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

自動(dòng)駕駛汽車和先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）技術(shù)促進(jìn)了汽車毫米波雷達(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)，成為了汽車自動(dòng)駕駛和ADAS系統(tǒng)里面不可或缺的傳感器。隨著國內(nèi)毫米波雷達(dá)設(shè)計(jì)以及國產(chǎn)車型的裝機(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。這篇文章就將簡要說明毫米波雷達(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)鍵特性等方面來展開討論。

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)車輛需求和功能的不同來劃分，如依據(jù)在汽車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

除了輔助汽車的駕駛和行駛安全外，汽車毫米波雷達(dá)的應(yīng)用也擴(kuò)展到了在泊車或開啟車門時(shí)的障礙物檢測(cè)的應(yīng)用，減少泊車或開車門時(shí)車門的碰撞損害。

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)車內(nèi)乘員（成人、兒童、寵物）的可靠檢測(cè)，避免出行過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)來說，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)于汽車自動(dòng)化程度的高級(jí)階段，隨著自動(dòng)駕駛汽車的發(fā)展和ADAS裝機(jī)率的提高，大多數(shù)24 GHz汽車?yán)走_(dá)傳感器都會(huì)轉(zhuǎn)向77 GHz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的影響，且不存在加工較窄線寬時(shí)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(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?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、受加工過程影響、過孔、銅箔結(jié)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(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?yán)走_(dá)傳感器的可靠性以及汽車ADAS系統(tǒng)應(yīng)用的重要性不言而喻。

總的來說，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RO3003TM材料其性能經(jīng)過各方面嚴(yán)酷的驗(yàn)證，并能滿足在77GHz雷達(dá)傳感器的需求。RO3003TM廣泛用于77GHz毫米波雷達(dá)RO3003TM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。RO3003TM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RO3003TM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RO3003TM材料的基礎(chǔ)上，研發(fā)并推出了RO3003G2TM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RO3003TM材料，RO3003G2TM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加工過程中可以實(shí)現(xiàn)更小的過孔設(shè)計(jì)；RO3003G2TM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RO3003TM的壓延銅插入損耗性能。

圖5 RO3003G2TM與RO3003TM材料的比較

此外，羅杰斯公司的CLTE-MWTM以及RO4830TM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-MWTM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(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-MWTM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

RO4830TM是基于羅杰斯RO4000系列材料體系專門開發(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。RO4830TM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的開纖玻璃布

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，正對(duì)于各種不同的雷達(dá)傳感器設(shè)計(jì)方案，PCB電路材料的特性都很多程度上決定著雷達(dá)傳感器天線的性能。羅杰斯科技作為全球先進(jìn)工程材料的領(lǐng)導(dǎo)者，致力于研發(fā)各種材料滿足客戶的設(shè)計(jì)需求。RO3003G2TM/RO3003TM/ CLTE-MWTM/RO4830TM等多種材料解決方案，及時(shí)的為客戶解決了設(shè)計(jì)難題。同時(shí)，羅杰斯公司分布在全球的客戶及技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)，能夠確保與客戶更加緊密的合作，共同解決客戶在設(shè)計(jì)、加工及測(cè)試中的系列問題，加快客戶設(shè)計(jì)周期。