明实施例还提供了一种用于实现上述测量方法的线罩的最佳厚度的测量系统。
图2示出了根据本发明一实施例的天线罩的最佳厚度的测量系统100的结构示意图。参见图2所示，该测量系统100一般性地可以包括相对的发射天线110和接收天线120、夹具130、网络分析仪140以及数据处理模块150。夹具130用于支撑发射天线110和接收天线120，并在发射天线110和接收天线120之间放置和调节待测样品160。网络分析仪140分别与发射天线110和接收天线120连接，用于在将天线罩的材料样品作为待测样品160进行测量时，根据发射天线110的信号和接收天线120的信号分析得到天线罩的材料样品的相对介电常数。数据处理模块150可与网络分析仪140相连接，配置为根据材料样品的相对介电常数和预推导出的材料传输损耗公式，计算得到材料样品的厚度与传输损耗的曲线，并根据材料样品的厚度与传输损耗的曲线确定天线罩的最佳厚度，其中，材料传输损耗公式为根据电磁波传播理论推导出的材料传输损耗与材料的相对介电常数在一定频率和材料厚度下的关系式。
具体地，在实现上述天线罩的最佳厚度的测量方法时，发射天线110、接收天线120、夹具130和网络分析仪140即构成了步骤S102中提及的介电常数测量系统。
本发明实施例提出的天线罩的最佳厚度的测量方法和系统，使用网络分析仪通过自由空间法对天线罩材料的相对介电常数进行测量，并根据测量出的相对介电常数通过推导出的材料传输损耗公式进行计算，得出在不同材料厚度情况下的传输损耗曲线，进而给出最佳厚度的参考取值。通过材料传输损耗公式的推导和应用，结合使用自由空间法实测材料样品的相对介电常数来选择确定天线罩的最佳厚度，本发明不依赖于场地环境即可快速、高精度地测量出天线罩的最佳厚度，且无需天线罩厂家提供多个样本，避免了使用试错的方法来进行最佳厚度的测量，降低了测量成本。本发明的测量方法和系统适用于各种天线罩材料的测试，特别是用于汽车的毫米波雷达的天线罩的测试。
需要说明的是，本发明的核心发明点之一在于推导出了一定频率下的电磁波在一定的介电常数的介质中传播的传输损耗与材料厚度之间的关系公式(即，前述材料传输损耗公式)，并将此公式应用于天线罩的最佳厚度计算中。
在一个优选的实施例中，前述材料传输损耗公式如下式(1)所示：
其中，f为频率，c为光速，d为材料厚度，εr为材料(即介质材料)的相对介电常数。
下面对该材料传输损耗公式的推导过程进行详细说明。
该材料传输损耗公式是根据电磁波传播理论进行推导的。图3中示出了电磁波传播理论下材料的传输损耗的原理示意图。如图3所示，当某一频率的电磁波在具有一定介电常数的介质中传播时，考虑到在工作频率f下，厚度为d，复折射率为nc的有损介质材料，两边是空气时，材料的传输损耗T可推导如下式(2)所示：
在式(2)中，f为频率；c为光速；d为介质材料的厚度；ηo＝120π，为真空中的波阻抗；ηc为介质的特征阻抗，如下式(3)所示：
在式(3)中，μ和ε分别是介质材料的磁导率和电导率。
对于任何磁性材料(例如无机材料)，其磁导率μ为1，则其复折射率nc和相对介电常数εr之间的关系也可以用下式(4)表示：
根据上述式(2)至式(4)，即可以得出传输损耗T与相对介电常数εr在一定厚度和频率条件下的关系式，即材料传输损耗公式(1)。
根据材料传输损耗公式(1)，只需要找到材料的相对介电常数，即可得出传输损耗T与材料厚度d的曲线。
天线罩材料样品的相对介电常数的测量、传输损耗T与材料厚度d的曲线的计算、以及天线罩的最佳厚度的选取确定可通过本发明实施例的测量系统100进行。
继续参考图2，在一些实施例中，发射天线110可以包括与网络分析仪140连接的第一扩频头111，和设置在第一扩频头111的一端并与第一扩频头111连接的第一喇叭天线112。此外，接收天线120也可以包括与网络分析仪140连接的第二扩频头121，和设置在第二扩频头121的一端并与第二扩频头121连接的第二喇叭天线122。
夹具130可以包括扩频头基座、样品台133和准光学平台134三部分。准光学平台134提供了整个测试平台的基座，并安装有导轨135，以方便扩频头基座和样品台133可滑动地沿导轨135移动。样品台133用于放置待测样品160，通过使样品台133沿导轨135移动来调节待测样品160。具体地，待测样品160可以竖直地固定在样品台133上，使待测样品160的厚度方向与发射天线110和接收天线120之间的信号传输方向相一致。扩频头基座具体可包括用于分别支撑第一扩频头111和第二扩频头121的第一基座131和第二基座132。第一基座131和第二基座132均可以提供在X/Y/Z三个方向移动的电动调节功能，每个方向上的最大移动距离为20mm，从而使发射和接收天线的调节更方便。
进一步地，样品台133除了提供固定样品的功能之外，还可以提供样品厚度测量的功能。在一些实施例中，样品台133还可以设置有数显游标卡尺，用于测量待测样品160的厚度。具体地，通过将待测样品160(如介质材料)放置到样品台133的夹持装置中，数显游标卡尺通过一个联动机构在样品夹稳的状态下可同时测量到样品厚度。
网络分析仪140可以是矢量网络分析仪，其可带有时域分析软件以及材料测试软件，从而通过网络分析仪完成材料样品的相对介电常数的测量。
在一些实施例中，数据处理模块150可以独立于网络分析仪140，例如，可以是独立于网络分析仪140的处理器。
在另一些实施例中，数据处理模块150可以与网络分析仪140集成为一体。例如，将数据处理模块150集成在网络分析仪140中，从而减少部件数量，简化整个测量系统100的结构。
利用本发明实施例的方法，只需要一台网络分析仪及相关选件以及算法即可完成，节省了场地环境，减少了投入。并且，只需天线罩厂家提供一个样本，即可快速得出精度较高的最佳厚度的参考值。
当应用于对毫米波雷达天线罩的测量时，第一扩频头111和第二扩频头121可以采用毫米波扩频头。网络分析仪140和毫米波扩频头构成可以覆盖直流至110GHz的扩频系统。第一喇叭天线112和第二喇叭天线122可以采用W波段喇叭天线，以测量夹具130上放置的材料样品的S参数，基于S参数和材料厚度就可以计算出材料的相对介电常数。优选地，测量频率范围可以为75-110GHz。
为了精确测量材料样品的S参数，从而精确计算材料的相对介电常数，在对材料样品的相对介电常数进行正式测量之前，还可以先对介电常数测量系统进行校准。校准可以分两步进行(或者，也可以称为两级校准)。第一步，先通过网络分析仪140进行发射天线110和接收天线120的波导端面的TRL(Thru-Reflect-Line)校准。第二步，通过夹具130在发射天线110和接收天线120之间设置金属板，进行材料样品端面的GRL(Gated Reflect Line)校准。
下面以毫米波雷达天线罩的测试为例具体介绍校准的步骤。
在第一步(或称第一级)校准中，在发射天线110和接收天线120之间不设置材料样品，在毫米波网络分析仪140的扩频头波导端面，使用网络分析仪140自带的校准向导做W波段的TRL(Thru-Reflect-Line)校准。具体的校准步骤是顺序地在将网络分析仪140的端口1和端口2分别连短路件(即，将端口1和端口2分别通过第一扩频头111和第二扩频头121连接第一喇叭天线112和第二喇叭天线122)，端口1和2直连，端口1和2连接四分之一波长延迟线的情况下进行测量校准，从而取得波导校准S11和S21的值。
在第二步(或称第二级)校准中，首先接上第一喇叭天线112和第二喇叭天线122，进行空间校准，测量S33和S23，将S23曲线转换成时域波形，在寻峰(Peak Search)之后，使用夹具130在第一喇叭天线112和第二喇叭天线122中间放上金属板，S33也进行时域变换，调整金属板的左右位置，使得S33的峰点(Peak)与S23时间相同，表示金属板已经调至两个喇叭天线的正中间，通过S33找到并记录峰点两边的低点(即marker2和marker3点)的时间值，启动材料测试软件进行GRL的校准，分别设置好金属板和测试材料的厚度值，启动测量。之后，去掉中间位置的金属板，测量空气介电常数作为对校准结果的验证，测量可知空气的介电常数为1，与实际值一致，表明校准结果准确。
前述的S11、S21、S33、S23为描述传输通道的频域特性(如衰减、反射等)的参数，其意义应为本领域技术人员所熟知，此处不再赘述。
本发明实施例的天线罩的最佳厚度的测量方法和系统中，通过在进行材料样品的相对介电常数的测量之前，先顺序进行介电常数测量系统中的发射天线110和接收天线120的波导端面的TRL校准，以及材料端面的GRL校准，保证介电常数测量系统的相对介电常数的测量精度，从而进一步提高天线罩的最佳厚度的测量准确度。
在进行系统校准之后，在夹具130上放置被测材料样品，即可测量其相对介电常数。将测量得到的相对介电常数代入公式(1)，即可得到一定频率下的传输损耗与厚度的曲线，进而根据该曲线确定天线罩的最佳厚度。
下面通过一个具体的示例对传输损耗与厚度的曲线及最佳厚度的选取进行说明。
例如，在一个示例中，测量到的相对介电常数在76GHz下的实部和虚部分别为2.55和0.08，即：
将上述数值代入式(4)和(1)，得到材料样品的传输损耗与厚度的曲线。具体地，传输损耗与厚度的关系波形曲线可以绘制成如图4所示。
由图4的曲线可以看到，厚度越大不一定意味着更多的衰减，而是在不同的厚度范围内分别出现了多个波峰点。考虑到材料太薄会导致天线罩易碎，天线罩的最佳厚度一般性地可以选取在2-3mm范围内。例如，可以选取图4中从左到右第二个波峰点对应的厚度(2.41mm)作为天线罩的最佳厚度。
此外，传输损耗与厚度的波形图曲线也可以同时给出每个波峰点对应的传输性能最佳的厚度点的数值。例如，左边第一个波峰点是传输损耗的最佳点，在更小厚度可以满足天线罩现场的实际使用的情况下，也可以选取该波峰点对应的厚度(1.19mm)作为最佳厚度。当然，在天线罩材料需要更厚厚度才足以提供足够支撑的情况下，也可以选取从左到右的第三个波峰点对应的厚度(3.65mm)作为最佳厚度，甚至可以选择最右边的波峰点对应的厚度(4.88mm)作为最佳厚度。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：在本发明的精神和原则之内，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案脱离本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种天线罩的最佳厚度的测量方法，其特征在于，包括：
以搭建的介电常数测量系统通过自由空间法测量所述天线罩的材料样品的相对介电常数，其中，所述介电常数测量系统包括相对的发射天线和接收天线、分别与所述发射天线和所述接收天线连接的网络分析仪、以及用于在所述发射天线和所述接收天线之间放置和调节待测样品的夹具；
根据所述材料样品的相对介电常数和预推导出的材料传输损耗公式，计算得到所述材料样品的传输损耗与厚度的曲线，其中，所述材料传输损耗公式为根据电磁波传播理论推导出的材料传输损耗与材料的相对介电常数在一定频率和材料厚度下的关系式；
根据所述材料样品的传输损耗与厚度的曲线确定所述天线罩的最佳厚度；
其中，所述材料传输损耗公式为：
其中，f为频率，c为光速，d为材料厚度，εr为材料的相对介电常数。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，在测量所述天线罩的材料样品的相对介电常数之前，还包括：
对所述介电常数测量系统进行校准。
3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，
所述对所述介电常数测量系统进行校准的步骤包括：
通过所述网络分析仪进行所述发射天线和所述接收天线的波导端面的TRL校准；
通过所述夹具在所述发射天线和所述接收天线之间设置金属板，进行材料样品端面的GRL校准。
4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，
所述天线罩为用于汽车的毫米波雷达的天线罩。
5.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，
所述天线罩的最佳厚度在2-3mm范围内。
6.一种天线罩的最佳厚度的测量系统，其特征在于，包括：
相对的发射天线和接收天线；
夹具，用于支撑所述发射天线和所述接收天线，并在所述发射天线和所述接收天线之间放置和调节待测样品；
网络分析仪，分别与所述发射天线和所述接收天线连接，用于在将所述天线罩的材料样品作为所述待测样品进行测量时，根据所述发射天线的信号和所述接收天线的信号分析得到所述天线罩的材料样品的相对介电常数；以及
数据处理模块，配置为根据所述材料样品的相对介电常数和预推导出的材料传输损耗公式，计算得到所述材料样品的传输损耗与厚度的曲线，并根据所述材料样品的传输损耗与厚度的曲线确定所述天线罩的最佳厚度，其中，所述材料传输损耗公式为根据电磁波传播理论推导出的材料传输损耗与材料的相对介电常数在一定频率和材料厚度下的关系式，所述材料传输损耗公式为：
其中，f为频率，c为光速，d为材料厚度，εr为材料的相对介电常数。
7.根据权利要求6所述的测量系统，其特征在于，
所述发射天线包括与所述网络分析仪连接的第一扩频头，和设置在所述第一扩频头的一端并与所述第一扩频头连接的第一喇叭天线；
所述接收天线包括与所述网络分析仪连接的第二扩频头，和设置在所述第二扩频头的一端并与所述第二扩频头连接的第二喇叭天线。
8.根据权利要求7所述的测量系统，其特征在于，
所述夹具包括：
第一基座和第二基座，用于分别支撑所述第一扩频头和所述第二扩频头；
样品台，用于放置所述待测样品；以及
准光学平台，设置有导轨，所述第一基座、所述第二基座和所述样品台可沿所述导轨移动；
其中，所述样品台还设置有数显游标卡尺，用于测量所述待测样品的厚度。
9.根据权利要求6所述的测量系统，其特征在于，
所述网络分析仪为矢量网络分析仪；
所述数据处理模块与所述网络分析仪集成为一体。
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