首页/文章/ 详情

星链产品迭代和天线解析

1月前浏览1137
2026年8月10日,自动驾驶与卫星通信领域迎来一个高度集成融合的产品。Tesla官方Robotaxi正式发布了首辆搭载内置星链天线的Cybercab量产版。把卫星相控阵和用于定位、4G/5G天线都进行了高度的集成化设计。

Cybercab [Tesla/Starlink]

下面是关于Tesla的商业布局和星链终端天线的产品迭代方案以及最新的高度集成的天线方案专利分析,涉及到资源配置,成本和性能的双向考虑,可以认为这是后面的结构设计一种趋势,小而美的设计,永远都是值得学习和研究的。本篇供业内人士参考。

1.业务解析

既然Cybercab基于先进的AI4计算机,采用纯视觉的端到端神经网络,能够在无任何网络连接的状态下实现安全的本地单体智能驾驶,那么为其增加重量、成本和功耗,强行塞入一个卫星天线的原因究竟何在?

下面从以下四个维度展开说明,即服务区域扩张、强化应急处理能力、FSD训练数据采集和无人驾驶的增值服务生态。

1. 服务区域扩展:早期的Robotaxi商业化运营高度集中在迈阿密、休斯顿等5G基站密布的繁华城区。然而,真正的Robotaxi商业模型需要覆盖广袤的市郊、城际高速以及乡村偏远地带。当车辆驶入传统蜂窝网络的盲区时,若发生突发状况,车辆将与车队管理中心彻底失联。Starlink的引入,通过低地轨道卫星的全球无缝覆盖,彻底消灭了这一盲区,为Robotaxi服务的地理扩张铺平了道路。

2. 强化应急处理能力:尽管AI驾驶系统日益成熟,但当车辆遭遇道路塌陷、交警临时手势指挥、复杂的事故现场等,往往需要远程后台的人类操作员进行介入或下发强制指令。为了让远程操作员拥有与车内无异的感知能力,车辆需要将至少10个高清摄像头的原始视频流实时回传。这等同于2路并发的4K视频流传输压力。Starlink V5终端提供的超过375 Mbps的峰值吞吐量,极大地提升了紧急状态下的通信能力。

3.FSD训练数据采集:特斯拉正在构建一个包含数百万辆互联车辆及Optimus人形机器人的通用人工智能基础设施。车辆在行驶过程中,捕获的极端路况数据和人类驾驶员(或其他车辆)的干预数据,需要源源不断地回传Dojo超级计算机群进行无监督学习和神经网络权重更新。卫星链路保障了这种高价值遥测数据上传的连续性,使得车队的进化不受网络物理边界的限制。

4.无人驾驶的增值业务:由于Cybercab彻底移除了方向盘和制动踏板,乘客在车内的注意力被完全释放。车辆不再仅仅是位移的工具,无论车辆身处高山、荒漠还是城市隧道,稳定的卫星宽带都能支持乘客进行无卡顿的4K高清视频流媒体播放、低延迟云游戏以及高带宽视频会议,极大地丰富了无人驾驶商业化的增值服务生态。

当前阶段,传统的车载卫星通信设备往往需要庞大的机械伺服机构或突兀的外部附加装置,应用场景丰富。而Cybercab从根本上改变了自动驾驶车队的实时数据接入链路。在自动驾驶技术日益依赖云端算力与海量数据回传的今天,如何打破蜂窝网络的地理局限,也成为了各大车企竞相攻克的难题。

2.终端产品迭代

Cybercab车顶集成的Starlink v5版本天线并非传统的抛物面天线,而是一种采用有源相控阵天线。从Starlink地面终端的迭代历程来看,整个产品在不断追求低功耗、简化结构与极致轻量化。早期的Gen1(圆形)和Gen2(矩形)终端均配备了机械伺服电机,主要依赖电机进行物理角度的粗调以对准卫星轨道,再辅以小范围的电子波束扫描。这种设计不仅增加了设备的重量与故障率,更带来了额外的机械功耗。到了2023年推出的Gen3(标准版V4),SpaceX移除了所有的机械电机机构,完全依赖更广阔的110°电子扫描角度来捕获卫星。然而,V4庞大的面板面积和75W ~100W 的平均功耗,对于车载应用而言依然显得过于笨重且能耗偏。

从参数可以看出,搭载于Cybercab上的最新的Starlink V5天线,其平均运行功耗被控制在的35W ~50W(约为V4终端的一半),这对于严重依赖动力电池且需要持续供电的电动车而言,是一个非常大的改善。同时,V5的物理面板尺寸缩小至约 274mm *350mm,介于现有的标准版V4与迷你版(Mini)之间。

Starlink地面终端并非传统意义上收集和反射电磁波的抛物面天线(,而是一个高度复杂的二维平面相控阵天线系统。其核心原理是利用波的干涉特性,通过精确控制分布在平面上的成百上千个微型天线阵元发射或接收信号的相位差,在空间特定的方向上形成建设性干涉(信号增强,即主瓣),而在其他方向上形成破坏性干涉(信号抵消,即旁瓣),从而在无需任何物理机械转动的情况下,实现电磁波束在空中的高速扫描与指向。

在频段分配上,Starlink用户链路主要采用Ku波段(Ku-band)。卫星向地面终端发送数据(下行链路)主要利用10.7 GHz至12.7 GHz频段,而地面终端向卫星发送数据(上行链路)则利用14.0 GHz至14.5 GHz频段。在该频段下,电磁波的波长为两到三厘米,要求PCB上的天线阵元必须以极高的密度排列,通常呈现为六边形的栅格布局。这种高频高密度设计带来了严苛的制造挑战。高频微波在PCB内部走线时会产生严重的衰减和串扰。此外,多层PCB设计不仅要解决射频信号的无损传输,还必须兼顾数字控制信号的路由以及庞大功耗带来的散热问题,或者表面波的抑制不够好,而引入扫描角度变窄等问题。SpaceX在随后的几代产品中,通过不断迭代射频前端芯片的拓扑结构和数字波束成形算法,逐步克服了这些物理屏障。

迭代的主要方向涵盖产品尺寸、重量、功耗。从设计上来说,从射频集成电路、数字信号处理、去机械化以及热管理和加强软件定义天线等方面的优化演进。本文将重点关注天线和射频部分相关技术。

2.1 第一代终端

第一代产品中,其外层天线罩采用了成本较低但通常不用于微波频段的玻璃纤维材料,而内部辐射贴片则使用裸铜材质。裸铜虽然易于在原型阶段进行返工,但如果在密封不严的情况下极易氧化失效。

在射频架构方面,一多层高频PCB上密集排列着1152至1280个贴片天线阵元。为了控制这些阵元,SpaceX联合意法半导体定制了数字波束成形芯片,Gen 1主板上搭载了多达79个波束赋形芯片。每个芯片通过复杂的走线,直接驱动32个射频前端模块芯片,每个射频前端再负责一对天线阵元。这种高度分布式的数字控制架构性能较好,但导致整板射频芯片总数超过700个。

2.2 第2/3/4代终端天线

2.2.1 阵面迭代

为了解决制造经济性问题,从V2版本开始,Starlink全面转向了矩形阵面设计,其物理尺寸调整为513mm*303毫米,重量减轻至4.2公斤。矩形阵面不仅显著提高了PCB制造的良率和面板材料利用率,还在垂直与水平方向上形成了不对称的孔径分布。这种不对称性使得天线在长轴和短轴方向上具有不同的波束宽度,这恰好契合了低轨卫星在特定轨道倾角下过境时的几何轨迹特性,使得波束资源能够更集中地覆盖卫星的高频出现区域。

Gen1 &Gen2. [Starlink.com]

V3与V4版本进一步优化了这一矩形比例,尺寸扩大至594毫米乘以383毫米,重量则进一步下降至2.9公斤(含支架为3.2公斤)。在最新的V5版本中,天线尺寸被大幅缩减至384mm*306mm,厚度仅为34mm,整体重量锐减至1.1公斤,实现了体积和重量的双重极致瘦身,其便携性已经与Starlink Mini版本(UTA-231)不相上下。

Gen3 &Gen4. [Starlink.com]
伴随阵面形状改变。V1与V2版本的核心机械特征是内置了双轴自动对准电机。系统通电后,内部的GNSS接收机获取精确地理位置,主控处理器计算出当前上空最佳的卫星轨道仰角,并驱动步进电机将天线物理倾斜至最优角度,随后再由相控阵进行实时的电子波束跟踪。虽然这种机械粗调配合电子精调的架构有效降低了天线对大角度电子扫描的依赖,但复杂的伺服电机系统不可避免地引入了额外的重量、功耗以及潜在的机械故障点。在严寒覆冰或沙漠风沙环境下,齿轮卡死或电机过载成为了早期的主要返修原因之一。
2.2.2 波束赋形/FOV迭代
有源相控阵天线相对于传统抛物面天线的绝对优势在于其无惯性的电子波束扫描能力,但在偏离法线方向进行大角度扫描时,系统必须克服由孔径投影面积减小所带来的扫描损耗。同时大角度扫描还容易激发电磁波的栅瓣,从而导致主瓣能量泄漏和极化纯度恶化。在视场角的演进上,受限于早期的阵元间距控制和互耦抑制技术,V1和V2版本的相控阵自身的有效扫描视场角相对较小,约为100度。因此V1和V2必须依赖底层步进电机进行大范围机械粗调,当卫星处于天线法线法向的极端边缘时,必须通过物理倾斜将卫星拉回100度视场角的有效增益范围内。
随着V3和V4版本彻底取消了伺服电机,天线必须完全依靠纯电子波束成形来追踪在低轨道上高速移动的卫星星座。因此,V3、V4以及最新的V5版本均通过更紧凑的微米级阵元间距和改进的介质基板,将标准视场角成功扩展至110度(即相对于法线方向实现±55度的稳定扫描)。在面向企业级干线、海事远洋通信以及航空机载移动平台如Starlink Aviation的High Performance和Flat High Performance高端版本中,视场角更是被进一步拓宽至140度,即扫描角达到±70度。为了在±70度的极端扫描角度下仍能保持主波束的锐度和抑制旁瓣,这些高性能版本采用了更加复杂的六位(6-bit)甚至更高精度的数字移相器,并将峰值旁瓣电平压制在-20 dB以下。[1]

对于V5版本而言,面临着一个严峻的技术悖论,在取消了机械对准电机、增加了扫描角度需求的同时,天线的物理阵元数量却从1536个大幅缩减至820个。这必然导致天线在低仰角接收时的物理信噪比面临极大的挑战。为了弥合这一物理增益的缺口,星链在V5系统的基带数字信号处理层面进行了系统性创新。V5接收机不再单纯依赖射频前端的物理增益,而是利用基带算力,对接收到的含有大量导频符号的完整OFDM帧进行相干匹配滤波。通过这种时间维度的积分运算,V5能够获取高达48 dB的数字处理增益。正是凭借这种以基带算法算力换取射频物理孔径的技术路径,V5才得以在信号衰减严重的大扫描角状态下,依然能够从信噪比极低的旁瓣或微弱主瓣信号中精确提取数据,从而维持375+ Mbps的高速吞吐。

2.2.3 微带天线极化技术迭代

卫星通信在穿越地球电离层和对流层时,会面临严重的法拉第旋转效应和雨衰现象,这会导致传统的线极化电磁波发生不可预测的极化面旋转,进而产生严重的极化失配损耗。因此,星链系统从太空段到地面终端,均采用了抗干扰能力更强的圆极化技术。在工作频段上,V1至V5终端均保持了一致的频谱划分:下行链路(接收,Rx)工作在10.7-12.7 GHz频段,采用右旋圆极化(RHCP);上行链路(发射,Tx)工作在14.0-14.5 GHz频段,采用左旋圆极化(LHCP)。在天线辐射单元的物理结构上,从V1到V5,用户终端一直坚持采用多层堆叠微带贴片技术架构。相较于传统的单层贴片,这种架构通过底层的H型缝隙或十字型槽进行孔径耦合馈电,激励位于上层不同介电常数基板上的主副微带贴片产生相近的双谐振点,从而极大地拓宽了天线的阻抗带宽,使其能够完全覆盖Ku波段高达几个G的收发频段。

为了在宽视场角扫描下维持高纯度的圆极化轴比,避免在大角度下退化为椭圆极化甚至线极化,在阵列排布上采用了高级的顺序旋转馈电技术和双馈电网络结构。通过精确控制相邻贴片之间的物理旋转角度(通常为90度或其倍数)和馈电相位差,不同阵元产生的交叉极化分量在空间中发生相消干涉,而主极化分量则相干叠加,从而在±55度乃至更大的扫描范围内维持了优秀的极化隔离度。[2]

A.Concept of sequential rotation technique in a 2 × 2 sub-array.B.Switchable Right Circ. Polarization。C.Switchable Left Circ. Polarization. Source 2. AMÉLIA RAMOS RAUL ARRUELA .A Ka-Band Modular Dual Switchable Circularly Polarized Phased Array Transmitter for LEO Satellite Communications. IEEEAccess.2025

此外,为了解决数千个密集排列的阵元之间严重的电磁互耦问题,PCB堆叠设计中不仅布置了寄生贴片来改善空间波阻抗匹配,还可能在阵元周围蚀刻了周期性的电磁带隙结构EBG或使用特定的吸波材料来切断表面波的传播路径,这对于抑制盲区和提升天线整体辐射效率起到了决定性的作用。

2.2.4 星链V5终端相控阵天线解析

星链用户终端自第一代圆形天线发展至今,已历经多次基于尺寸、重量、功耗与成本的重大迭代。最新的V5标准版天线(Standard V5)被清晰地定位为面向住宅和固定安装的高效能解决方案。相比于前代V4(Standard 4X),V5在物理尺寸和功耗上实现了指数级的优化,另外天线阵子数量锐减到800个。

StarLink v4和v5终端规格参数对比

在平面有源相控阵天线中,整个阵列的总定向增益G_array并非单个阵元增益的简单线性叠加,而是由单个阵元的辐射方向图与阵列因子在空间域内相乘所得。假设天线阵列由 N个各向同性且具有相同激励振幅的有源阵元组成,在忽略互耦合效应的理想状态下,阵列的最大理论方向性增益的对数增加量严格正比于 10 log10(N)。

对于标准版V5的820个阵元,其提供的阵列增益理论值为:

G_Array=10 log_10(820)=29.1381 dB

对于Cybercab版V5的800个阵元,其提供的阵列增益理论值为:

G_Array=10 log_10(800)=29.0309 dB

两者之间的绝对增益差值 Δ 为0.1072dB

在射频微波工程的实际应用中,0.107 dB 的增益变化处于仪器的测量误差与环境热噪声波动范围之内。在Ku波段(下行链路 10.7-12.7 GHz,上行链路 14.0-14.5 GHz)的卫星通信链路预算中,大气吸收、云层闪烁、特别是降雨衰减所造成的路径损耗波动通常高达 2 dB 到 10 dB。相较于这些宏观的自然环境衰减因子,2.4%的阵元缩减所导致的0.1 dB的理论增益损失,因此,从纯粹的增益数值来看,这不会导致终端接收器解调出的信噪比出现任何可被用户感知的劣化。

Cybercab量产版 减少了20个阵元,故整个有源相控阵采取的稀疏阵列的布局方案。由于波束的主瓣宽度反比于天线的整体物理孔径,而非阵元的绝对数量。由于车载版V5的PCB外围轮廓与标准版完全一致(均为 384 × 306 mm),且被移除的20个阵元大概率通过算法被分散布置于阵列的内部特定节点而非边缘裁切,因此整个天线的等效发射与接收口径并未发生几何收缩。确保了上行链路的有效各向同性辐射功率。同时减少的 20 个独立的天线辐射单元省出的物理空间嵌入一个全球导航卫星系统(GNSS)接收器,重新启用在车规级应用中极为成熟的 STA8090 GNSS 芯片。

StarLink v5不同版本阵列布局对比[Source_Space X/tesla]

对于车载版本而言,红色阵子一共415个,构成DBF1,蓝色阵子305个,构成DBF0.所有的天线阵元(无论是DBF0还是DBF1)都采用了类似六边形紧密排列。这种排布方式是相控阵天线设计的经典技巧,相比于传统的正方形网格,六边形排布能以最小的阵元间距实现最高的空间采样率。这意味着在相同面积的面板上,它能实现更细腻的电子扫描角度和更高的波束赋形增益。

另一方面,星链产品的阵列布局大多数采用嵌套阵方案,如下图所示:

StarLink v4和v5阵列布局[Source_Space X/tesla]

PANDA阵列主要沿着水平界限(Y轴方向分层)分割为三个区块;而MINI阵列则是沿垂直界限(X轴方向分列)分割为两个区块。这种分割策略不仅仅是硬件布线的考量,更决定了阵列自适应零陷的空间自由度方向。

沿垂直方向(Y轴)划分的子阵列组合(如PANDA),在俯仰角(Elevation)维度上拥有较大的相位中心距离,因此全局DBF算法能够在俯仰面展现出强悍的干扰分辨与零陷抑制能力,这对于压制来自地面的多径反射或高空干扰机极具价值。相对地,沿水平方向(X轴)划分的MINI阵列,则将自适应空间自由度集中于方位角(Azimuth)维度,更加适合车载或机载雷达追踪同一水平面上不同方位的多目标。

在实际战术雷达、气象探测或卫星通信应用中,系统需求经常在大范围快速搜索与小范围高精度跟踪之间剧烈切换。这种嵌套式阵列允许系统实时选择激活哪一个层级的物理资源。广角搜索模式下,系统仅通电点亮核心部位的MINI阵列(571元素),关闭外部通道。较小的物理孔径自然拓宽了主波束宽度,系统可以利用低功耗、低数据流快速覆盖广袤的半球空域,以最快速度捕获潜在信号源。在高精密跟踪模式下,一旦探测到高价值目标,系统可瞬间将激活区域扩展至全孔径PANDA阵列(1333阵元)。庞大数量的阵元瞬间提供高达数十dBi的直接增益,产生如探照灯般极为锐利的笔形波束,实现角分辨率的极致提升与信号噪声比(SNR)的最大化。

总之,图像中展示的PANDA、PEZ与MINI三种阵列拓扑模型。此类大规模高密度数字波束形成系统有如下优势,首先相较于常规矩形网格,交错排布不仅打破了量化栅瓣的周期性规律,削减了硬件开销,更在根本上缓解了大规模有源阵列中致命的阻抗互耦变异问题。另外,稀疏阵列布局,最后通过先进的随机进化算法或快速确定性算法(,系统可以在保持所有功放饱和运转的状态下,利用阵元物理分布的“中心稠密、边缘稀疏”特性,完美 逼近泰勒分布的低旁瓣抑制效果,实现了射频能量效率与隐蔽抗干扰能力的最佳平衡。最后,面对上千通道海量数据,才子阵形式,合嵌套叠加结构赋予了系统无与伦比的动态重构性,设计上同心叠加的物理孔径支持多频段共径与可变波束宽度的自适应切换。

2.2.5 Cybercab终端天线解析

根据Tesla提交的美国专利文件(专利号:US20250368267A1,《Vehicle roof assembly with integrated rf transparency for electronic module consolidation》),Cybercab的集成方案打破了传统汽车车顶的设计方式。

在传统汽车工程中,由高强度钢或铝合金构成的金属车顶在结构上提供了必要的刚度,并作为车载天线的地平面,但其金属属性本质上是一个无法穿透的射频屏蔽层。这迫使传统车企不得不将LTE和GNSS通信天线以外置“鲨鱼鳍”的形式暴露在车顶外。为了实现将所有通信模块无缝隐藏于车顶内部,Tesla采用了由PC、ABS或ASA等高强度聚合物混合物制成的射频透明外部车顶面板,电磁波能穿透,接收和发射信号,与此同时Cybercab高度集成了以下核心通信模块:

Starlink V5卫星通信阵列:负责与低地轨道卫星建立高带宽、低延迟的骨干通信链路,确保车辆在全球范围内的绝对在线。

5G/LTE蜂窝天线:作为城市和常规基站覆盖区域的主力数据链路,提供基础的V2X车联网通信。

全球导航卫星系统(GNSS)天线:提供厘米级的高精度车辆定位,支持自动驾驶系统的路径规划与绝对坐标参考。

本地无线通信天线:包含车载Wi-Fi与蓝牙模块,用于车内设备互联及手机数字钥匙的短距离通信识别。

为确保这些密集排列的异构天线不发生严重的电磁信号干涉与相互耦合,Tesla的专利设计了极为严苛的FOV要求。具体而言,LTE通信天线的视场角被精确优化在距地平线 0~30°范围内[Fig 2B],以最大限度捕获地面基站信号;而GNSS通信天线则被设计为对准距天顶(Zenith)75°的区域,以此保障清晰且无物理遮挡的卫星导航信号捕获能力。

车辆车顶组件 102 广义上包括至少两个车辆车顶子组件。第一车辆车顶子组件包括外侧 RF 透明聚合物车顶板 104,在一些示例中预装了用于安装到车辆车顶组件 102 中的一个或多个电气组件 116。车辆车顶组件 102 还包括内侧基材组件 106,包括包裹的聚合物基材 114、一个或多个绝缘层 108(蜂窝状/纤维状泡沫)以及顶棚 110;其头穹 118 与外侧 RF 透明聚合物车顶板 104 可因膜效应在撞击时一起发生位移。

图 2A-2B 展示了可预装在外侧 RF 透明聚合物车顶板 104 中的电气组件 116 的示例,包括卫星通信组件 224、卫星天线 202、LTE 天线 204、扬声器 228、风扇 218、车内进气道管道 226、连接卡 214、处理器 220、蓝牙低功耗组件 206、麦克风 216、地图灯 212 和开关 230。卫星通信组件 224 通过卫星天线 202 与外部设备 208(如 GNSS 卫星)通信;LTE 天线 204 通过外部设备 210(3G/4G/5G LTE 网络)通信;其他天线也可用于建立 Wi-Fi/蓝牙连接。

需要强调的是,外侧 RF 透明聚合物车顶板外表面及集成天线外表面没有金属基材/薄膜/涂料,为组件提供清晰无遮挡的视野以与外部设备/卫星/网络通信。通过将电气组件整合到更大的模块中并减少电气互连的数量,简化了组装过程,这使组装工作量与时间减少 3 到 5 倍。由于车顶组件可以倒置在水平表面上预先组装,无需进行顶部安装过程,因此改善了工厂的人体工程学,并通过实现车顶子系统的全自动分层组装来促进工厂自动化。

聚合物车顶的设计包括模制的加强筋特征和形状,可消除对传统金属车顶结构中焊接金属车顶横梁的需求,从而在一定程度上减轻重量,并具有比玻璃车顶更好的抗凹陷性。将基准销直接模制到面板中可确保良好工艺条件而无需依赖组装夹具;聚合物材料还允许更小的半径和更锐利的特征,并可在树脂中添加颜料以省去后处理喷漆,且固有地具有耐腐蚀性。

图3 组件连接示意图

图3 显示了车辆车顶组件的部分电气组件的组件图,包括麦克风、开关、卫星天线、扬声器、蓝牙低功耗组件、LTE 天线、第一/第二 Wi-Fi/蓝牙天线和处理器。电气组件(智能车顶)与座舱雷达 302 和车载计算机 304 电连接。座舱雷达 302 可包含一套传感器 308,用于检测车内人员或未经授权进入;可通过认证模块 306 基于物品/设备识别数据对人员进行认证;连接模块可检查连接卡、处理器、卫星通信组件、卫星天线组件、LTE 天线等一个或多个的连接状态。

图4 A

参考图 4A,第一车辆车顶组件/零件套件包括外侧 RF 透明聚合物车顶板及一组其他较小组件(零件部件 502),可包括接地板、安装支架、密封件和天线(卫星天线和/或 LTE 天线,还可包括线束及更多基准块。


参考图 4B,第二车辆车顶子组件/零件套件包括包裹的聚合物基材 114 和一个或多个隔热层,可通过粘合剂粘合在一起形成内侧基材组件。聚氨酯泡沫具有优异的隔热性能和吸声能力,可成形装入复杂几何形状;聚乙烯泡沫重量轻、隔热性好,可有效降噪;三聚氰胺泡沫吸声效果卓越,兼具良好隔热性能;质量加载乙烯基(MLV)致密,可作为空气传播噪音的有效屏障;闭孔泡沫隔热且防潮,可防止冷凝。

应对热和声学挑战,可采用热声学绝缘板(吸声层粘合到隔热层,常由聚丙烯/聚酯纤维制成)。在空间极为宝贵的应用中,可使用气凝胶隔热材料(薄型下具卓越隔热性能,但成本较高)。

基于纺织品的隔热材料(由非织造纺织品制成)轻便且多功能,可用阻燃剂处理以符合汽车安全标准;阻尼化合物(粘弹性材料)可应用于基材上以减少振动和噪音传播。选择因素包括重量、可燃性、安装简便性、环境耐受性及符合汽车安全标准,并可组合使用以实现最佳平衡。

图 4C 示出了用于连接包裹的聚合物基材 114 和绝缘层 108 以形成内侧基材组件 106 的示例第一粘合剂应用图案 414。

图5 组装方式

参考图 5,形成车顶的方法中的示例操作:操作可并行/同时执行,顺序可重新排列,在操作完成时终止。在操作 508 中,将外侧 RF 透明聚合物车顶板和零件部件机械组装或粘合在一起,形成组装好的第一车辆车顶子组件 504。在操作 510 中,准备第二车辆车顶子组件 506 的一个或多个粘合接收表面并涂覆粘合剂。在操作 512 中,将第一、第二车辆车顶子组件放置/对齐并粘合在一起,形成完整的外侧和内侧子组件 514。

在操作 516 中,完成的外侧和内侧子组件 514 可被倒置(如在车辆制造厂组装线上)。在操作 518 中,天线模块和安装外壳以及封闭板被机械组装到完成的外侧和内侧子组件上。当车辆外部积聚冰或雪时,天线性能不会受到影响,在一些示例中无需额外结构元件(如加热网格或刮水区)。

补充:在传统汽车安全设计中,若将大型玻璃天窗替换为集成大量硬质电子元件(如PCB板、射频芯片)的车顶面板,通常会引发针对乘员头部碰撞保护(HIC,Head Injury Criterion)的强烈担忧。传统汽车的金属车顶极为坚硬,主要依靠其下方布置的厚重内部顶棚发生压缩形变,以吸收碰撞时乘员头部撞击的能量。这要求在金属车顶和顶棚之间预留出相当大的缓冲厚度。特斯拉在其专利中提出了一种具有革命性的“薄膜效应”缓冲架构:由于车顶外层选用的PC/ABS/ASA等射频透明聚合物具有较低的弹性模量和优异的柔韧性,当严重碰撞发生、乘员头部撞击车顶时,外部的聚合物面板能够与内部的基板总成及顶棚一同发生可控的向外偏转与联合位移。这种通过整体材料形变来卸载能量的机制,取代了传统顶棚单一的纯压缩缓冲。这使得整个车顶模块可以在物理厚度上做得更薄,不仅完美容纳了复杂的卫星天线阵列,还为乘客争取了额外的头部净空,并通过了FMVSS 201U等苛刻的美国联邦机动车头部伤害安全标准。

3.总结

当“未来所有的汽车都将配备Starlink”这一天到来时,这意味着,车载卫星天线将不仅仅供越野房车车主或硬核极客在无人区探险时使用,转而成为通往全球数十亿规模自动驾驶网络中的一环。过去,由于传统车企与Tier-1供应商在天线模块上的碎片化合作,导致车顶布满了不同频带、形态各异的凸起天线。未来,使用高强度透波聚合物取代传统的冲压金属车顶,将极其复杂的相控阵天线作为车身承载结构的一部分。对传统的汽车射频天线供应商而言,当未来智能网联汽车需要的是备数字波束赋形能力的相控阵天线,以及能够协同调度低轨道卫星网络的后端算法时,企业迫切需要加大研发力度。


文中引用的专利列表:

1.Vehicle Roof Assembly with Integrated RF Transparency

2.Uni-dimensional steering of phased array antennas

3.Channel aggregation digital beamforming

4.Antenna apparatus having chassis portion

5.System and method for over-the-air antenna calibration


来源:雷达天线站
ACTSystem振动碰撞射频微波电路半导体通用航空汽车电子ADS芯片理论电机材料人工智能
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2026-08-27
最近编辑:1月前
雷达天线站
硕士 专注天线仿真和设计
获赞 34粉丝 110文章 73课程 0
点赞
收藏
作者推荐

雷达天线系统中的测量仪器(五)

主要介绍一些集成的测试系统方案ADAS中不同传感器方案24G和77G毫米波雷达技术对比毫米波天线OTA测试区域划分雷达OTA测试系统分类不同厂家的雷达测试系统1.ADAS中不同传感器方案实现高级驾驶辅助系统(ADAS)和自动驾驶汽车需要融合了各种先进技术,例如无线电探测和测距 (RADAR)、光探测和测距 (LIDAR) 以及光学传感器(相机)的融合,集汽车以太网网络、信号处理、和高精度导航以及人工智能 (AI) 于一体的高速信息系统等。图 1.不同传感技术的比较(Keysight)每种传感技术都有其优点和局限性,但实现高级驾驶辅助系统(ADAS)和自动驾驶不能只依赖一种传感技术。大多数技术方案都结合了这三种传感技术,以确保系统在范围、分辨率和鲁棒性方面获得可靠的数据。在所有传感技术中,激光雷达提供最精确的3D成像,并扫描周围360度空间,最远探测可达100米。为应对不断变化的路况信息,一些激光雷达系统每秒提供多达64个通道和超过 100万个扫描点实现高精度探测。然而,基于激光雷达的传感通常依赖于移动零部件实现360度旋转扫描。同时获取周边信息后将产生较大数据量,需要较强的信号处理能力和数据管理子系统导致价格偏高。光学相机传感是成本最低的技术。它提供物体的识别和分类,并识别交通标志。但基于摄像头的传感技术会受到天气和其他环境条件的影响。毫米波雷达利用反射无线电波来检测其他障碍物,并且信号处理要求低,因此汽车雷达是检测物体距离(距离)和运动(包括速度和角度)的最可靠技术。几十年来,雷达技术已在许多具有安全意识的行业中得到验证,例如汽车、航空、空中交通管制、海上运输、执法等。2.24G雷达和77G雷达技术对比传统的24 GHz窄带汽车雷达在区分物体和识别人、狗、其他汽车甚至纸板箱方面的能力有限。虽然仅雷达传感技术无法提供足够的数据来实现完全自动驾驶系统,但雷达通过快速获取周边目标信息及响应速度在ADAS中发挥了优势,使其成为全自动驾驶汽车成为主流之前的良好桥接平台。目前ADAS在汽车雷达传感技术中的大众市场应用包括汽车紧急制动系统、前方碰撞预警、盲点检测、变道辅助、后方碰撞预警系统、高速公路自适应高速巡航控制等。以24 GHz窄带传感器为主流的汽车雷达传感技术现在正迅速向高频76 – 81 GHz频段和 5 GHz 宽带宽、毫米波、调频连续波形 (FMCW) 和波束成形天线发展。76 GHz用于远距离检测,而77 – 81 GHz频段用于短距离、高精度检测。从24 GHz过渡到77 GHz可在范围分辨率和精度方面提供20倍的性能。例如,距离分辨率从24 GHz系统的75 cm提高到77GHz系统的4 cm的距离分辨率,可以更好地检测靠近的多个物体。图 2.与带宽相关的分辨率(Keysight)此外,随着波长的变小,速度测量的分辨率和精度也成比例地增加。因此,通过从24 GHz过渡到 77 GHz,速度测量可以提高3 倍。从24 GHz系统过渡到 77 GHz 系统的另一个优势是尺寸和重量的增加。由于77 GHz信号的波长是24 GHz系统的三分之一,因此77 GHz天线的总面积是类似24 GHz天线的九分之一。1GHz和4GHz带宽之间的测试比较(图 3)表明,只有更高带宽的解决方案才能测量两个相距10厘米的不同物体。图3.带宽测试比较:4GHz(右)显示两个间距10cm的物体(Keysight)3.毫米波天线OTA测试区域划分4D成像雷达是在前面所述的77G高分辨率雷达基础上进一步提升角度分辨率的雷达传感器。特别是在高级驾驶辅助系统 (ADAS) 和自动驾驶汽车应用方面。随着雷达系统成为确保安全和实现智能交通不可或缺的一部分,准确可靠的性能评估变得至关重要。传统的雷达传感器分辨率低,促使成像雷达作为一种有前途的解决方案兴起。分辨率更高的4D成像雷达的出现为汽车行业带来了重大进步,增强了感知能力,并为ADAS和自动驾驶技术铺平了道路。4D成像雷达的出现成像雷达比传统雷达具有显着优势,特别是在提供高程信息方面。术语“4D成像雷达”来源于其提供高分辨率点云输出的能力,从而实现更详细的环境映射。MIMO天线阵列在实现这些进步方面发挥着至关重要的作用。通过增加发射天线(NTx)和接收天线(NRx)的数量,可以生成更多的虚拟信道。虚拟信道的数量与雷达天线尺寸成正比,与角分辨率θres成反比,如简化(1)中估计的那样,假设线性阵列天线布阵均匀。更多虚拟通道的可用性导致更精细的角分辨率,从而增强了成像雷达的能力。其中 λ 是波长。天线尺寸与远场距离之间的关系在OTA测试中至关重要,因为天线尺寸的增加直接导致远场距离的增加。天线辐射通过两个不同的区域转换:近场和远场区域。近场区域分为感应区和辐射区,可以看到天线辐射方向图和场强随天线距离的变化。当观测距离从无功近场转移到远场时,天线的幅度方向图会因场的幅度和相位的变化而改变形状。相比之下,在远场区域(也称为Fraunhofer区域)中,分量主要沿横向方向取向,从而产生更稳定和可预测的辐射模式。图 4.天线辐射区域‍‍‍‍Fraunhofer距离确定最小远场距离 R:其中D是被测雷达(RuT)天线的最大尺寸。在电磁波到达R = 2D2/ λ的最小远场距离后,向远场区域的过渡并不标志着辐射模式演变的突然变化 。因此,建议在最小远场距离或超过最小远场距离时测量天线方向图,以尽量减少幅度和相位误差。当天线方向图在上图中提到的最小远场距离下测量时,与理想平面波相比,该距离作为远场近似值,天线孔径D的相位偏差为δФ= 22.5°(如图5所示)。如果测试距离短于最小远场距离,则雷达天线方向图测量将经历由球面波前产生的额外相位误差。反过来,这可能导致RuT的到达角测量不准确。增加距离当然可以减少和改善相位偏差,但涉及到与所需测试距离相关的权衡。图5.波前变换随距离的变化图 6 显示了天线尺寸与所需的最小远场距离之间的指数关系。因此,与传统雷达相比,成像雷达通常具有更大的天线设计,需要更大的测试距离才能满足最小远场标准。考虑到典型的成像雷达天线尺寸范围为10 cm至12 cm,达到最小远场要求将需要大约5.1 m至7.3 m的测试距离。这给成像雷达OTA测试带来了挑战,因为更大的最小远场距离需要更宽敞的测试区域,在空间可行性和成本效益方面存在一定劣势。图6.天线尺寸与最小远场距离之间的关系在汽车OTA测试中,经常会出现关于天线尺寸(D)的确定以决定远场测试距离的问题。一般的经验法则是考虑天线孔径的最大线性尺寸,通常对应于天线阵列的最大物理尺寸。例如,在图 7 中可以使用接收机天线阵列的大小来计算最小远场距离,在本例中约为 11 cm。将 D = 11 cm 应用于 (1),该雷达所需的估计最小远场距离为6.2 m。图7.成像雷达的天线阵列配置示例4.雷达OTA测试系统分类雷达模块OTA测量可分为三大类,具体取决于被测试的参数:发射机测试、接收机测试和功能测试。发射机测试包括功率测量,如有效各向同性辐射功率 (EIRP) 或占用带宽 (OBW),以及信号质量测量,如调制类型、线性调频持续时间、线性度和频率斜率。信号分析仪或示波器通常用于这些测试。接收机测试使用信号发生器或任意波形发生器(AWG) 作为信号源,评估灵敏度和饱和度水平,以及对外部干扰的适应能力。功能测试验证了雷达模块目标检测能力,包括探测距离、雷达散射截面(RCS)、速度和角位置(方位角和仰角)的精度、动态范围和分辨率。这些参数可以使用雷达目标模拟器(RTS)等设备进行测试,这些设备可以模拟各种目标特征。为了确保具有最小反射和外部干扰的可控和可追溯环境,建议在暗室中进行这些汽车雷达OTA测量。汽车雷达测试有两种常见的 OTA 方法:远场测试和紧缩场的间接远场测试。 4.1 直接远场测试方法在直接远场测试中,RuT 被放置在距离测量设备或 RTS 一定距离的暗室中。该距离通常是精确测量所需的最小远场距离,使用(2)中的弗劳恩霍夫距离公式计算得出。旋转平台允许在不同的方位角和仰角下测试RuT。图8.直接远场暗室中的雷达测量4.2 紧缩场测试方法使用紧缩场(CATR,compact antenna test range) 的间接远场测试方法 与直接远场方法相比,间接远场测试方法允许在更小的占地面积内测试大型天线阵列 RuT,例如成像雷达。该测试方法基于CATR,CATR使用抛物面反射器产生平面波,模拟在实际远场条件下发生的场分布,如图9所示。图9.CATR腔室中的雷达测量在 CATR 环境中,以几乎均匀的振幅和相位的体积称为静区(QZ)。这是RuT用于测量的位置。QZ区域提供了一个干净的射频环境,相对不受不需要的反射、衍射或其他干扰的干扰,确保了天线测量的准确性,并单独检测了RTS信号,从而确保了测试的可重复性。CATR测试与直接远场测试不同,因为它不需要遵守(2)中描述的传统最小远场距离。相反,CATR中的远场由焦距定义,焦距表示馈电天线和抛物面反射器之间的距离。因此,与直接远场方法相比,CATR可以在更短的距离内创建远场环境。‍‍‍远场测试与CATR的实测结果比较旨在比较其在三种不同设置下的发射功率和到达角的性能:1.5 m的近场、6.2 m的最小远场和CATR 设置。由于对幅度和相位变化的敏感性,对这两种测量结果进行了比较,如上所述,这可能会受到OTA设置中的近场和远场距离的影响。其他雷达功能测试,如目标速度和距离检测,这些近场和远场效应无关。在近场距离设置中选择1.5 m是基于为传统汽车雷达测试暗室的典型测试设置尺寸。最小远场距离的确定设定为6.2m,由(2)得出,并基于评估中使用的成像雷达中11 cm的天线尺寸。通过测量RuT在旋转平台上以不同角度旋转时传输的功率,图7显示了在三种不同设置中进行的成像雷达发射功率测量的归一化结果。结果表明在雷达的整个视场的最小远场距离下,CATR设置与设置表现出良好的相关性(<0.7 dB)。相比之下,在 1.5 m 的近场距离处进行的测量仅在孔径的 +/-20° 范围内显示出良好的相关性,随着角度向RuT的FOV边缘延伸,误差增加。这种差异可归因于近场区域的天线方向图未形成良好,如图10所示。图10.不同暗室方案下的功率测量结果对比图 10 显示了使用同一成像雷达的到达角误差的测量结果,突出显示了测试距离对 RuT 计算的到达角测量精度的影响。使用RTS在100m处生成10dBsm RCS的目标,RuT使用旋转平台旋转RuT,以不同角度测量模拟物体的角度,如近场和最小远场设置的图8所示,CATR设置的图9。根据图 11 中的比较结果,在CATR 环境中获得的到达角测量值在 RuT 的整个 FOV 上提供了一致的角度误差。在最小远场距离下,随着角度的增加,观察到轻微的退化,导致 FOV 边缘的近似误差为 1.2°。值得注意的是,在 1.5 m 的近场距离处进行的测量,随着角度的增加,误差显着增加。这种现象可归因于与视轴相比,随着角度的增加,RuT中的天线阵列经历了由圆形波前引入的更明显的相位误差。图11.不同设置下的到达角比较由于CATR暗室通过产生准直波束来实现远场条件,从而模拟入射平面波条件,并与最小远场距离相比,在整个FOV上提供卓越的相位偏差性能。最小远场距离主要用作远场近似值,与CATR相比,最大相位误差仍为22.5°,CATR通常提供<10°的相位变化、±0.5 dB的幅度纹波和1 dB的幅度锥度。上面给出的实验结果表明,CATR环境可以在紧凑的占地面积内实现“真正的远场”条件。特别是在线下雷达校准期间,在有限的测量空间内实现预期的目标检测精度至关重要。此外,单个 CATR 设置可以适应不同的 RuT 尺寸。相反,当 RuT 尺寸增加时,远场暗室可能需要升级到更大的空间,例如从 11 cm 增加到 15 cm,就需要更长的 OTA 远场测试距离。5. 不同厂家的测试系统是德科技整个系统包括:暗室、转台、导轨、计算机、雷达、信号分析仪、信号源、雷达目标模拟器、记录存储设备,其它附件。其中导轨、记录存储设备、信号源是配合实现场景测试或抗扰度测试,为可选项目。图12:是德科技远场雷达测试系统方案整个测试系统可实现雷达天线的测试、雷达模块发射/接收端测试、材料测试以及数字接口总线测试;所包含的仪器有信号分析仪、网络分析仪、雷达目标模拟器以及信号源等。图13:是德科技近场测试方案F9650A Compact Antenna Test Range (CATR)Keysight F9650A 紧凑型天线测试范围 (CATR) 经过优化,F9650A 是 Keysight 的紧凑型天线测试范围 (CATR) 解决方案,以模块化格式提供直径为 30 和 40 厘米的静区,可在 6-110 GHz 范围内运行。暗室软件提供腔室定位器的全面操作控制,支持坐标系和测量网格、腔室校准数据的存储/调用以及 2D/3D 绘图功能。Keysight 测试自动化平台 (TAP) 插件简化了集成信号和网络分析仪的任务。罗德施瓦茨ADAS测试系统由雷达回波发生器、目标定位系统Radar drive system和EMS (Electromagnetic susceptibility)测试系统组成。R&S®AREG100A 汽车雷达回波发生器可模拟 VUT Vehicleunder test在预定义距离和可变速度下看到的领先车辆。目标定位系统 (R&S®TA-RDS)模拟从左到右的车道变化,反之亦然。这两个子系统可以生成场景来验证 ACC 模式下的 VUT 自动变速性能和 AEB 模式下的紧急制动性能。R&S®TS9982 EMS 测试系统将电磁干扰引入 VUT,以检查性能是否恶化。R&S®AREG100A 通过接收和处理 VUT 雷达信号,然后将其作为回波传输回去,从而模拟 VUT 前方的领先车辆。在生成的场景中检测模拟目标可以进行 ACC 和 AEB 测试。R&S®AREG100A 提供四个模拟目标,每个目标都有定义的距离。VUT 需要在 R&S®AREG100A 中设置适当的雷达散射截面(RCS) 才能将模拟目标识别为车辆。在场景设置中,将距离和多普勒设置为模拟目标位置和速度相对于 VUT 的变化,从而提供逼真的目标模拟。图12:R&S®AREG100汽车雷达回波发生器(左)和R&S®TA-RDS 目标定位系统(右)(Rohde & Schwarz)关键性能:► 支持常见的24 GHz、77 GHz和79 GHz汽车雷达频段►最大瞬时带宽高达4 GHz,用于测试79 GHz的最新一代E波段雷达传感器► 用户定义的测试用例,具有多达四个可单独切换的物体距离、可控的多普勒偏移和雷达散射截面(RCS)R&S®TA-RDS 目标定位系统R&S®TA-RDS 为 R&S®AREG100A模拟目标创建角度运动,用于模拟真实道路情况的切入场景,从而提高不同场景下的汽车雷达测试覆盖范围和可靠性。关键性能:► ±55° 运动范围,允许在测试过程中目标动态移动;中心位置为0°► 软件控制可与R&S®EMC32 集成► 吸收器壁可防止雷达探测到不需要的目标驾驶员辅助系统和雷达目标回波天线周围的吸收器壁可消除不必要的反射,这些反射可能会以反射目标的形式出现,从而干扰测试。因此增加额外的吸波材料形成吸收壁,以防止 VUT 接收来自测试天线以及暗室墙壁和地板的反射。图13:在暗室带有可移动吸波材料的不同类型的汽车装置(Rohde & Schwarz)R&S®TS9982 EMS测试系统R&S®TS9982 EMS 测试系统是符合 ISO 114511-2 标准的传导和辐射 EMS 测量基础系统。它由一个信号发生器组成,该信号发生器具有多个放大器和天线,覆盖不同的频率范围,以产生测试车辆电磁敏感性所需的场强。下图是覆盖 9 kHz 至 3.2 GHz 的R&S®TS9982 测试系统的示例框图。包括开关单元,以自动选择不同的放大器连接到信号发生器输出。大功率开关单元 (PSU) 可将不同的功率放大器输出切换到测试室中的不同连接点。R&S®EMC32是一款 EMC 测试软件,可通过测试系统仪器实现自动 EMS 测试和 EUT 监控。R&S®EMC32 还可以配置为在设置所需的 ADAS 测试场景时控制 R&S®AREG100A 和 R&S®TA-RDS。图14:R&S®TS9982 EMS测试系统 (灰色模块)(Rohde & Schwarz)国家仪器(NI)国家仪器股份有限公司(National Instruments,缩写NI)是一家美国公司,从事与测试、控制、设计领域相关的,包括虚拟仪器和电子测试设备等工程软件的开发。著名产品有图形开发环境LabVIEW、C语言虚拟仪器应用系统LabWindows/CVI、集成电路分析程序NI Multisim等等;硬件产品包括VXI总线、PXI总线、VME总线的框架与模块,IEEE-488接口以及内部整合电路和其他自动化技术的标准。不同于是德科技和罗德施瓦茨,NI通过提供关键的雷达模拟器和射频测试系统,并集成其余测试所需的模块如暗室、机械臂以及控制软件等,加强和第三方公司的合作,联合打造性能优越的毫米波雷达测试系统。 图15:国家仪器的雷达测试集成系统(National Instruments)该系统可配置测试雷达高达 4 GHz 带宽, 改变用于模拟的障碍物和角度的数量,同时可使用NI VST或第3方射频仪器进行仿真和射频测量。图16:NI的集成系统及其VRTS架构(National Instruments)通过对任何类型的雷达信号的多个物体和角度进行无线物体仿真,提高测试覆盖范围,瞬时带宽高达 4 GHz。通过并行对象仿真、射频测量功能和运动集成加快测试速度,实现更快的视场测试。通过垂直和 CATR暗室集成减少生产测试仪占地面积。适应ADAS领域对测量、角度、物体和其他测试的新要求。NI VRTS 提供可配置的选件, 以优化 成本 、 测试复杂度或 更苛刻的要求。专为自动雷达验证和生产测试而打造 车辆雷达测试系统 (VRTS)为 1 GHz 至 4 GHz 带宽的 76-81 GHz 雷达提供自动雷达测量和目标仿真功能。参考文献:1.Keysight: Over-the-Air Measurement for Imaging Radar2. Keysight: AR8700C Automotive Radar OTA Test Solution 3.Rohde & Schwarz : Automated ADAS Test System Trial with Radar Sensors and Electromagnetic Interferenc4. www.rohde-schwarz.com5.https://www.ni.com/zh-cn.html来源:雷达天线站

未登录
还没有评论
课程
培训
服务
行家
VIP会员 学习计划 福利任务
下载APP
联系我们
帮助与反馈