说明

雷达天线罩是制作产品所必须的，天线罩(外壳)可以起到保护和支撑的作用，但同时天线罩也会对雷达的正常工作产生影响，本篇博文探讨毫米波雷达天线罩设计中的各类问题。

本篇博文会基于对这方面知识理解的加深以及读者的反馈长期更新内容和所附资料，有不当之处或有其它有益的参考资料可以在评论区给出，我们一起维护，我会定期完善。

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20220928文章第一次写作

文章架构

说明

文章架构

一、雷达天线罩的影响综述：

二、设计要点

2.1 一些概念与原理分析

2.2 设计准则

2.3 问题与改进措施

三、总结

四、参考资料

一、雷达天线罩的影响综述：

雷达天线罩用于包围并保护雷达天线和传感器，使其免受雨、阳光、风等外部环境的影响(防护等级要达到IP6K7甚至IP6K9K)，此外还有振动防护等要求。且要求雷达壳是几乎电磁透明的，但是毕竟不同于空气，影响是无法避免的，概括来说主要有以下四个方面：1、天线罩带来的反射损耗和介质损耗会使得雷达的有效辐射功率变小；2、导致天线波束发生畸变，使得雷达作用区域发生变化；3、同1中外壳对电磁波发射的原因，使得雷达收发隔离度变差，并可能导致接收机饱和；4、电磁波在透过雷达罩时相位发生变化，影响测角。

当然，从另外的角度来说上述影响也可以对雷达功能的实现带来益处：比如雷达天线罩可以构造为改变波束特性的透镜，这种设计需要结合实际需求使用电磁仿真工具来进行设计，不在本博文的讨论范围之内。

对这些影响的分析，并基于其背后的原理对雷达天线罩的设计做有益的改进以减少影响提高雷达性能是一项十分必要的工作。本篇博文不会涉及具体的结构设计方法和用料的选择，而是试图分析这些影响背后的原理以及设计过程中需要注意的问题，并给出设计建议。

二、设计要点

2.1 一些概念与原理分析

雷达天线罩对于电磁波而言是一种不同于空气的介质材料，电磁波在介质中的传播主要涉及该介质的几个本构参数：介电常数、磁导率、电导率，这些参数表征了材料的电磁特性。磁导率_百度百科 (baidu.com)、电导率_百度百科 (baidu.com) 、介电常数_百度百科 (baidu.com)这三者的概念可以参考百度百科，空气中电导率接近0、磁导率接近1、介电常数也为1，雷达天线罩的设计一般须采用非磁性电介质材料，从而使相对磁导率为1，电导率为0，于是有影响的主要是材料的介电常数：电磁波在雷达天线罩的内外表面的反射以及透射主要是雷达天线罩相对于空气的介电常数的不同导致的(正是这些发生的反射和折射导致了前述影响的产生)。一般来说，电磁信号通过雷达天线罩时可以被认为发生了“减速”。

（当然，这里会产生的一个问题是：将雷达天线罩的介电常数也做成1不就行了？目前有介电常数和空气接近的材料，比如聚苯乙烯泡沫，但是如前所述，天线罩还需要有支撑以及具备一定的防护等级，而能满足这些防护等级的要求且介电常数为1、电导率为0，磁导率为1的材料现阶段并不存在。）

另外的一个概念是：材料的损耗角正切，损耗角正切_百度百科 (baidu.com)，该值量化了材料的电磁能耗散。

于是在选择雷达天线罩的材料时，在保证坚固程度、低成本的前提下，应该选择介电常数和损耗角正切越小的材料，以减少雷达天线罩对雷达性能的影响。

典型材料推荐(1、材料具体的介电常数还是要问材料厂家 2、现有的雷达产品大多采用PBT-GF30 )：

常用雷达天线罩材料

如前所述，介电常数的不同导致了电磁波在介质边界产生阻抗失配，而导致了反射和投射的产生，影响了电磁波的传播，进而导致了前述的几种影响。

雷达天线罩与空气之间的界面示意图

电磁波在介质表面发生的多次反射(介质均质且实心)

正是这些反射与透射导致了包括衰减、波束指向改变、相位偏移的产生。而当材料的种类选定后，我们能做的改善则只能是结构上的了。

2.2 设计准则

波束指向的影响如果不是特意设计的话(如前所述，将波束设计其指向特定的方向)对整体的影响有限，而衰减的改善其实可以从包括发射功率和提高天线增益的角度去解决(一般该损耗值会在2-3dB左右，该值在进行系统设计时需要考虑！)，最核心且可以从结构上去解决的主要是相位的问题，解决的方法(或设计的准则)主要有两种：

A、雷达天线罩壁厚：为使得天线罩近似对电磁波“透明”(或者说天线罩内的发射影响几乎没有：可以使得外壁的反射与内壁的透射信号反相，抵消掉反射信号，从而实现低的净反射)，须确保雷达天线罩壁厚为波长/2的整数倍！

其中，为雷达天线罩壁厚，n为正整数，为材料中电磁波传播的波长，f为载波频率，为材料的相对介电常数(该值一般要咨询材料厂家获得)。

B、天线与天线罩内壁之间的间距：为使得返回到天线的电磁波和透射波同相，须确保天线与雷达天线罩内壁之间的间距为波长/2的整数倍。

为天线与天线罩内壁之间的间距，n为正整数，为空气中的波长。

值得注意的是，有些天线罩并非实心的，或者其内部有不同材料的夹层，这些措施的目的主要是：提高强度、提高带宽。

2.3 问题与改进措施

注意到：电磁波在雷达天线罩材料中行进的距离是与角度有关的！具体取决于雷达天线罩的类型。对于矩形雷达天线罩，在更高的掠射角下，电磁波会穿过更厚的雷达天线罩壁，如下图所示：

不同掠射角下电磁波在天线罩中的行进路程并不一样

在视轴上通过雷达天线罩的距离等于雷达天线罩壁的厚度。然而，该距离随着到达角的增加而增加，从而会导致更大的角度估算误差，如前所述，如果将雷达视轴上的天线罩壁厚设计为半波长的整数倍，那么雷达信号通过内壁表面，然后从外壁表面反射回来的往返行程引入了从内壁发出的180°净相移，因此，在矩形雷达天线罩的视轴上，内壁的反射将因异相而抵消，从而实现低净反射。然而，当从视轴移动到更高的掠射角时，毫米波信号传播的距离大于“最佳厚度”或“半波长”。这会导致在雷达天线罩界面边界处多次发生反射，从而导致天线辐射方向图中的纹波并导致零点。这些纹波和零点会导致检测处于较高掠射角的物体时产生不一致，从而导致角度估算误差：

高掠射角下矩形雷达外壳对测角的影响

一种可能的解决方法是：可以通过将雷达天线罩壁向雷达FoV的范围逐渐变细来抵消这种影响，但是，这也会降低雷达天线罩的强度。

在弧形雷达天线罩中，无论是在视轴上还是在较高的掠射角下，穿过雷达天线罩的行进距离都是相同的；因此，与角度相关的误差会更小：

弧形天线罩下电磁波在天线罩中的行进路程不同掠射角下的差异会小很多

高掠射角下弧形雷达外壳对测角的影响会小很多

但是这种结构下尺寸更大，影响美观。

在设计雷达罩的过程中，包括损耗(损耗一般在2-3dB)、波束指向的改变这些值的获取建议通过HFSS进行天线和天线罩的联合仿真来获取，以下是Ti给的仿真结果，可以感受一下外壳对波束的影响：

左边加了弧形外壳，右边没加

左边加了矩形外壳，右边没加

此外，如2.3中所述，该小节中只是给出了壁厚以及间距最佳设置的公式，n的值还是不确定的，n值的选择可以通过设定多个值，基于仿真的结果选取对损耗、和波束方向影响最小的值来确定。

还可以选择的对前述影响消除的方法是：天线校准，校准是毫米波雷达另一个十分重要且有意思的话题了，我会在另一篇博文中做专题的介绍，这里也一定程度上体现了校准的必要性。

此外还需要注意的是：在实际应用过程中，外部环境会进一步地影响雷达性能：比如附着在天线罩上的泥浆、灰尘、金属等粉尘、水/冰雪等等。这些大概需要手动或者通过某些机制去除？

另外一点是：为了防止来自天线罩内壁的电磁波在天线与罩之间的多次反射，可以对PCB使用吸波材料或者在PCB上制作一些吸波结构(博世的一些雷达面板就是这样做的，如下图中黄色框内的结构)，当然，这更多的可能是天线设计师的工作了。

PCB板上的电磁波吸收结构(黄色框)

三、总结

本篇博文探讨毫米波雷达天线罩设计中的各类问题。列举了一些主要的影响，分析了这些影响背后的原理，并给出了一些对这些影响的减轻措施和设计建议。

四、参考资料

毫米波雷达天线罩设计指南 (ti.com.cn) （以及该pdf中相关的参考资料）

此外还有一点某雷达厂家的天线罩设计指南，不方便贴，主要还是Ti的。

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一、雷达天线罩的影响综述：

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