汽車(chē)毫米波雷達(dá)設(shè)計(jì)趨勢(shì)及PCB材料解決方案

汽車(chē)毫米波雷達(dá)設(shè)計(jì)趨勢(shì)及PCB材料解決方案自動(dòng)駕駛汽車(chē)和先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）技術(shù)促進(jìn)了汽車(chē)毫米波雷達(dá)傳感器的快速發(fā)展和技術(shù)的迭代更新，也使汽車(chē)駕駛和出行變得更加的安全。毫米波雷達(dá)憑借其自身所具有分辨率高、抗干擾性能強(qiáng)、探測(cè)性能好、尺寸較小等的優(yōu)點(diǎn)，成為了汽車(chē)自動(dòng)駕駛和ADAS系統(tǒng)里面不可或缺的傳感器。隨著國(guó)內(nèi)毫米波雷達(dá)設(shè)計(jì)以及國(guó)產(chǎn)車(chē)型的裝機(jī)率與日俱增，也促使毫米波雷達(dá)應(yīng)用擴(kuò)展到更多的方面。這篇文章就將簡(jiǎn)要說(shuō)明毫米波雷達(dá)的一些應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)趨勢(shì)；以及就毫米波雷達(dá)天線設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵PCB材料的選型考慮、PCB材料的關(guān)鍵特性等方面來(lái)展開(kāi)討論。應(yīng)用場(chǎng)景隨著技術(shù)的發(fā)展，毫米波雷達(dá)的演進(jìn)也沿著滿足用戶需求的方向，實(shí)現(xiàn)了從近到遠(yuǎn)的探測(cè)范圍，測(cè)量的精度也逐漸提高。從最早的測(cè)速、測(cè)距，到可以實(shí)現(xiàn)測(cè)速、測(cè)距、測(cè)角，再到現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)分辨率更高的圖像成像。在ADAS系統(tǒng)中，毫米波雷達(dá)的應(yīng)用可根據(jù)車(chē)輛需求和功能的不同來(lái)劃分，如依據(jù)在汽車(chē)上的安裝位置的不同可以分為前向雷達(dá)、后向雷達(dá)和角雷達(dá)；也可依據(jù)探測(cè)距離的遠(yuǎn)近分為長(zhǎng)距雷達(dá)，中距雷達(dá)和短距雷達(dá)等。毫米波雷達(dá)在ADAS中的應(yīng)用包括如AEB自動(dòng)制動(dòng)、FCW前向碰撞預(yù)警、LCA變道輔助、ACC自適應(yīng)巡航、BSW盲區(qū)監(jiān)測(cè)等等。圖1.ADAS中的毫米波雷達(dá)傳感器除了輔助汽車(chē)的駕駛和行駛安全外，汽車(chē)毫米波雷達(dá)的應(yīng)用也擴(kuò)展到了在泊車(chē)或開(kāi)啟車(chē)門(mén)時(shí)的障礙物檢測(cè)的應(yīng)用，減少泊車(chē)或開(kāi)車(chē)門(mén)時(shí)車(chē)門(mén)的碰撞損害。各種其他應(yīng)用增加了毫米波雷達(dá)應(yīng)用的多樣性，積極擴(kuò)展了毫米波雷達(dá)應(yīng)用新場(chǎng)景。如駕駛員生命體征監(jiān)測(cè)雷達(dá)傳感器，可實(shí)現(xiàn)非接觸式監(jiān)測(cè)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(tài)達(dá)到安全駕駛的目的。乘客成員監(jiān)測(cè)雷達(dá)傳感器同樣以非接觸方式的實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)內(nèi)乘員（成人、兒童、寵物）的可靠檢測(cè)，避免出行過(guò)程中意外滯留事件的發(fā)生，為消費(fèi)者提供安全出行保障。設(shè)計(jì)趨勢(shì)汽車(chē)毫米波雷達(dá)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(dá)，探測(cè)距離約50m左右，可以用于盲點(diǎn)檢測(cè)等系統(tǒng)。但由于其寬帶窄的原因，大大限制了雷達(dá)的分辨率和性能。相對(duì)來(lái)說(shuō)，77GHz雷達(dá)具有廣闊的前景，其巨大優(yōu)勢(shì)是高精度、高分辨率以及從短距離到長(zhǎng)距離的出色可量測(cè)性。77GHz雷達(dá)的兩個(gè)頻段76-77GHz和77-81GHz，帶寬分別是1GHz和4GHz，巨大的帶寬優(yōu)勢(shì)顯著提高了分辨率和精度。另一方面，77GHz雷達(dá)由于頻率高，波長(zhǎng)短，使設(shè)計(jì)的雷達(dá)收發(fā)器或天線等組件較小，從而減小了雷達(dá)的外形尺寸，易于在車(chē)身中安裝和隱藏。77GHz頻段在全球監(jiān)管和行業(yè)采用情況方面都獲得了顯著的吸引力。77GHz毫米波雷達(dá)的應(yīng)用對(duì)應(yīng)于汽車(chē)自動(dòng)化程度的高級(jí)階段，隨著自動(dòng)駕駛汽車(chē)的發(fā)展和ADAS裝機(jī)率的提高，大多數(shù)24GHz汽車(chē)?yán)走_(dá)傳感器都會(huì)轉(zhuǎn)向77GHz頻段，其需求和應(yīng)用逐漸呈上升趨勢(shì)。圖2.不同頻段雷達(dá)傳感器市場(chǎng)趨勢(shì)77GHz毫米波雷達(dá)系統(tǒng)模塊基于FMCW雷達(dá)的設(shè)計(jì)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(nèi)集成了射頻前端、信號(hào)處理單元和控制單元，提供多個(gè)信號(hào)發(fā)射和接收通道。雷達(dá)模塊的PCB板設(shè)計(jì)依據(jù)客戶在天線設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的載板，天線設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)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(guān)注銅箔粗糙度對(duì)損耗和一致性的影響。同時(shí)，微帶貼片天線較窄的饋線需要關(guān)注加工的線寬精度控制。第二種設(shè)計(jì)方法用介質(zhì)集成波導(dǎo)（SIW）電路進(jìn)行雷達(dá)的天線設(shè)計(jì)，雷達(dá)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(dá)控制和電源層。這種SIW的天線設(shè)計(jì)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(lái)的影響，且不存在加工較窄線寬時(shí)的其他問(wèn)題。但需要考慮SIW的過(guò)孔加工和位置精度問(wèn)題。第三種設(shè)計(jì)方法是超低損耗材料設(shè)計(jì)多層板的疊層結(jié)構(gòu)。依據(jù)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(shè)計(jì)方式大大增加了電路設(shè)計(jì)的靈活性，可以增大集成度，進(jìn)一步減小雷達(dá)模塊的尺寸。但缺點(diǎn)是相對(duì)成本較高，加工過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。圖3.雷達(dá)傳感器的不同PCB設(shè)計(jì)材料考慮對(duì)于毫米波雷達(dá)傳感器的不同PCB設(shè)計(jì)，有一個(gè)共同的特點(diǎn)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(dá)傳感器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵器件。選擇合適的PCB材料可確保毫米波雷達(dá)傳感器具有較高的穩(wěn)定性和性能一致性。圖4.汽車(chē)?yán)走_(dá)傳感器的微帶天線適用于77GHz毫米波雷達(dá)的PCB材料性能需要從這幾個(gè)方面考慮：首先是材料的電氣特性，這是設(shè)計(jì)雷達(dá)傳感器和選擇PCB材料的首要因素。選擇具有穩(wěn)定介電常數(shù)和超低損耗的PCB材料對(duì)于77GHz毫米波雷達(dá)的性能至關(guān)重要。穩(wěn)定的介電常數(shù)和損耗可以使收發(fā)天線獲得準(zhǔn)確的相位，從而提高天線增益和掃描角度或范圍，提高雷達(dá)探測(cè)和定位精度。PCB的介電常數(shù)和損耗性的穩(wěn)定性不僅要確保不同批次材料的穩(wěn)定性，也需要確保同一板內(nèi)的變化小，具有非常好的穩(wěn)定性。PCB材料所使用銅箔的表面粗糙度對(duì)會(huì)對(duì)電路的介電常數(shù)和損耗產(chǎn)生影響，越薄的材料上銅箔表面粗糙度對(duì)電路的影響越大。越粗糙的銅箔類(lèi)型其自身粗糙度變化也就越大，也會(huì)造成的了介電常數(shù)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(guò)程影響、過(guò)孔、銅箔結(jié)合力等方面具有高可靠性，還包括材料的長(zhǎng)期可靠性。PCB材料的電氣性能是否隨著時(shí)間的增加仍能保持穩(wěn)定，是否能夠在不同的工作環(huán)境如不同溫度或濕度下仍能保持穩(wěn)定，這對(duì)于汽車(chē)?yán)走_(dá)傳感器的可靠性以及汽車(chē)ADAS系統(tǒng)應(yīng)用的重要性不言而喻?？偟膩?lái)說(shuō)，對(duì)于77GHz雷達(dá)傳感器的天線設(shè)計(jì)，需要考慮選擇具有穩(wěn)定介電常數(shù)、具有超低損耗的材料，選擇更光滑的銅箔可進(jìn)一步降低電路損耗和減小介電常數(shù)容差變化；同時(shí)，材料要具有隨時(shí)間、溫度，濕度等外界工作環(huán)境而仍具有可靠的電氣性能和機(jī)械特性等特性。材料選擇羅杰斯公司從汽車(chē)毫米波雷達(dá)發(fā)展的早期就保持和全球頂尖雷達(dá)模塊的廠商合作，推出的不含玻璃布的RO3003?材料其性能經(jīng)過(guò)各方面嚴(yán)酷的驗(yàn)證，并能滿足在77GHz雷達(dá)傳感器的需求。RO3003?材料廣泛用于77GHz毫米波雷達(dá)，并且具有非常穩(wěn)定的介電常數(shù)，超低的損耗特性（常規(guī)測(cè)試10GHz下的損耗因子0.001）；同時(shí)不含有玻璃布的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步減小了在毫米波頻段下帶來(lái)局部的介電常數(shù)的變化，消除信號(hào)的玻璃纖維效應(yīng)，進(jìn)一步增加了雷達(dá)傳感器的相位穩(wěn)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(shù)隨溫度變化（TCDk）穩(wěn)定性（-3ppm/°C），這些特性也確保了基于RO3003?材料的毫米波雷達(dá)傳感器隨時(shí)間、溫度和環(huán)境變化仍能保持出色的性能。產(chǎn)品提供的多種銅箔類(lèi)型選擇和低銅厚選擇也有助于提高加工精度和產(chǎn)品良率，使雷達(dá)傳感器達(dá)到更加優(yōu)異的性能。隨著79GHz頻段（77-81GHz）雷達(dá)傳感器的發(fā)展，其具有更寬的信號(hào)帶寬，可進(jìn)一步提高雷達(dá)傳感器的分辨率，增大掃描角度，甚至實(shí)現(xiàn)4D成像。羅杰斯公司在基于RO3003?材料的基礎(chǔ)上，研發(fā)并推出了RO3003G2?材料以匹配雷達(dá)傳感器對(duì)PCB材料性能的更高要求。相比于RO3003?材料，RO3003G2?在材料系統(tǒng)中優(yōu)化了特殊的填料系統(tǒng)，減小填料顆粒，提高材料系統(tǒng)均一性，進(jìn)一步減小整板及批次性之間的介電常數(shù)容差；更小和均一的填料系統(tǒng)也使得在PCB加工過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)更小的過(guò)孔設(shè)計(jì)；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。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(dá)傳感器設(shè)計(jì)的不同需求。CLTE-MW?是基于PTFE樹(shù)脂體系的材料，具有非常小的損耗因子特性（Df0.0015@10GHz），采用了特殊的低損耗開(kāi)纖玻璃布增強(qiáng)，與均勻的填料一起，提供了出色尺寸穩(wěn)定性，使玻纖效應(yīng)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(dá)傳感器射頻多層板應(yīng)用。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(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)，介電常數(shù)與77GHz雷達(dá)傳感器最常用的低介電常數(shù)（Dk）相匹配。同時(shí)，具有極低的插入損耗特性和與RO4000系列產(chǎn)品相同的易加工性等特點(diǎn)，選用特殊的低損耗開(kāi)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(jià)比是77GHz/79GHz雷達(dá)傳感器設(shè)計(jì)中的高性價(jià)比材料的首要選擇。圖7.RO4830材料的開(kāi)纖玻璃布總結(jié)77GHz毫米波雷達(dá)傳感器的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使其成為自動(dòng)駕駛汽車(chē)不可缺少的部件。更寬帶寬，更高分辨率的77GHz/79GHz雷達(dá)傳感器逐漸成為主流，正