利用封裝天線技術(shù)簡化60GHz汽車車內(nèi)雷達傳感器設(shè)計
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毫米波雷達為汽車和工業(yè)應(yīng)用提供了一種主要的感應(yīng)方式，即使在惡劣的環(huán)境條件下，它也能夠遠(yuǎn)距離、以出色的角度和速度精度檢測距離為幾厘米至幾百米的物體。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202112/430565.htm典型的雷達傳感器包含一個雷達芯片組以及其他電子元件，例如電源管理電路、閃存和接口外設(shè)，所有這些都裝配在一個印刷電路板(PCB)上。發(fā)送天線和接收天線通常也在PCB上實現(xiàn)，但要提高天線性能，則需要使用高頻基板材料（例如Rogers RO3003），而這會增加PCB的成本和復(fù)雜性。此外，天線可能會占用多達30%的布板空間（圖1）。
圖1 PCB上的雷達傳感器天線占用約30%的布板空間
封裝天線技術(shù)
可以設(shè)計天線元件直接集成到封裝基板中的毫米波傳感器，從而減小傳感器的尺寸并降低傳感器設(shè)計的復(fù)雜性。圖2展示了一種背腔式E形貼片天線元件，該元件將60GHz或77GHz的毫米波輻射到自由空間中。通過在器件的封裝中布置多個上述天線元件，可以創(chuàng)建一個多輸入多輸出(MIMO)陣列，該陣列能夠感應(yīng)三維空間中的物體和人。
圖2 背腔式E形貼片天線元件
圖3顯示了AWR6843AOP器件上三個發(fā)射器天線元件和四個接收器天線元件的布置情況。該天線可以在方位角和仰角方向上實現(xiàn)寬視野。
圖3 具有封裝天線元件的AWR6843AOP器件形成MIMO陣列
下表顯示了天線陣列的主要規(guī)格。
表1 天線元件性能數(shù)據(jù)
性能參數(shù) | 性能值 |
元件增益 | 6.5dBi |
帶寬 | 5GHz |
E面波束寬度 | 144度 |
H面波束寬度 | 110度 |
方位角分辨率 | 29度 |
仰角分辨率 | 29度 |
視軸處的角度估算精度 | 3度 |
封裝天線技術(shù)可以為開發(fā)人員帶來以下優(yōu)勢：
● 較小的尺寸，可實現(xiàn)超小型傳感器設(shè)計。采用TI封裝天線技術(shù)的雷達傳感器比在PCB上裝配天線的傳感器尺寸小約30%。
● 由于PCB層疊不需要昂貴的高頻基板材料（例如Rogers RO3003），因此可以降低物料清單成本。
● 由于不再需要天線工程師設(shè)計天線、通過工具仿真性能和設(shè)計實際電路板來表征不同參數(shù)的性能，因此可以降低設(shè)計成本。
● 由于從硅片到天線的布線更短，因此可以提高效率和降低功率損耗。
對于MIMO系統(tǒng)而言，在小型且經(jīng)濟高效的封裝解決方案中實現(xiàn)高性能天線非常具有挑戰(zhàn)性?，F(xiàn)有的解決方案是在塑封的頂部或底部布置天線元件；輻射信號穿過這種塑封材料時會產(chǎn)生損耗，從而降低效率并觸發(fā)產(chǎn)生雜散輻射的基板模式。另一方面，利用倒裝芯片封裝技術(shù)，可以將天線放置在無塑封的基板上。此外，天線和硅片可以在多層基板上重疊，從而使解決方案更加緊湊。
封裝天線技術(shù)如何幫助實現(xiàn)車內(nèi)感應(yīng)
隨著歐洲新車安全評鑒協(xié)會等全球監(jiān)管機構(gòu)致力于解決兒童因遺留在車內(nèi)而中暑身亡的問題，汽車制造商和一級制造商開始使用60GHz毫米波傳感器，用于準(zhǔn)確檢測車內(nèi)、甚至處于惡劣環(huán)境條件下的兒童和寵物。
鑒于車輛的內(nèi)部設(shè)計迥異，為了實現(xiàn)無縫集成，傳感器的外形尺寸必須非常小。例如，可能很難將傳感器集成到具有全景天窗的車頂中；相反，必須將其集成在空間受限的位置，例如后視鏡周圍的頂部控制臺或柱子上。
圖4 傳感器中PCB板載天線與封裝天線的對比
傳感器上的單貼片寬視野天線非常適于放置在車輛的頂篷內(nèi)襯下方，甚至是柱的正面位置。該天線支持各種車內(nèi)感應(yīng)用例，例如對車內(nèi)兩排座椅（包括擱腳空間）之間的兒童、寵物或乘客進行檢測和定位。該傳感器以低功耗模式運行，還可以在惡劣的環(huán)境條件下進行入侵檢測。
開發(fā)人員還能夠從集成式數(shù)字信號處理器(DSP)、微控制器單元(MCU)、雷達硬件加速器和片上存儲器中受益。通過將射頻、數(shù)字和天線元件集成在單個芯片上，可以顯著降低設(shè)計復(fù)雜性，有助于更快、更簡單地進行設(shè)計。
使用60GHz封裝天線毫米波傳感器的車內(nèi)兒童和乘員檢測參考設(shè)計可提供對車內(nèi)任何座椅位置兒童和成人的檢測結(jié)果。該傳感器放置于車頂位置。下方的圖5、6和7展示了相關(guān)結(jié)果。觀看視頻了解更多詳情。
圖5 檢測汽車后排座椅上的兒童（使用洋娃娃模擬正在呼吸的嬰兒）
圖6 檢測并定位四個乘員：駕駛員、乘客以及位于后排座椅上的一名成人和一名兒童
圖7 檢測車輛附近的入侵者
封裝天線技術(shù)可幫助雷達傳感器設(shè)計人員創(chuàng)建和設(shè)計外形尺寸超小的傳感器，不僅減少了工作量、縮短了上市時間，同時還實現(xiàn)了系統(tǒng)級成本優(yōu)勢。通過實現(xiàn)車內(nèi)兒童檢測、安全帶提醒裝置、駕駛員生命體征檢測和手勢控制等多種應(yīng)用，TI的60GHz AWR6843AOP傳感器可簡化車內(nèi)感應(yīng)。
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