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                      汽車毫米波雷達設計趨勢及PCB材料解決方案

                      2021-04-28 來源:羅杰斯先進電子解決方案作者:袁署光 我要評論(0) 字號:

                      自動駕駛汽車和先進駕駛輔助系統(ADAS)技術促進了汽車毫米波雷達傳感器的快速發展和技術的迭代更新,也使汽車駕駛和出行變得更加的安全。毫米波雷達憑借其自身所具有分辨率高、抗干擾性能強、探測性能好、尺寸較小等的優點,成為了汽車自動駕駛和ADAS系統里面不可或缺的傳感器。隨著國內毫米波雷達設計以及國產車型的裝機率與日俱增,也促使毫米波雷達應用擴展到更多的方面。這篇文章就將簡要說明毫米波雷達的一些應用場景,設計趨勢;以及就毫米波雷達天線設計中的關鍵PCB材料的選型考慮、PCB材料的關鍵特性等方面來展開討論。

                      應用場景

                      隨著技術的發展,毫米波雷達的演進也沿著滿足用戶需求的方向,實現了從近到遠的探測范圍,測量的精度也逐漸提高。從最早的測速、測距,到可以實現測速、測距、測角,再到現在可以實現分辨率更高的圖像成像。在ADAS系統中,毫米波雷達的應用可根據車輛需求和功能的不同來劃分,如依據在汽車上的安裝位置的不同可以分為前向雷達、后向雷達和角雷達;也可依據探測距離的遠近分為長距雷達,中距雷達和短距雷達等。毫米波雷達在ADAS中的應用包括如AEB自動制動、FCW前向碰撞預警、LCA變道輔助、ACC自適應巡航、BSW盲區監測等等。

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                      圖1. ADAS中的毫米波雷達傳感器

                      除了輔助汽車的駕駛和行駛安全外,汽車毫米波雷達的應用也擴展到了在泊車或開啟車門時的障礙物檢測的應用,減少泊車或開車門時車門的碰撞損害。

                      各種其他應用增加了毫米波雷達應用的多樣性,積極擴展了毫米波雷達應用新場景。如駕駛員生命體征監測雷達傳感器,可實現非接觸式監測駕駛員生命體征,例如心率和呼吸頻率,從而感知駕駛員的疲勞狀態達到安全駕駛的目的。乘客成員監測雷達傳感器同樣以非接觸方式的實現對車內乘員(成人、兒童、寵物)的可靠檢測,避免出行過程中意外滯留事件的發生,為消費者提供安全出行保障。

                      設計趨勢

                      汽車毫米波雷達的工作頻率主要有24GHz頻段和77GHz頻段。24GHz頻段主要用于短距雷達,探測距離約50m左右,可以用于盲點檢測等系統。但由于其寬帶窄的原因,大大限制了雷達的分辨率和性能。

                      相對來說,77GHz雷達具有廣闊的前景,其巨大優勢是高精度、高分辨率以及從短距離到長距離的出色可量測性。77GHz雷達的兩個頻段76-77GHz和77-81GHz,帶寬分別是1GHz和4GHz,巨大的帶寬優勢顯著提高了分辨率和精度。另一方面,77GHz雷達由于頻率高,波長短,使設計的雷達收發器或天線等組件較小,從而減小了雷達的外形尺寸,易于在車身中安裝和隱藏。77GHz頻段在全球監管和行業采用情況方面都獲得了顯著的吸引力。

                      77GHz毫米波雷達的應用對應于汽車自動化程度的高級階段,隨著自動駕駛汽車的發展和ADAS裝機率的提高,大多數24 GHz汽車雷達傳感器都會轉向77 GHz頻段,其需求和應用逐漸呈上升趨勢。

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                      圖2. 不同頻段雷達傳感器市場趨勢

                      77GHz毫米波雷達系統模塊基于FMCW雷達的設計方案,大多采用如TI、Infineon或NXP等的完整的單芯片解決方案,片內集成了射頻前端、信號處理單元和控制單元,提供多個信號發射和接收通道。雷達模塊的PCB板設計依據客戶在天線設計的不同而有所不同,但主要有這幾種方式。

                      第一種以超低損耗的PCB材料作為最上層天線設計的載板,天線設計通常采用微帶貼片天線,疊層的第二層作為天線和其饋線的地層。疊層的其他PCB材料均采用FR-4的材料。這種設計相對簡單,加工容易,成本低。但由于超低損耗PCB材料的厚度較?。ㄍǔ?.127mm),需要關注銅箔粗糙度對損耗和一致性的影響。同時,微帶貼片天線較窄的饋線需要關注加工的線寬精度控制。

                      第二種設計方法用介質集成波導(SIW)電路進行雷達的天線設計,雷達天線不再是微帶貼片天線。除天線外,其他PCB疊層仍和第一種方式一樣采用FR-4的材料作為雷達控制和電源層。這種SIW的天線設計所采用的PCB材料仍選用超低損耗的PCB材料,降低損耗增大天線輻射。材料的厚度選擇通常較厚PCB增大帶寬,也可以減小銅箔粗糙度帶來的影響,且不存在加工較窄線寬時的其他問題。但需要考慮SIW的過孔加工和位置精度問題。

                      第三種設計方法是超低損耗材料設計多層板的疊層結構。依據不同的需求,可能其中幾層使用超低損耗材料,也有可能全部疊層均使用超低損耗材料。這種設計方式大大增加了電路設計的靈活性,可以增大集成度,進一步減小雷達模塊的尺寸。但缺點是相對成本較高,加工過程相對復雜。

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                      圖3. 雷達傳感器的不同PCB設計

                      材料考慮

                      對于毫米波雷達傳感器的不同PCB設計,有一個共同的特點就是都需要使用超低損耗的PCB材料,從而降低電路損耗,增大天線的輻射。PCB材料是雷達傳感器設計的關鍵器件。選擇合適的PCB材料可確保毫米波雷達傳感器具有較高的穩定性和性能一致性。

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                      圖4. 汽車雷達傳感器的微帶天線

                      適用于77GHz毫米波雷達的PCB材料性能需要從這幾個方面考慮:

                      首先是材料的電氣特性,這是設計雷達傳感器和選擇PCB材料的首要因素。選擇具有穩定介電常數和超低損耗的PCB材料對于77GHz毫米波雷達的性能至關重要。穩定的介電常數和損耗可以使收發天線獲得準確的相位,從而提高天線增益和掃描角度或范圍,提高雷達探測和定位精度。PCB的介電常數和損耗性的穩定性不僅要確保不同批次材料的穩定性,也需要確保同一板內的變化小,具有非常好的穩定性。

                      PCB材料所使用銅箔的表面粗糙度對會對電路的介電常數和損耗產生影響,越薄的材料上銅箔表面粗糙度對電路的影響越大。越粗糙的銅箔類型其自身粗糙度變化也就越大,也會造成的了介電常數和損耗的較大變化,影響電路的相位特性。

                      其次需要考慮材料的可靠性。材料的可靠性不僅指材料在PCB加工中的疊合、受加工過程影響、過孔、銅箔結合力等方面具有高可靠性,還包括材料的長期可靠性。PCB材料的電氣性能是否隨著時間的增加仍能保持穩定,是否能夠在不同的工作環境如不同溫度或濕度下仍能保持穩定,這對于汽車雷達傳感器的可靠性以及汽車ADAS系統應用的重要性不言而喻。

                      總的來說,對于77GHz雷達傳感器的天線設計,需要考慮選擇具有穩定介電常數、具有超低損耗的材料,選擇更光滑的銅箔可進一步降低電路損耗和減小介電常數容差變化;同時,材料要具有隨時間、溫度,濕度等外界工作環境而仍具有可靠的電氣性能和機械特性等特性。

                      材料選擇

                      羅杰斯公司從汽車毫米波雷達發展的早期就保持和全球頂尖雷達模塊的廠商合作,推出的不含玻璃布的RO3003™材料其性能經過各方面嚴酷的驗證,并能滿足在77GHz雷達傳感器的需求。RO3003™材料廣泛用于77GHz毫米波雷達,并且具有非常穩定的介電常數,超低的損耗特性(常規測試10GHz下的損耗因子0.001);同時不含有玻璃布的結構進一步減小了在毫米波頻段下帶來局部的介電常數的變化,消除信號的玻璃纖維效應,進一步增加了雷達傳感器的相位穩定性。RO3003™材料也具有超低吸水率特性(0.04% @D48/50)、極低介電常數隨溫度變化(TCDk)穩定性(-3ppm/°C),這些特性也確保了基于RO3003™材料的毫米波雷達傳感器隨時間、溫度和環境變化仍能保持出色的性能。產品提供的多種銅箔類型選擇和低銅厚選擇也有助于提高加工精度和產品良率,使雷達傳感器達到更加優異的性能。

                      隨著79GHz頻段(77-81GHz)雷達傳感器的發展,其具有更寬的信號帶寬,可進一步提高雷達傳感器的分辨率,增大掃描角度,甚至實現4D成像。羅杰斯公司在基于RO3003™材料的基礎上,研發并推出了RO3003G2™材料以匹配雷達傳感器對PCB材料性能的更高要求。相比于RO3003™材料,RO3003G2™在材料系統中優化了特殊的填料系統,減小填料顆粒,提高材料系統均一性,進一步減小整板及批次性之間的介電常數容差;更小和均一的填料系統也使得在PCB加工過程中可以實現更小的過孔設計;RO3003G2™材料選擇更為光滑的銅箔,降低了電路中的插入損耗,其性能非常接近RO3003™材料的壓延銅插入損耗性能。

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                      圖5. RO3003G2™與RO3003™材料的比較

                      此外,羅杰斯公司的CLTE-MW™以及RO4830™材料還可以滿足客戶在77GHz雷達傳感器設計的不同需求。CLTE-MW™是基于PTFE樹脂體系的材料,具有非常小的損耗因子特性(Df 0.0015@10GHz),采用了特殊的低損耗開纖玻璃布增強,與均勻的填料一起,提供了出色尺寸穩定性,使玻纖效應影響降到最低。有從3mil到10mil的多種厚度選擇,使CLTE-MW™材料非常適合用于77GHz雷達傳感器射頻多層板應用。

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                      圖6. 不同材料的損耗特性

                      RO4830™材料是基于羅杰斯RO4000®系列材料體系專門開發,介電常數與77GHz雷達傳感器最常用的低介電常數(Dk)相匹配。同時,具有極低的插入損耗特性和與RO4000系列產品相同的易加工性等特點,選用特殊的低損耗開纖玻璃布也提高了材料在毫米波頻段的性能一致性,使天線可以獲得更一致的相位特性和更高的天線增益。RO4830™材料的成本低、高性價比是77GHz/79GHz雷達傳感器設計中的高性價比材料的首要選擇。

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                      圖7. RO4830材料的開纖玻璃布

                      總結

                      77GHz毫米波雷達傳感器的獨特優勢使其成為自動駕駛汽車不可缺少的部件。更寬帶寬,更高分辨率的77GHz/79GHz雷達傳感器逐漸成為主流,正對于各種不同的雷達傳感器設計方案,PCB電路材料的特性都很多程度上決定著雷達傳感器天線的性能。羅杰斯科技作為全球先進工程材料的領導者,致力于研發各種材料滿足客戶的設計需求。RO3003G2™/RO3003™/CLTE-MW™/RO4830™等多種材料解決方案,及時的為客戶解決了設計難題。同時,羅杰斯公司分布在全球的客戶及技術支持團隊,能夠確保與客戶更加緊密的合作,共同解決客戶在設計、加工及測試中的系列問題,加快客戶設計周期。

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