影響汽車毫米波雷達傳感器性能一致性的思考---之PCB電路材料的考慮

　　實際應用中電路所呈現(xiàn)出的Dk值(設計Dk)不僅需要考慮材料過程Dk的變化，同時需要考慮銅箔粗糙度變化帶來的影響。而常常被大多數(shù)工程師所忽略的電路加工過程也會造成設計Dk的變化。通常，設計工程師為了更為準確的設計電路而想知道設計Dk值的變化大小，最好的方法就是選取多個不同批次材料，制作并測試多個相同電路來評估其變化。為了更好的說明這種變化情況，仍然選取了5mil RO3003TM材料，其時間跨度達4年的多個批次制作成50Ω微帶線測試電路的設計Dk。從圖6可以看到，使用銅箔粗糙度RMS值為2.0um的ED銅箔的5mil RO3003TM材料，其在77GHz時電路的設計Dk的典型值是3.16，變化約0.126;而使用光滑的壓延銅的5mil RO3003TM材料在77GHz是電路的設計Dk典型值是3.055，變化約0.096。這也進一步證實了，材料過程Dk的容差越小，所使用銅箔的表面越光滑，其最后成品電路的設計Dk值變化越小，電路性能一致性也越好。

　　圖6、厚度5mil RO3003TM材料不同銅箔下電路Dk值的變化

　　2.3 介電常數(shù)隨溫度變化(TCDk)

　　電路材料的介電常數(shù)會隨溫度變化而發(fā)生變化，這種隨溫度變化的參數(shù)有助于工程師了解電路材料可能會發(fā)生的性能上的改變。通常把材料介電常數(shù)隨溫度的變化定義為TCDk，其變化越小表示材料(在溫度上)性能越穩(wěn)定。理想電路材料的TCDk值，即使溫度發(fā)生變化也會保持固定的Dk值，其TCDk的值為0ppm/℃。然而，在現(xiàn)實世界中，Dk值是會隨著電路材料溫度的變化而變化的。只有TCDk值非常低的電路材料才能被認為是具有隨溫度穩(wěn)定Dk的材料，通常TCDk的絕對值要小于50ppm/℃。當某一應用要求電路需要經(jīng)受較大的工作溫度范圍，并且需要始終保持穩(wěn)定的性能時---如汽車雷達傳感器的應用，它就需要始終保持精確的測量精度，且可能工作于不同的工作溫度下---材料的TCDk參數(shù)就是需要考慮的關鍵參數(shù)之一。

　　同一樹脂體系的兩種材料并不會具有相同的TCDk特性，例如，雖然PTFE是性能優(yōu)異、低損耗的高頻電路材料，但是基于PTFE的不同電路材料，它的TCDk特性可能就會有很大差異。一些基于PTFE的電路材料的Dk隨溫度的變化很大，TCDk值達200ppm/℃甚至更高。同時，一些基于PTFE的線路板材料可以提供接近理想狀態(tài)的TCDk特性。圖7比較了不同種類的電路材料的TCDk曲線，明顯看到環(huán)氧樹脂體系材料具有非常差的TCDk性能;而某些基于特殊陶瓷填充的PTFE材料，就具有較好的TCDk性能。77GHz汽車毫米波雷達廣泛使用的RO3003TM材料的TCDk值是-3ppm/℃。

　　圖7、不同種類材料的TCDk曲線

　　通過設計一組實驗，比較了高TCDk材料與RO3003TM材料的不同TCDk值帶來的影響。測試基于設計的長度不同的50Ω微帶線電路來觀察設計Dk和相位在不同溫度下的變化情況。測試結果如圖8所示，RO3003TM材料由于其具有非常小的TCDk值，在77GHz時其Dk和電路的相位角幾乎沒有任何變化。而高TCDk材料在77GHz時的Dk變化達0.031，相位變化達到17度。當使用高TCDk材料的毫米波汽車雷達傳感器應用在不同的溫度環(huán)境時，如此高的Dk和相位變化就會嚴重影響系統(tǒng)的一致性。

　　圖8、實際電路中RO3003TM材料與高TCDk材料的性能比較

　　2.4 材料的吸濕性

　　汽車雷達傳感器相對于其他類型傳感器的優(yōu)勢在于可以全天候工作在各種惡劣天氣條件下。因此環(huán)境的變化不僅僅是溫度的變化，還可能工作在不同的濕度環(huán)境中。設計工程師在選擇電路材料時常常忽略了材料的吸濕性，而事實上材料的吸濕性對于電路的性能和系統(tǒng)的一致性也是至關重要的。材料較低的吸濕性可以減小電路中介電常數(shù)及損耗的變化，從而使電路保持幾乎相同的電路性能，確保雷達傳感器的定位不會出現(xiàn)偏差。

　　羅杰斯的RO3003TM材料能廣泛應用于77GHz汽車毫米波雷達中，低的吸濕性也是其中的一個重要原因。這里同樣以5mil RO3003TM材料為例來比較材料吸濕性對于電路設計Dk和損耗的影響。在基于IPC-TM-650 2.6.2.1國際標準測得的RO3003TM材料的吸濕率僅為0.04%，而所比較的另外一種材料的吸濕率是0.3%。通過長度不同的50Ω微帶線的方式測試電路的介電常數(shù)Dk和損耗，可以看到RO3003TM材料在70GHz頻率下時的Dk和損耗分別僅變化0.005和0.13dB/inch;而具有0.3%高吸濕率的材料的電路Dk和損耗變化達到0.04和0.81dB/inch。如此高的Dk和損耗的變化自然會引起雷達傳感器性能的不一致性，在實際應用中造成偏差。

　　圖9、實際50Ω微帶電路中RO3003TM材料與高吸水率材料的性能比較

　　2.5 玻璃布纖維效應

　　在電路材料中通常會添加玻璃布來增加材料的結構強度，這樣有助于提高材料的機械穩(wěn)定性。但是電路材料中的玻璃布會影響該材料的介電常數(shù)(Dk)隨著位置的變化。這種Dk的變化是由玻璃布特有的物理交織結構造成的，發(fā)生在非常小的區(qū)域且以周期性的方式呈現(xiàn)。也就是說，玻璃布中玻璃纖維編織形的交疊處及小的開口空隙區(qū)域的Dk值會有不同，如圖10示例。通常，玻璃布或玻璃纖維的Dk約為6，而開口空隙區(qū)域的Dk由材料樹脂體系的Dk值決定，比如3。當存在兩束玻璃纖維相互交疊時，此時的Dk值最大;而開口空隙區(qū)域沒有玻璃纖維的存在，此時的Dk最小;僅有單束玻璃纖維是Dk值居中。

　　圖10、玻璃布纖維相互交疊形成的不同Dk值

　　當含有此類玻璃布的材料僅應用于較低頻率時，由于信號波長較長，幾乎對電路性能不會造成影響。而當材料應用于高頻毫米波頻率時，電路性能就會受到一定的影響。以介電常數(shù)Dk為3.0、厚度5mil的電路材料為例，當材料應用于77GHz毫米波電路時，所設計的50歐姆微帶線的寬度是12mil。常見電路材料中大于12mil的玻璃布的交疊與空隙開口是非常常見的。在實際電路中，如圖12左所示，當微帶線分別處于玻璃纖維束或空隙上方時，由于Dk的不同此時同一設計的不同電路的阻抗就存在一定差異，從而影響電路的一致性;同樣，即使處于圖11右所示情況，Dk也存在周期的變化，導致同一微帶線電路的阻抗也會周期的變化，進而影響電路的相位，影響系統(tǒng)的一致性。

　　圖11、線路經(jīng)過不同區(qū)域的Dk的變化

　　正因為玻璃布帶來的這種高頻的玻纖效應，為了盡可能減小這種影響，在考慮應用于如77GHz汽車毫米波雷達的材料時，應選擇不含有玻璃布的電路材料。

　　3. 結論

　　自動駕駛汽車將成為汽車行業(yè)未來發(fā)展的重點和方向，而毫米波雷達傳感器的獨特優(yōu)勢使其成為自動駕駛汽車不可缺少的部件，且有助于自動駕駛汽車成為可能。PCB電路材料是毫米波雷達傳感器的基礎，選擇穩(wěn)定介電常數(shù)、低損耗特性的材料是設計毫米波雷達傳感器的出發(fā)點。然而為了使雷達傳感器具有穩(wěn)定一致的電路性能，材料所使用銅箔類型及銅箔的表面粗糙度、介電常數(shù)隨溫度的變化、材料的吸濕性、以及材料是否含有玻璃布而帶來玻纖效應等都需要考慮，從而確保傳感器對物體和速度的精確檢測和定位。