Os instrumentos de medição modernos fornecem uma fase de transmissão com resolução espacial que pode ser utilizada na avaliação da homogeneidade de fase e na definição de limiares.
Testador de radomes automotivos R&S®QAR50
Sua tarefa
Para veículos autônomos, detectar as posições exatas dos objetos é fundamental. Mesmo pequenos desvios nas estimativas angulares podem levar a conclusões incorretas na tomada de decisões subsequentes. Erros no ângulo de chegada (AoA), por exemplo, podem ser causados por não homogeneidades do radome. Devido às complexas interações entre o radome e o sensor, é difícil prever o comportamento exato. Para garantir que apenas radomes qualificados sejam utilizados nos processos subsequentes, é necessário um método de medição confiável e adequado para os testes de fim de linha.
A solução da Rohde & Schwarz
O testador de radomes automotivos R&S®QAR50 é uma solução rápida, precisa e com um excelente custo-benefício para testes de radomes automotivos. O R&S®QAR50, juntamente com a opção de software para análise de homogeneidade (máscara de fase) R&S®QAR50-K20, permite determinar o erro angular tanto em laboratório quanto durante a produção.
Para comprovar a aplicabilidade do método, os resultados medidos e calculados pelo R&S®QAR50 são comparados com os do testador essencial de radares R&S®RadEsT. O R&S®RadEsT é um simulador de alvos de radar automotivo versátil e abrangente que gera ecos de radar definíveis pelo usuário em vários ângulos.
Fig. 1: estimativa da direção de um espalhador pontual posicionado centralmente em condições de campo distante
Contexto técnico
O primeiro passo é analisar o processamento do sinal de radar e como são obtidas as estimativas do ângulo de chegada (AoA).
A onda eletromagnética emitida se propaga pelo espaço e é refletida pelos objetos no trajeto do sinal. Aqui, a cadeia de transmissão é desconsiderada e o foco recai sobre o lado de recepção do radar. Neste caso simplificado, consideramos um espalhador pontual em condições de campo distante. Isso significa que uma frente de onda plana chega ao receptor. Supondo que o espalhador pontual esteja exatamente no centro do campo de visão, cada elemento de antena (a1 até a5) receberia a onda plana com a mesma fase (φ1 = φ2 = φ3, etc.) — veja a Fig. 1.
No caso de refletores não posicionados centralmente, o ângulo de chegada da onda resultaria em uma fase diferente em cada elemento receptor.
O ângulo de incidência α da frente de onda é calculado utilizando a diferença de fase Δφ e as distâncias físicas entre as antenas d, da seguinte forma:
Fig. 2: estimativa da direção de chegada de um espalhador pontual não localizado centralmente
Considerando que φ = 0° (veja a Fig. 1) e λ ~ 3,9 mm (radar de 77 GHz).
Nesse caso simples, isso resulta em αestimado = 0.
Um radome não homogêneo ou inadequado na frente dos receptores influencia as frentes de onda e altera as fases (φ1 até φ5) em cada elemento da antena receptora. Isso leva a uma estimativa incorreta do ângulo de chegada (AoA).
Fig. 3: um radome em forma de cunha que refrata as frentes de onda e provoca diferenças de fase nos elementos da antena receptora
Para verificação experimental, considere um radome em forma de cunha inserido no trajeto do sinal. O radome possui uma permissividade diferente da do ar circundante e, portanto, uma velocidade de propagação diferente para a onda eletromagnética. Como a espessura da cunha não é homogênea em toda a região de imageamento, ela refrata a onda e distorce as frentes de onda. Mais informações sobre as características do material e a permissividade podem ser encontradas na ficha de aplicação «Characterizing polymer material properties for automotive applications» (Caracterização das propriedades de materiais poliméricos para aplicações automotivas, PD 3647.5084.92). O efeito descrito é demonstrado na fig. 3.
A frente de onda incidente, que antes era ortogonal, agora é refratada e chega às antenas receptoras com um ângulo de desvio Δα. O desvio é indicado por Δα, enquanto o ângulo de incidência real α, neste exemplo, continua sendo 0°. O radar não consegue medir o ângulo de chegada (AoA) diretamente. Em vez disso, ele detecta as fases da frente de onda em cada uma das antenas receptoras.
De acordo com a fórmula apresentada anteriormente, o radar passará a calcular erroneamente o AoA não como 0°, mas como uma função da diferença de fase Δφ entre os elementos da antena. Dependendo da geometria do radome, a estimativa do erro angular calculada pela Rohde & Schwarz utilizando o resultado de fase 3 do R&S®QAR50, o AoA pode variar ao longo do campo de visão (FoV). As fases detectadas são uma superposição do AoA real α e do ângulo de desvio Δα.
Com o R&S®QAR50, é difícil medir diretamente a influência do AoA, uma vez que o instrumento não dispõe de informações sobre a geometria do radar e o processamento do sinal. No entanto, considerando um processamento básico de beamforming de recepção, o erro de AoA causado pelo radome inadequado pode ser estimado como:
Testador de radomes automotivos R&S®QAR50
Para veículos autônomos, detectar as posições exatas dos objetos é fundamental. Mesmo pequenos desvios nas estimativas angulares podem levar a conclusões incorretas na tomada de decisões subsequentes. Erros no ângulo de chegada (AoA), por exemplo, podem ser causados por não homogeneidades do radome. Devido às complexas interações entre o radome e o sensor, é difícil prever o comportamento exato. Para garantir que apenas radomes qualificados sejam utilizados nos processos subsequentes, é necessário um método de medição confiável e adequado para os testes de fim de linha.
Como um princípio básico para valores pequenos de Δα na avaliação de grade do R&S®QAR50, pode-se considerar um desvio de Δα ≈ 0,062 Δφradome/cm. Isso significa que, supondo que um erro angular de 1° seja considerado aceitável pelo fabricante de equipamentos originais (OEM), uma diferença de fase máxima de
Testador essencial de radares R&S®RadEsT
O testador de radomes automotivos R&S®QAR50 é uma solução rápida, precisa e com um excelente custo-benefício para testes de radomes automotivos. O R&S®QAR50, juntamente com a opção de software para análise de homogeneidade (máscara de fase) R&S®QAR50-K20, permite determinar o erro angular tanto em laboratório quanto durante a produção.
Para comprovar a aplicabilidade do método, os resultados medidos e calculados pelo R&S®QAR50 são comparados com os do testador essencial de radares R&S®RadEsT. O R&S®RadEsT é um simulador de alvos de radar automotivo versátil e abrangente que gera ecos de radar definíveis pelo usuário em vários ângulos.
medida pelo R&S®QAR50 é admissível. No entanto, isso se aplica apenas a geometrias básicas e ao processamento padrão de beamforming, e precisa ser avaliado para cada combinação de radome/radar.
Os desvios teóricos descritos acima devem ser comparados com uma verificação experimental.
Fig. 4: dimensões da cunha fabricada para verificação experimental
Verificação experimental
Para a verificação experimental, foi fabricada uma cunha de polioximetileno (POM) com as dimensões mostradas na fig. 4.
A permissividade do polioximetileno foi verificada como εr = 2,93 por meio de vários métodos.
O cálculo da refração resultante das frentes de onda leva a
Fig. 1: estimativa da direção de um espalhador pontual posicionado centralmente em condições de campo distante
O primeiro passo é analisar o processamento do sinal de radar e como são obtidas as estimativas do ângulo de chegada (AoA).
A onda eletromagnética emitida se propaga pelo espaço e é refletida pelos objetos no trajeto do sinal. Aqui, a cadeia de transmissão é desconsiderada e o foco recai sobre o lado de recepção do radar. Neste caso simplificado, consideramos um espalhador pontual em condições de campo distante. Isso significa que uma frente de onda plana chega ao receptor. Supondo que o espalhador pontual esteja exatamente no centro do campo de visão, cada elemento de antena (a1 até a5) receberia a onda plana com a mesma fase (φ1 = φ2 = φ3, etc.) — veja a Fig. 1.
No caso de refletores não posicionados centralmente, o ângulo de chegada da onda resultaria em uma fase diferente em cada elemento receptor.
O ângulo de incidência α da frente de onda é calculado utilizando a diferença de fase Δφ e as distâncias físicas entre as antenas d, da seguinte forma:
Fig. 5: imagem da máscara de fase da cunha fabricada para verificação experimental
Primeiro, a diferença de fase resultante, calculada teoricamente, é verificada para a placa de polioximetileno experimental utilizando o R&S®QAR50. A máscara de fase resultante é mostrada na fig. 5.
Com o modo de grade ativado, o R&S®QAR50 exibe automaticamente a fase média de cada célula da grade. Por uma questão de consistência, utiliza-se uma grade de 10 mm × 10 mm. A diferença de fase entre as células individuais é avaliada da seguinte forma:
Fig. 6: configuração experimental com sensor radar automotivo, radome em forma de cunha e R&S®RadEsT
Isso resulta em uma diferença média de 66,6°/cm (muito próxima dos 65,3° calculados). O desvio entre os dois valores é causado por tolerâncias de produção e imprecisões de medição.
Para a verificação final, é utilizada uma configuração de laboratório baseada em um sensor radar de quinta geração e no testador essencial de radares R&S®RadEsT. A blindagem opcional é utilizada para melhorar a precisão da configuração de teste e para garantir que todas as medições sejam realizadas em condições adequadas de campo distante.
O simulador R&S®RadEsT está configurado para apresentar um único alvo a uma distância de 40 m, posicionado diretamente no centro do campo de visão (FoV) do radar. São realizados três testes: uma medição de referência sem a cunha e duas medições com a cunha sendo virada entre os registros. A fig. 6 mostra a configuração da medição.
Com o princípio básico descrito acima, vamos assumir que o radar forneça um AoA (incorreto) de aproximadamente ±4,1°, sendo que a direção da cunha determina se o valor é positivo ou negativo.
A tabela abaixo apresenta uma visão geral do desvio esperado do AoA, calculado com base no princípio básico explicado anteriormente, e do AoA medido utilizando a configuração experimental.
| Sem radome | Erro positivo | Erro negativo | |
|---|---|---|---|
| Esperado | 0° | 4,1° | –4,1° |
| Medido | 0° | 4,2° | –3,8° |
Mais uma vez, não é possível determinar com certeza a causa dos desvios. Os desvios podem ser decorrentes de defeitos na fabricação ou no material, ou podem ser atribuídos às incertezas de medição dos instrumentos e sensores utilizados.
Resumo
Embora o erro angular introduzido por um radome imperfeito não possa ser medido diretamente, ele pode, no entanto, ser calculado em um ambiente de laboratório a partir dos resultados da opção de análise de homogeneidade (máscara de fase) do R&S®QAR50-K20.
A diferença de fase teórica, calculada a partir da permissividade eletromagnética (εr = 2,93) e da espessura da cunha, resulta em 65,3°/cm. Esse resultado está em concordância com a diferença de fase medida com a opção de análise de homogeneidade (máscara de fase) do R&S®QAR50-K20, de 66,6°/cm.
O erro teórico do ângulo de chegada (AoA, denotado como Δα), de 4,0°, e o desvio do AoA estimado com a opção R&S®QAR50-K20, de 4,1°, coincidem perfeitamente dentro das incertezas esperadas.
A verificação experimental desses dois valores, utilizando um sensor radar de quinta geração estimulado por um testador essencial de radares R&S®RadEsT, mostra que os resultados das abordagens teóricas e experimentais podem ser reproduzidos na prática.
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