影響汽車(chē)毫米波雷達(dá)傳感器性能一致性的思考---之PCB電路材料的考慮

　　毫米波雷達(dá)傳感器在眾多傳感器中具有全天候工作的獨(dú)特特點(diǎn)，使其在成為汽車(chē)主動(dòng)安全系統(tǒng)(ADAS)中的關(guān)鍵核心部件。毫米波雷達(dá)傳感器的性能受多個(gè)因素的影響，而PCB電路材料就是影響傳感器電路性能的關(guān)鍵因素之一。為確保毫米波傳感器具有較高的穩(wěn)定性和性能一致性，就需要考慮PCB電路材料中的諸多關(guān)鍵參數(shù)。本文就PCB電路材料中影響汽車(chē)毫米波雷達(dá)傳感器穩(wěn)定性和一致性的多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了討論，分析了這些參數(shù)如何影響傳感器的性能，從而更好的選擇適合于汽車(chē)毫米波雷達(dá)的電路材料。

　　1. ADAS系統(tǒng)中的毫米波雷達(dá)

　　當(dāng)前，汽車(chē)自動(dòng)駕駛已成為全球業(yè)界的一個(gè)熱門(mén)話題。各大汽車(chē)制造商及其供應(yīng)商、科技巨頭公司等紛紛注目并摩拳擦掌進(jìn)入輔助及自動(dòng)駕駛汽車(chē)市場(chǎng)。各國(guó)政府也對(duì)自動(dòng)駕駛汽車(chē)陸續(xù)出臺(tái)了相應(yīng)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，以促進(jìn)其快速健康發(fā)展。2017年7月，全新奧迪A8在巴塞羅那的首發(fā)，是全球首款具備了L3級(jí)自動(dòng)駕駛功能的量產(chǎn)車(chē)型。

　　圖1、全球汽車(chē)出貨量的自動(dòng)化程度趨勢(shì)

　　在自動(dòng)駕駛汽車(chē)的不斷發(fā)展過(guò)程中，汽車(chē)的安全性是一切發(fā)展的前提，是真正實(shí)現(xiàn)汽車(chē)自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵。各種傳感器需要協(xié)同工作來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛對(duì)周?chē)h(huán)境高精度低延時(shí)的監(jiān)控，而毫米波雷達(dá)憑借其可靠的表現(xiàn)(如應(yīng)對(duì)惡劣天氣條件)使能汽車(chē)先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)的各種功能。這些雷達(dá)傳感器幾乎是所有現(xiàn)在正在使用的汽車(chē)先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)。

　　汽車(chē)?yán)走_(dá)傳感器主要有短距離和中遠(yuǎn)距離雷達(dá)傳感器，它們的工作頻率分別是24GHz和77GHz/79GHz。24GHz雷達(dá)傳感器的探測(cè)距離約50m左右，距離相對(duì)較短，主要用于盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)(BSD)，變道輔助(LCA)等。77GHz雷達(dá)傳感器的的探測(cè)距離更長(zhǎng)，可達(dá)到160m到230m。相比于24GHz，77GHz雷達(dá)傳感器的頻率更高、波長(zhǎng)變短、系統(tǒng)帶寬更寬，從而提高了距離和速度測(cè)量的精度和準(zhǔn)確度，主要用于自動(dòng)緊急制動(dòng)(AEB)、汽車(chē)自適應(yīng)巡航控制(ACC)和前向防撞預(yù)警(FCW)等。77GHz汽車(chē)?yán)走_(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，77GHz汽車(chē)?yán)走_(dá)傳感器的需求和應(yīng)用逐漸呈上升趨勢(shì)。

　　圖2、24GHz頻段與77GHz頻段汽車(chē)?yán)走_(dá)傳感器的趨勢(shì)

　　對(duì)于諸如工作在77GHz/79GHz頻段的毫米波汽車(chē)?yán)走_(dá)傳感器，由于其信號(hào)的波長(zhǎng)很短，其電路性能和一致性非常容易受到多方面因素的影響。如何考慮和減小這些因素帶來(lái)的影響，確保雷達(dá)傳感器的性能具有較好的一致性就變得非常重要。對(duì)雷達(dá)傳感器的PCB電路來(lái)講，就需要理解并考慮PCB電路材料的諸多參數(shù)以及PCB加工等帶來(lái)的對(duì)一致性的影響，從而更好的進(jìn)行電路材料的選擇和電路設(shè)計(jì)。

　　2. 電路材料的考慮

　　汽車(chē)?yán)走_(dá)傳感器在毫米波頻段的應(yīng)用，對(duì)于電路設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，如何選擇正確的PCB材料是設(shè)計(jì)電路一開(kāi)始就要面臨的挑戰(zhàn)。毫米波頻段下由于其波長(zhǎng)較小，電路極易容易發(fā)生色散和產(chǎn)生高次模，因此通?？紤]選擇較薄的PCB電路材料;而電路材料的介電常數(shù)和損耗隨頻率的增加也變化非常明顯，因此需要選擇在高頻時(shí)具有穩(wěn)定介電常數(shù)和具有極低損耗的電路材料。而介電常數(shù)值的值的選擇不宜較大，較大的介電常數(shù)會(huì)使設(shè)計(jì)的導(dǎo)體線寬較窄，不但增加了電路的導(dǎo)體損耗，而且增加了加工難度。

　　圖3、普通介質(zhì)材料的Dk/Df隨頻率的變化特性

　　以上的幾個(gè)考慮因素僅僅是毫米波電路設(shè)計(jì)的開(kāi)始，這些因素的考慮可以使電路能夠具有較好的性能特性。然而要使成多個(gè)相同的電路都具有一致的和穩(wěn)定的電路性能，還需要考慮材料的其他多個(gè)因素。

　　2.1 介電常數(shù)一致性

　　介電常數(shù)(Dk)是電路材料最重要的參數(shù)之一，也是電路設(shè)計(jì)者的一個(gè)設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)。在汽車(chē)?yán)走_(dá)的陣列天線設(shè)計(jì)中，包括不同類(lèi)型傳輸線的電路結(jié)構(gòu)尺寸、不同傳輸線的相位差或時(shí)延，以及實(shí)現(xiàn)各單元天線間距控制等都是由材料的介電常數(shù)確定的。同一板內(nèi)的介電常數(shù)的變化會(huì)導(dǎo)致汽車(chē)?yán)走_(dá)特別是毫米波汽車(chē)?yán)走_(dá)的收發(fā)之間存在某一相位差，影響交通中對(duì)其他車(chē)輛或速度的檢測(cè)精度，造成對(duì)其定位產(chǎn)生偏差。同時(shí)，材料不同批次的介電常數(shù)的變化更會(huì)引起不同毫米波雷達(dá)系統(tǒng)存在差異，影響系統(tǒng)的一致性。

　　介電常數(shù)(Dk)通?？梢苑譃椴牧辖橘|(zhì)的Dk和實(shí)際電路所呈現(xiàn)的介電常數(shù)。通常我們把材料介質(zhì)的介電常數(shù)稱(chēng)為過(guò)程Dk，而實(shí)際電路所呈現(xiàn)的介電常數(shù)稱(chēng)之為設(shè)計(jì)Dk。選擇過(guò)程Dk容差控制較小的電路材料有利于減小系統(tǒng)性能的差異和變化。然而，對(duì)于系統(tǒng)的性能一致性，電路所呈現(xiàn)的總的介電常數(shù)(設(shè)計(jì)Dk)更應(yīng)該值得考慮。

　　2.2 銅箔粗糙度

　　眾所周知，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)產(chǎn)生影響。由于銅箔表面粗糙度的存在，使得電磁波在電路中的傳播速度變慢，相對(duì)于非常光滑的銅箔表面，其形成了慢波效應(yīng)，從而使得電路所呈現(xiàn)的介電常數(shù)增加。越粗糙的銅箔表面使電路所呈現(xiàn)出的介電常數(shù)越大，而越光滑的銅箔表面的電路介電常數(shù)越小。同時(shí)，不同厚度的材料，即使選用相同銅箔，越薄的材料上銅箔表面粗糙度對(duì)電路介電常數(shù)的影響越大，而越厚的材料其影響越小。圖4就顯示了基于相同銅箔下的RO3003TM材料，不同材料厚度所呈現(xiàn)出的不同的電路介電常數(shù)(設(shè)計(jì)Dk)值。

　　圖4、相同銅箔材料不同厚度的電路介電常數(shù)(設(shè)計(jì)Dk)

　　大多數(shù)的PCB基材都會(huì)壓合幾種不同形式的銅箔，如標(biāo)準(zhǔn)電解銅(Electro Deposited copper)，反轉(zhuǎn)銅(Reverse Treated copper)或壓延銅(Rolled copper)。標(biāo)準(zhǔn)ED銅是通過(guò)電解的方式，在鈦鼓上逐漸電解沉積成不同厚度的銅箔，通常與鈦鼓接觸面較為光滑，而電解液面較為粗糙。RT銅箔也屬于電解銅，只是將與鈦鼓面相接觸銅箔表面經(jīng)過(guò)處理后與基材壓合形成。壓延銅箔是通過(guò)輥軋機(jī)碾壓銅塊而得，連續(xù)的輥軸碾壓可以得到厚度一致性很好且表面光滑的銅箔。

　　由于現(xiàn)實(shí)的銅箔生產(chǎn)工藝，銅箔的表面粗糙度值不可能固定不變的，銅箔表面形態(tài)總是以不同的高低起伏展現(xiàn)，如圖5所示。因此對(duì)于任何銅箔類(lèi)型，銅箔的粗糙度都存在一定的變化范圍。對(duì)于射頻微波應(yīng)用，Rq或者RMS(均方根)值通常被認(rèn)為較合理的銅箔粗糙度表征方式。羅杰斯公司的RO3003TM材料是被廣泛應(yīng)用于77GHz汽車(chē)毫米波雷達(dá)的電路材料，對(duì)于RO3003TM材料的ED銅箔，其典型的銅箔表面粗糙度的RMS值是 2.0um，銅箔粗糙度變化的典型值約為0.25um。越光滑的銅箔其粗糙度變化的值也就越小。

　　圖5、銅箔表面形態(tài)圖及不同銅箔粗糙度容差