Tesla雷达天线浅析

【导读】前段时间Tesla重拾雷达的消息扰动了整个行业，甚至扰动了资本市场。网络上也放出来几张雷达PCB及实物尺寸图。本期邀请了一份技术稿，对这款雷达做一些基本的分析，和大家一起探讨，如有错误之处，期待各位读者朋友及同仁的指导。

根据xx的测试报告，行业研究指出Tesla雷达采用TI 2243双芯片级联方案。TI官网给出的芯片发射功率为13dBm，RX noise figure：12dB。从测试报告里可以看出，Tesla雷达采用FMCW工作体制，工作频率为76-77GHz，且雷达支持三种工作模式（文件中定义为Mode3，Mode4和Mode5），三种工作模式的扫频带宽分别为210MHz，400MHz和700MHz，斜率一样。

模式特性

工作模式

不同模式的参数配置

产品尺寸：196 mm (Length)×82 mm (Width)×40 mm (Height)。由于没有相应的板材信息，根据其他厂商雷达的材料选型，文中的仿真材料选用Rogers3003，为常用材料，介电常数3，损耗正切角0.001。

雷达实物图

雷达PCB

使用微带转SIW结构，雷达屏蔽罩可实现全接地方式，达到更好的电磁屏蔽效果。雷达采用内置微带天线，总增益20.32dBi，雷达有6个发射天线，但只有4个天线能同时发射，单天线最大增益14.3dBi，总增益=单根天线增益值+10log（同时发射天线个数）=14.3dBi+10log4=20.32dBi。同时还给出了单天线的俯仰和方位波束宽度。

天线信息

FCC法规中§ 95.3367（a）章节对 76-81 GHz 频段雷达辐射功率限制如下：76-81 GHz 频段内的基本辐射发射限制以等效全向辐射功率 (EIRP) 表示，如下所示：(a) 根据使用具有 1 MHz 分辨率带宽 (RBW) 的功率平均检测器的测量结果，76-81 GHz 频带内的最大功率 (EIRP) 不得超过 50 dBm。(b) 根据使用具有 1 MHz RBW 的峰值检测器的测量结果，76-81 GHz 频带内的最大峰值功率 (EIRP) 不得超过 55 dBm。根据ISEDC RSS-251第8.1章节，根据使用具有1 MHz 分辨率带宽 (RBW) 的功率平均检测器的测量结果，测试功率为占用带宽内的总功率，且最大峰值功率不得超过55dBm。

Peak fundamental Emission

Tesla雷达的三种工作模式下的Peak EIRP测试结果如下表：

测试值

接下来，将对测试结果进行分析（增益和发射功率均以最大值计算）：

根据测试报告，可以得出单天线性能（最大增益14.3dB，3dB方位波束宽度48°，俯仰14°）。芯片发射功率TX power=13dBm，Mode 3 Max EIRP=31.54 dBm，Mode 4 EIRP=32.97 dBm以及Mode 5 EIRP=36.19 dBm。测试结果中是以的PSA reading是以dBuV/m为单位，需要转换到dBm。根据ANSI C63.10-2013 Section 10.3.9，在距离为3m的测试场景下，dBuV/m到dBm的转换公式是EIRP（dBm）=E（dBuV/m）-95.3。E（dBuV/m）对应上表中的Corrected Field Strength(dBuV/m at 3m)。

假设存在单天线发射模式，此时天线增益14.3dBi，芯片功率13dBm，在系统损耗（x）一定的情况下，峰值EIRP=14.3+13-x=27.3-x，此种工作模式下的最大EIRP值无法到达前面的Mode3、4、5中的EIRP值，因此雷达不存在单发模式。两芯片级联并且同时工作时，总的发射功率Tx total=Tx power+10log2=16.01dBm。同时，不同个数的天线同时发射时的增益值如下：单根天线天线发射增益：14.3dBi；两根天线同时发射时增益为17.3dBi；三发和四发增益分别为19.07dBi和20.32dBi；因为Mode5的EIRP为36.19dBm，结合芯片功率和损耗值可知Mode5的工作模式为双芯片4发。对比Mode4和Mode5之间的EIRP差值（3dB）,可以推导出Mode4的工作模式为双芯片双发，Mode3的工作模式为单芯片三发。（以上推论是作者基于测试报告中已给出的工作模式和测试值，计算公式为EIRP=Tx power+Antenna Gain-Loss，是否存在其他工作模式，尚无法确认）。

天线布局见下图（未加屏蔽罩及SIW结构），根据单个接收天线的尺寸做比拟，以半波长间距为基准，得到发射天线和接收天线的间距。两芯片级联，其中芯片1的三发处于同一水平面，无俯仰向区分，间距6倍波长。芯片2（Tx3-Tx5）的三个发射天线俯仰向相差2倍波长，水平间距3倍波长。PCB表层采用人工电磁表面结构，可减小纹波抖动。

天线布局图

接收天线

接收天线方向图@76GHz

接收天线，Port1和Port2之间的性能差异在方位面角度上，Port2方位面角度约120°，Port1方位面角度50°（3dB），推断短距离模式用上图接收天线中的Port2和Port7来工作。

为实现屏蔽罩全接地，天线采用SIW转换结构，对加载SIW结构的RX天线组进一步仿真，由于SIW结构的宽度主要影响截止频率，因此在没获得准确的参数的前提下，仿真结构的截止频率可能和Tesla用的SIW结构存在差异。对SIW结构做阻抗匹配，并代入天线馈电端口，接收天线的隔离度大于-20dB，由于未对Port2上的功分器做过多的匹配设计，因此Port2和Port3之间存在一定频偏量；

加载SIW结构的S参数

增加屏蔽罩金属地的S参数

在SIW结构上增加金属接地，模拟屏蔽罩的影响（受仿真时间限制，未将整个屏蔽罩设计进去），增加接地金属前后S参数并未产生明显偏移和畸变，两者基本重合。且SIW结构在76.5GHz处的电场均匀分布在波导管内。

SIW的电场分布@76.5G

加载了SIW结构的天线仿真性能如下，由于SIW结构比较短，因此整体损耗并不大。

加载SIW结构的天线性能

由于尚不清楚工作时天线的选择方式，以及移相器配置，因此无法知晓具体的发射天线工作方式。根据上面的不同模式推理，感兴趣的读者可以尝试选择不同的发射天线进行组合，对可能的组合形式做进一步仿真分析，可以明确的是，不同的发射天线组合形式势必会增强天线增益强度和天线FoV的变化。

总结：

1.仿真结果的峰值天线增益未达到14.3dBi，因此仿真模型里天线阵元间距及尺寸还有优化空间，另外SIW结构的阻抗也可以进一步优化。值得借鉴的是采用SIW结构实现天线罩全接地的设计方案，有利于进一步屏蔽芯片端对天线的射频干扰。

2.单天线性能比较常规，难点在于天线布局，文章仅对天线本体性能作仿真验证，尚未牵扯到虚拟列、稀疏阵等天线布局仿真分析；

雷达采用德州仪器的2243芯片，FMCW工作体制，虽然2243支持76-81 GHz，但为了符合法规，但雷达带宽将被天线限制在76-77GHz。中心频率为76.5GHz，双芯片级联实现 6 个 TX 和 8 个 RX 通道，最大虚拟通道数为 48。芯片发射功率13dBm，接收天线和发射天线都为13dBi，馈线和介质损耗LTx=5dB，LRX=3dB，天线罩双向损耗=2dB，保险杠双向损耗2dB，NTD=3，Nvirtual=19。

根据以上参数，代入雷达方程，则可以得到不同RCS下雷达的最远探测距离关系。

RCS vs Distance

PCB和关键尺寸

MIMO 虚拟孔径分析

见上图，第一种（蓝色线条）是增加方位角范围来提升角度分辨率的模式。该模式下无法进行远距离测量，同时虚拟阵元的间距（~1.2 波长）。

第二种（橙色线条）是提供目标位置的方位角和仰角测量的模式，主要增加俯仰探测能力。

Rx 天线（图片来源：Ghostautonomy）

第二个和第三个（左起）RX 天线具有与其他接收天线方位面角度及间距不一样。这样设计的好处在于可以灵活配置8个RX的工作状态；

要获得更高角度分辨率，可以用Rx2和Rx3同时工作，此时天线性能和其余接收天线一致，而且变为了间距4.5mm的均匀阵列（若Rx2和Rx3都采用和其余接收天线一样的形式，虽然接收天线孔径变大，但在发射天线位置固定的前提下，虚拟阵列重叠的个数会增加，利用率降低）。此时重叠的虚拟阵元为2个。为获得更低的旁瓣电平，只使用接收天线1-4，此时为非均匀阵列，但两者的方位角度是不一样的。

不同模式的虚拟阵列分布

不同模式的方向图

上面给出了不同模式下的虚拟阵列形式，且给出了相应的方向图结果。Tesla天线布局不仅实现了高分辨率同时优化了旁瓣电平。

不同发射组合俯仰

不同发射组合方位

根据参数优化后的性能见上；

来源：雷达天线站

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