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

2024-12-04 10:02:41

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

放置在車標(biāo)或保險(xiǎn)杠后面的車載毫米波雷達(dá)必須以Mini的干擾傳輸信號(hào)。汽車制造商指定了相應(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(xiǎn)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(gè)天線連接到ShockLine MS46522B-083矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩個(gè)端口以傳輸和接收信號(hào)，來替代信號(hào)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(hào)，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?yàn)榛趯挾?、油漆、制造工藝等?huì)影響結(jié)果。出現(xiàn)的另一個(gè)問題是，在整個(gè)待測試表面上使用單個(gè)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(huì)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(gè)不相互排斥的選項(xiàng)。第一種方法需要在房間周圍放置吸收材料，然而，這可能會(huì)使設(shè)置更加復(fù)雜。第二個(gè)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(gè)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(shí)，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(shí)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(xiǎn)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(huì)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(dòng)駕駛汽車更為關(guān)鍵。在生產(chǎn)線的出口，必須對所有保險(xiǎn)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(xiǎn)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(gè)天線之間的待測材料對準(zhǔn)。在這種配置中，使用了兩個(gè)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(xiǎn)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(gè)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(gè)端口的反射將通過垂直于兩個(gè)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(huì)反射回任何端口，并實(shí)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(gè)天線之間的距離為310毫米，這個(gè)距離足夠大，可以有空間放置樣品或保險(xiǎn)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(shí)，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(jì)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(huì)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(shí)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(xiǎn)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(xiǎn)杠零件的情況下，機(jī)械定位器在將保險(xiǎn)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(gè)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(shí)，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(jì)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)完全落入樣品中。

在吸收材料不可用的情況下，可以配置一個(gè)門限(Gating)來改善測量并避免外部反射（這些外部反射可能會(huì)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。現(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(shí)域響應(yīng)（帶通模式）。

圖6 傳輸響應(yīng)的時(shí)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小；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(shí)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(shí)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“Frequency Response 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-40 dB），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)置沒有完全優(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(chǔ)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(shí)必須小心，因?yàn)槟J(rèn)情況下，門控不會(huì)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(xiǎn)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(shí)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(shí)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(xiǎn)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(dòng)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(gè)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(gè)很好的解決方案，因?yàn)樵诹硪晃豢蛻舻难菔局?，這個(gè)支架是用金屬制造的，導(dǎo)致了幾次反射。