適用于高級駕駛輔助系統(tǒng)的雷達和功能安全技術(shù)

在不久的將來，汽車雷達系統(tǒng)會越來越普及，它們提供很多舒適安全的應用。短距離雷達范圍從幾厘米到30米，可用于盲點探測、倒車輔助或車位測量，以引導汽車自助泊車。長距離雷達可達到250米，用于啟動自適應巡航控制，使汽車與前車速度保持一致。此外，它還可以啟動更多重要的功能，如碰撞告警、緊急制動，甚至撞擊預警偵測系統(tǒng)等，這些可能觸發(fā)安全帶張力計或其它主動或被動安全功能。顯而易見，憑借后面這些功能，電子控制系統(tǒng)需要達到最高的功能安全等級，因為此系統(tǒng)無需駕駛員干預，最終都會轉(zhuǎn)向或制動汽車。

這種雷達技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新不斷應用在移動工控機、起重機、工廠安全設備等其他應用中，而這一應用領域都需要嚴密地安全保護。耦合雷達與機器視覺也可以創(chuàng)建一個強大的組合，這兩種技術(shù)相輔相成，可創(chuàng)建更準確和更可靠的系統(tǒng)。當機器視覺被遮擋時，雷達可在雨水、霧氣和污垢環(huán)境下運行。此外，雷達還可以進一步延伸其探測距離以及探測到非直接視線中的事件。一個結(jié)合了機器視覺與雷達及一些智能傳感器融合算法的系統(tǒng)，可以充分利用這兩種傳感技術(shù)帶來的好處。



圖1： 汽車雷達應用

77 GHz雷達技術(shù)

在碰撞告警系統(tǒng)中，77 GHz發(fā)射器發(fā)出的信號將被車身前方的物體反射，然后由分布在車身各處的多個接收器捕獲。該發(fā)射器發(fā)出頻率調(diào)制的連續(xù)波信號，即在一個固定時段中，頻率隨著典型的三角波信號而上下變化。由于無線電波是以恒定的光速進行傳播的，因此測量發(fā)射波和接收波之間的頻率差異（即隨時間而變化的頻率斜率）就可以計算出傳播距離。速度測量采用多普勒效應，即所觀察到的反射信號頻率與發(fā)出的頻率不同。

雷達系統(tǒng)并不是新亮點。而新亮點是汽車制造商想在最近幾年內(nèi)將這個系統(tǒng)內(nèi)置在中型汽車中，因此該系統(tǒng)必須是低成本、高質(zhì)量的。這意味著從昂貴的專業(yè)雷達系統(tǒng)向標準汽車設備類型的一個很大轉(zhuǎn)變。面臨的挑戰(zhàn)是降低成本的同時，實際提高產(chǎn)品質(zhì)量及減少每百萬件的瑕疵部件。這種轉(zhuǎn)變?nèi)纭百|(zhì)量與成本營銷價值圖”所示。



圖2：營銷價值圖

這個營銷價值圖顯示了從高成本、良好質(zhì)量系統(tǒng)向中低成本、更高質(zhì)量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。為了實現(xiàn)這一目標，我們必須應對很多挑戰(zhàn)。

雷達成本和質(zhì)量的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)雷達采用旋轉(zhuǎn)天線。這也是物體空間映射的原理。這可能適合具有昂貴控制系統(tǒng)的大型系統(tǒng)，但肯定不適用于汽車批量生產(chǎn)。消除旋轉(zhuǎn)天線的一個解決方案就是，將相控陣列或接線天線用于多通道發(fā)射和接收通道?？辗痔炀€將接收有輕微時差的反射信號。這種差別隨后用于重建物體位置，而無需移動天線。這種接線天線的缺點是，需要多個發(fā)射和接收通道來連接天線。典型系統(tǒng)將采用類似4個發(fā)射天線和16個接收天線。但從經(jīng)濟角度來說，重復16次接收電路和4次發(fā)射電路并不可行。

這時另一個創(chuàng)新就派上用場了。飛思卡爾沒有采用射頻差分電路，而是開發(fā)了一個專用射頻BiCMOS工藝，它的性能足以將77 GHz射頻電路整合到單芯片上。飛思卡爾從開發(fā)高性能SiGe:C（硅鍺碳）180納米工藝開始，還開發(fā)了專用的300GHz Fmax射頻晶體管，能夠在芯片上處理77GHz雷達信號。結(jié)合模擬和數(shù)字CMOS電路，這一工藝支持全面集成多通道77GHz片上系統(tǒng)。因此片上集成可抵消多通道開銷成本。

高級封裝技術(shù)

具備77GHz固態(tài)硅工藝是一筆巨大財富，但在印刷電路板上處理和報告它又是另一個挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)封裝寄生阻抗在高頻率時會破壞信號信息。應對這個問題的一種方法就是采用精密引線焊接技術(shù)將裸芯片焊接在專用PCB上，而不是采用典型封裝和更高成本的波峰焊接技術(shù)。這時名為“RCP （重分配芯片封裝）”的全新先進封裝技術(shù)就派上用場了。



圖3：RCP封裝中的各層

RCP采用粗光刻技術(shù)而不是PCB型材料將銅互連層裝配在芯片或多芯片系統(tǒng)上。這種無基板的封裝技術(shù)具有更低的電容和電感寄生行為。與裸芯片焊接工藝相比，通過具有合格性能的這一封裝，可以在77GHz時路由高頻率信號。它的優(yōu)點是，傳統(tǒng)PCB的整套工具可用于焊接這個部件，這意味著低成本的處理。