車用雷達 77GHz/79GHz：保險桿與雷達罩材料的穿透性測試方案

隨著自動駕駛等級從 Level 2 向 Level 3+ 邁進，車用雷達的頻率已從傳統的 24GHz 全面轉向 77GHz 與 79GHz 毫米波頻段，這一轉變雖然帶來了更高的解析度與頻寬，卻也使得雷達訊號對覆蓋材料（如保險桿、車標飾板、雷達罩）的穿透特性變得極度敏感，本文將深入探討毫米波雷達材料的物理特性挑戰，解析如何透過 分裂圓柱諧振腔 (SCR) 與 自由空間聚焦波束 (Free Space Focused Beam) 技術，建立一套從原材料到成品部件的完整穿透性驗證流程。

隱形的防護盾與毫米波的挑戰

在現代車輛設計中，為了追求流線型的空氣動力學外觀與美學設計，毫米波雷達感測器（Radar Sensor）通常被「隱藏」在保險桿（Bumper）或品牌標誌（Radome/Emblem）的後方，對於駕駛者而言，這些覆蓋物是美觀的裝飾；但對於雷達工程師而言，它們卻是可能阻擋、反射甚至扭曲訊號的「障礙物」。

頻率升級的物理代價

當雷達工作頻率提升至 77GHz，其對應的波長縮短至約 3.9mm，根據電磁波傳播理論，當障礙物的厚度或微觀結構尺寸接近波長時，會產生顯著的干涉與繞射效應。

• 衰減 (Attenuation)：
  訊號穿過保險桿時能量損耗，導致探測距離縮短。
• 反射 (Reflection)：
  部分訊號被反射回雷達端，形成駐波或虛假目標 (Ghost Targets)。
• 波束偏折 (Beam Squint)：
  由於材料介電常數不均勻或厚度呈楔形變化，導致雷達波束發生折射，使雷達誤判目標物的實際方位角 (Azimuth/Elevation)。

因此，如何在不破壞車體設計的前提下，確保雷達罩具備優異的電磁穿透性，已成為 ADAS 系統驗證的關鍵環節。

核心物理機制：材料特性與毫米波的交互作用

要解決穿透性問題，必須先理解材料的介電特性——介電常數 (Dk, Permittivity) 與 介電損耗因數 (Df, Loss Tangent)。

介電常數 (Dk) 與匹配厚度

保險桿通常由聚丙烯 (PP)、ABS 或聚碳酸酯 (PC) 等複合材料製成，為了讓電磁波最大程度地穿透，雷達罩的設計必須符合「半波長」原理，理想的雷達罩厚度應設計為材料內半波長的整數倍，由於 77GHz 的波長極短，這意味著保險桿的厚度公差必須控制在極小的範圍內（例如 0.1mm 以內），且材料的 Dk 值必須高度穩定，如果 Dk 值發生波動，最佳穿透頻率就會發生偏移，導致在 77GHz 工作點的穿透率大幅下降。

導電塗層的屏蔽效應 (Metallic Paint)

為了美觀，車廠常使用含有金屬粉末（如鋁粉、雲母）的金屬漆，在毫米波頻段，這些微小的導電顆粒會形成連續的導電層，對電磁波產生強烈的反射與吸收作用；因此開發具有「金屬光澤」但不含導電粒子的替代塗料（如銦錫氧化物 ITO 或特殊光學干涉塗層），並驗證其高頻透波性，是材料研發的重點。

第一階段：原材料級別的精準驗證 (Material Characterization)

在模具開發與射出成型之前，必須先對基礎材料（樹脂、塑膠粒、標準試片）進行介電特性篩選，傳統的低頻測試方法（如平行板電容法）在 77GHz 已完全失效，必須採用微波諧振技術。

分裂圓柱諧振腔 (SCR) 技術

Split Cylinder Resonator (SCR) 是目前測量毫米波頻段薄板材料 Dk/Df 的業界標準方法（符合 IPC-TM-650 2.5.5.13 規範），SCR 是一個從中間切開的金屬圓柱腔體，利用 TE011 或更高階的 TE0np 模態進行量測，在此模態下，電場沿著圓柱的圓周方向分佈，這意味著電場向量平行於樣品表面 (In-Plane)。

優勢解析

1. 消除氣隙誤差：
   由於電場平行於介面，樣品與金屬腔體之間微小的空氣隙 (Air Gap) 不會阻斷電場，因此消除了傳統方法中最大的誤差來源，這對於表面可能不完全平整的塑膠試片至關重要。
2. 寬頻覆蓋：
   標準 SCR 治具可覆蓋 10 GHz 至 84 GHz 的頻率範圍，能夠直接測量材料在 77GHz 附近的特性，而非依賴低頻數據外推，這確保了模擬參數的真實性。
3. 高靈敏度：
   對於低損耗保險桿材料，SCR 能提供極高的 Q 值，解析出極微小的 Df 變化（解析度達 等級）。

法布里-珀羅開放式諧振器 (FPOR)

針對 D-Band (110-170 GHz) 甚至未來的 6G 頻段，或者需要測量材料各向異性 (Anisotropy) 的應用，FPOR 技術提供了另一種解決方案，它利用兩個反射鏡形成開放式共振腔，透過高斯光束 (Gaussian Beam) 進行非接觸式量測，特別適合厚度較大或不規則的樣品。

第二階段：成品部件的穿透性與成像測試 (Component Testing)

當材料被加工成曲面的保險桿，並噴塗了多層車漆後，僅知道材料的 Dk/Df 已不足夠，此時需要測量的是組件整體的單向穿透損耗 (One-way Transmission Loss)、反射損耗 (Reflection Loss) 以及 波束畸變。

自由空間法與聚焦波束 (Focused Beam)

傳統的遠場測試需要巨大的無反射室 (Anechoic Chamber)，且使用標準喇叭天線時，波束較寬，容易照射到保險桿邊緣或治具支架，產生繞射干擾，現代化的測試方案採用 介電透鏡 (Dielectric Lens) 技術：

• 聚焦原理：
  透過精密設計的透鏡，將毫米波能量聚焦在樣品上形成一個極小的光斑（Spot Size，直徑通常約 20mm - 50mm）。
• 優勢：
• 空間解析度： 可以針對保險桿上雷達安裝的特定「視窗區域」進行局部測試，避開周圍結構干擾。
• 減少邊緣效應： 由於能量高度集中，樣品邊緣的散射被降至最低。

自動化成像掃描 (Imaging/Scanning)

保險桿的厚度或噴漆在生產過程中可能存在不均勻，透過機械手臂或 XY 掃描平台，夾持聚焦天線對保險桿進行二維掃描，可以產生以下關鍵數據：

• S21 穿透熱圖 (Transmission Map)：
  視覺化顯示整個雷達視窗區域的穿透率分佈，均勻性是關鍵，若穿透率變化過大，代表材料內部存在氣泡、雜質或噴漆厚度不均。
• S11 反射熱圖 (Reflection Map)：
  識別高反射區域，這些區域可能導致雷達自身干擾。
• 相位圖與波束偏折 (Phase & Beam Squint)：
  這是最關鍵的指標，當電磁波穿過厚度漸變（楔形）的介質時，波前 (Wavefront) 會發生傾斜，透過分析掃描數據中的相位變化，可以計算出波束經過保險桿後的折射角度；一般車廠要求波束偏折誤差需小於 0.1° 至 0.5°，否則雷達在長距離偵測時，橫向位置誤差會達到數公尺，導致 ADAS 系統判斷錯誤（例如誤判前車在左車道還是本車道）。

第三階段：環境可靠度與溫度係數 (Tcc)

車輛必須在極地寒冬與沙漠酷暑中運行，聚合物材料的介電常數會隨溫度變化，這被稱為 介電常數溫度係數 (Temperature Coefficient of Dielectric Constant, Tcc)。

• 測試挑戰：
  在高溫下，材料 Dk 通常會升高，導致原本匹配好的「半波長厚度」失效，穿透率下降。
• 解決方案：
  利用 SCR 的開放式結構，結合環境試驗箱進行 -50°C 至 +150°C 的動態測試，系統需具備動態熱膨脹補償演算法，修正金屬腔體自身的尺寸變化，從而精確分離出材料本身的 Tcc 特性，這確保了雷達罩在極端溫差下，仍能維持穩定的電氣性能。

從材料到系統的全方位防線

77GHz/79GHz 車用雷達的效能，不僅取決於雷達晶片與演算法，更受制於其「外衣」— 保險桿與雷達罩的電磁特性，忽視材料驗證，將直接導致 ADAS 系統的探測距離縮短、盲區增加甚至產生幽靈訊號，建立一套完整的測試規範至關重要：

• 原材料端： 使用 SCR 技術 篩選低損耗、Dk 穩定的基材，並監控批次一致性。
• 設計驗證： 透過 FPOR 或模擬軟體評估疊構設計（基材+底漆+色漆+清漆）的匹配性。
• 成品檢測： 運用 自由空間聚焦掃描 進行 100% 或抽樣檢查，確保波束偏折與穿透損耗符合 OEM 規範。

對於 Tier 1 供應商與車廠而言，這不僅是品質控管的標準程序，更是確保自動駕駛安全性的必要投資。

推薦解決方案：DK/DF 高頻介電材料特性量測整合式解決方案

針對上述嚴苛的測試需求，奧創系統整合了業界頂尖的量測儀器與專利治具，推出了全方位的 「DK/DF 高頻介電材料特性量測整合式解決方案」，系統採開放架構，完美支援 R&S ZNA/ZNB、Keysight 與 Anritsu 等主流品牌的高階向量網路分析儀 (VNA)。無論您的實驗室既有設備為何，奧創系統皆能提供軟硬體整合服務，助您以最優化的預算升級頂尖的毫米波測試能力。

立即聯繫奧創系統，為您的 ADAS 產品建立最堅實的安全防線。