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    技術專欄

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    毫米波雷達電路板怎么樣選擇合適的高頻電路板材料
    2020-08-11
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      未來某一天,自動駕駛車輛將可能比現在駕駛員駕駛的機動車輛更加安全。但在相關技術沒有完全成熟之前,一些電子功能部件必須成為車輛的標準配置,其中包括毫米波雷達系統,攝像頭,激光雷達。與后兩者相比,毫米波雷達系統似乎與自動駕駛車輛更容易聯系在一起。但毫米波雷達系統正穩步成為一種非??煽孔詣玉{駛的技術之中的一環,作為現代汽車中先進駕駛輔助系統(ADAS)技術的一部分為現代商用車輛提供電子安全功能。毫米波雷達系統是汽車工業中的一項成熟技術,作為第一個主動安全功能的制動輔助系統,自1996年實驗使用以來,現在通常用于現代ADAS系統中的盲點檢測和防碰撞保護。

                  

    毫米波雷達電路板

       毫米波雷達電路板有助于自動駕駛汽車成為可能,但它們需要多個要素相結合,包括能為頻率在77GHz以上的電子設備和pcb電路板提供穩定性能的電路材料。例如,在ADAS應用中,pcb電路板材料要求能夠支持在24GHz,77GHz 或79GHz的微波和毫米波信號的傳輸線設計,實現損耗最小,同時在寬工作溫度范圍內提供一致的可重復性能。幸運的是,羅杰斯公司可提供這種pcb電路板材料,其具有從微波到高頻毫米波頻段的ADAS應用所需的一致性能。
      作為車輛ADAS系統電子感知保護的一部分,車載雷達系統會與其他一些技術一起使用(圖1)。雷達系統以無線電波的形式發送電磁(EM)信號,并接收來自目標(如另一輛車)的無線電波的反射信號,其通常為多個目標。雷達系統可以從這些接收到的反射信號中提取相應目標的信息,包括它的位置,距離,相對速度和雷達截面(RCS)。范圍(R)可以基于光速(c)和信號所需的往返時間(τ) 確定,往返時間即無線電波從雷達能量源(雷達發射機)到目標,然后返回到雷達能量源的時間。在車載雷達系統中,雷達信號的發生和接收就是PCB天線。R的值可以通過簡單的數學公式求得,即光速與從雷達信號源到目標并返回到雷達源的往返傳輸時間的乘積除以2:R =cτ/ 2 。
       作為ADAS主動安全的一部分,車輛配備了各種傳感器,包括攝像機,激光雷達和雷達系統。當多個雷達目標距離較近時,例如在道路擁堵時的兩輛車,就需要精確的雷達距離分辨率來區分被探測到的物體??梢岳幂^短的雷達脈沖探測目標,盡管較短的脈沖或任何類型的信號都會只有較少的能量從目標反射回雷達接收器。通過使用脈沖壓縮可以將更多的能量添加到更短的脈沖中,其中相位或頻率調制可以提高其功率水平。為此,基于調頻連續波(FMCW)信號(也稱為“線性調頻”信號)的雷達通常用于車輛雷達系統。
    對目標速度的估計可以通過多普勒效應來實現,多普勒效應是指根據目標相對于雷達發射機/接收機的運動而從雷達獲得的目標反射的信號頻率的變化。多普勒頻移與波長成反比:根據雷達目標是接近還是遠離雷達源,分別為取正或負值。
      FMCW或線性調頻雷達系統可以測量多個目標的速度,距離和角度。 雖然工作于24GHz下的窄帶(NB)和超寬帶(UWB)FMCW雷達得到了廣泛的應用,但該頻段的應用正在逐漸減少。在車載安全系統中越來越多地使用1GHz帶寬的窄帶77-GHz雷達系統。 此外,汽車行業正在研究UWB 79-GHz雷達,以備未來的應用。 CW雷達相對簡單,可以檢測目標的速度,但不能檢測目標的距離。脈沖連續波雷達還可以使用多個多普勒頻率估計距離。 脈沖持續時間和脈沖重復頻率(PRF)是設計性能可靠的脈沖連續波雷達系統的兩個關鍵參數。由于脈沖壓縮,FMCW雷達的距離分辨率與FMCW信號的帶寬成反比,而與脈沖寬度無關。 短程FMCW雷達使用UWB波形可以高分辨率的測量小距離。 多普勒分辨率是脈沖寬度和用于估計的脈沖數量的函數。任何雷達系統中的雜波都是由感興趣目標以外的物體反射的雷達信號產生的噪聲。在任何雷達系統中,與周圍的其他物體相比,雷達必須從眾多被雷達信號照射的物體中識別出有效目標。
    車載電子安全系統利用其他物理參數(如視覺和光線)向車輛的ADAS域控制器提供可用數據,域控制器是執行傳感器信息融合以幫助安全引導車輛的信息處理中心。前置攝像頭用于車道偏離警告和物體檢測的成像,而后置攝像頭可以根據需要提供反向和附加成像。光檢測和測距(LiDAR,激光雷達)系統將紅外(IR)光的脈沖傳輸到目標(例如另一輛車或停車場內的墻壁),并檢測返回到源的IR脈沖,基于光的傳播速度來計算源和目標之間的距離。利用關于IR脈沖的長度和波長以及從反射并返回到車輛中的IR檢測器/接收器所需的時間等細節參量,可以計算IR照射的物體的位置和相對運動。不幸的是,車輛激光雷達系統的性能和有效性極易會受到環境條件的嚴重影響,如雪、雨、霧等。車載雷達系統可以LiDAR系統的方式進行工作,但是毫米波頻率的雷達其對應的波長更小。車載雷達被指定在某些特定的頻率范圍內使用,例如在24,77和79GHz。這些頻段已被多個標準組織批準使用,例如美國的聯邦通信委員會和歐洲的歐洲電信標準協會都已批準其使用。
      目前,各種雷達被用作ADAS應用的一部分,FMCW信號由于在測量多目標的速度、距離和角度方面的有效性而得到了廣泛的應用。汽車雷達有時會使用工作于24GHz頻段下的窄帶NB和超寬帶UWB設計。24GHz 窄帶車載雷達占用從24.05至24.25 GHz的200 MHz范圍,而24 GHz的超寬帶雷達的總帶寬達5 GHz,從21.65 GHz至26.65 GHz頻段范圍內。窄帶24 GHz車載雷達系統可提供有效的短距離交通目標檢測,并用于盲點檢測等簡單功能。超寬帶車載雷達系統已被應用于更高的距離分辨率功能,如自適應巡航控制(ACC),前向碰撞警告(FCW)和自動緊急制動系統(AEB)。然而,隨著全球移動通信應用繼續消耗“較低”頻率(包括24 GHz附件)的頻譜,車載雷達系統的頻率變得更高,可用的具有更短的波長的毫米波頻譜成為選擇,頻率分別為77和79 GHz。事實上,日本已不再使用24-GHz超寬帶車載雷達技術。根據各地區標準組織ETSI和FCC分別設定的時間表,它將在歐洲和美國逐步被淘汰,并被更高頻率的窄帶77GHz和超寬帶79GHz車載雷達系統取代。 77GHz和79GHz雷達將以某種形式作為用于自動駕駛汽車的功能模塊。材料要求自動駕駛汽車將采用許多不同的電子技術來提供引導,控制和保障安全,包括使用光和電磁波的傳感器。毫米波頻率的雷達將廣泛使用的信號頻率范圍和電路技術一度被認為是獨特的、實驗性的,甚至僅被用于軍事用途的。毫米波雷達使用的增加是越來越多的電子技術和電路集成到機動車輛中的一種趨勢,為駕駛員提供方便和支持,使車輛行駛更安全,并使車主和操作員從駕駛車輛的“任務”中解放出來。在商用機動車輛中使用高頻電子設備甚至可能觸發駕駛員與車輛之間的全新方式。至少,使用毫米波雷達電路板等技術將改變“駕駛”機動車輛的定義。
    這些車載毫米波雷達電路板(系統)的設計通常以天線開始,并且該天線通常是高性能印刷電路板(PCB)天線,它們被安裝在不同位置,通過發射和接收低功率毫瓦級毫米波信號來檢測或“照射”目標。車輛的雷達和其他電子系統使用不同的方法來提供關于機動車周圍環境的信息以供該車輛的周圍物體檢測和分類算法使用。車載雷達的信號可能是脈沖或調制的CW形式。車載雷達系統用于24GHz下的盲點檢測已有一段時間。 然而,隨著時間的推移以及無線通信等其他功能的頻譜競爭的加劇,車載雷達系統正在向高頻移動,帶寬變窄,如以77GHz為中心的約1GHz寬的頻帶范圍,以及79GHz頻段。無論是在24GHz,77GHz或79 GHz,PCB天線的性能對于這些車載雷達系統來說至關重要,它們需要向目標發射并幾乎瞬間接收如目標是另一輛車的反射信號。關鍵的PCB天線性能參數包括增益,方向性和效率,低損耗電路材料對于獲得良好的PCB天線性能至關重要(圖2)。 PCB天線的長期可靠性也非常重要,因為這些緊湊型天線及其高頻收發電路同時還必須可持續不間斷地工作(當車輛運行時),并能在更具挑戰性的操作環境——商業機動車輛——上可靠地運行。
    圖2:pcb電路板材料的低損耗對于PCB天線獲取高增益和方向性至關重要,尤其是在毫米波頻率下。
    除了使用雷達,激光雷達和聲納之類的引導/警告系統之外,機動車輛也將使用與其他車輛的無線通信來創建對周圍環境的電子感知,例如交通和障礙物。這種無線通信將包含PCB天線和高頻電路,作為“車聯網”或“V2X”通信系統的一部分,以保持對其他車輛及其周圍交通的感知。包括通信、激光雷達和雷達在內的多種電子技術的結合,將有助于在每輛汽車周圍形成一個安全屏障,并為其中央控制計算機提供安全自動駕駛汽車所需的輸入數據。雷達技術與其他車載電子安全技術相比,具有以下優勢:在各種惡劣天氣條件下,即使在基于聲光的ADAS技術(包括攝像機)可能嚴重退化的情況下,它也能有效運行。雷達系統具有能全天候工作的優勢,但是用于自動駕駛汽車的雷達系統也需要穩定的高性能PCB天線來實現發送和接收功能。要PCB天線實現角度和高橫向分辨率以及可重復一致性能,這就要求電路材料的特性能夠支持其在如此高的頻率與環境中進行工作。用于毫米波頻率下的高性能PCB天線材料必須具有低損耗特性,并且材料的不同批次以及車輛環境(例如溫度和濕度)的變化條件下仍具有良好的介電常數(Dk)容差變化。 此外,車載毫米波雷達PCB天線的電路材料還應具有光滑的銅箔表面,低損耗因數(Df)和低吸濕性。用于這種高頻毫米波PCB天線的pcb電路板材料的常用選擇就是來自Rogers 5mil RO3003高頻電路板材料(圖3)。它具有毫米波電路所需的嚴格控制的介電常數(DK),其10 GHz的DK值為3.00±0.04之內。其Dk值隨溫度的變化,即介電常數溫度系數(TCDk)很小,僅為-3 ppm/oC(圖4)。 RO3003高頻電路板材料還具有毫米波電路所需的光滑銅箔表面,10 GHz時Df值為0.0010,以及低的吸濕率0.04%。 此外,它不含有玻璃布,避免了毫米波頻率下的玻璃編織效應產生的不穩定和不一致性。
           RO3003高頻電路板材料具有汽車高性能毫米波雷達電路板天線所必需的特性。 RO3003高頻電路板材料在不同溫度下的Dk變化幾乎可以忽略不計,TCDk僅為-3 ppm /oC。
    羅杰斯公司的RO4835高頻電路板材料已成為24GHz車載雷達傳感器與ADAS中用于短距離、盲點檢測等雷達天線應用中可靠的pcb電路板材料。自動駕駛汽車的發展將會在每一輛車輛中使用許多不同的傳感器系統,作為一種“系統之系統”的形式,協調多個雷達系統、聲納、激光雷達和照相機等傳感器,為自動駕駛汽車提供許多不同的電子“有利點”。較低頻率的24-GHz雷達已用于停車輔助功能和較短距離的防碰撞預警。高頻的車載雷達系統,目前頻率在77 GHz——最終會是79 GHz頻段——將用于中距離功能,如變道輔助(LCA)和遠程功能、自適應巡航控制( ACC)、前方碰撞警告以及自動緊急制動系統。自動駕駛汽車在移動時的電子檢測和警報系統產生的數據量將非常龐大,顯著需要很高的的車載信號處理和微處理器。
      當然,在這樣高的頻率下產生和維持信號性能從來都不是一件簡單的事。 對于這些高頻毫米波天線和電路,即使在車輛環境中,羅杰斯公司的RO3003RO4835高頻電路板材料也可以提供高頻率下穩定可靠的電氣性能。 真正完全自主的自動駕駛汽車需要對所有面進行檢測,以形成車輛周圍360度的環境監視并根據不同情況引導車輛,從而取代人類駕駛員對外部環境的反應。雷達只是未來自動駕駛汽車的電子技術之一。自動駕駛汽車必須被不同類型的傳感器包圍,從而有助于不斷收集環境數據,以保障汽車及其乘客的安全(其中一個可能被認為是駕駛員)。自動駕駛汽車也將依賴一個被稱為“傳感器融合”(sensor fusion)的信息處理,將許多不同傳感器收集到的數據整合為可用的信息,并將其轉化為安全、舒適的駕駛體驗。為準確收集周外環境如自行車,自行駕駛車輛等所需的數據,許多小型多層印刷電路板天線和其他傳感器電路將需要采用穩定的低損耗電路材料,例如羅杰斯公司的RO3003系列,RO4835和Kappa?438高頻電路板材料,其在射頻到毫米波頻率具有電路所需的性能和穩定性。
      電路的尺寸隨著頻率的增加而減小,特別是工作頻率為77和79 GHz時,因為這些信號波長非常小。各種工作在該頻段下的電路傳輸線,包括微帶線、帶狀線、和共面波導(CPW)電路等,由于電路尺寸很小就要求非常材料具有良好的一致和可預測性,如RO3003RO4835高頻電路板材料。高頻電路板材料,例如Rogers RO3003高頻電路板材料,在不同電路和不斷變化的環境下仍保持一致性特別良好的Dk性能,同時,具有毫米波頻率下所需的低損耗因子(Df)或損耗(圖5)。 RO4835熱固性層壓板非常適合對價格敏感的毫米波產品應用,它也是傳統PTFE基層壓板的可靠、低成本的替代產品。 RO3003高頻電路板材料在77 GHz時的介電常數為3.2。 LoPro?反轉銅箔技術有助于RO3003高頻電路板材料在77GHz時的插入損耗優化,其插入損耗值為每英寸2.2dB。RO3003RO4835高頻電路板材料的出色機械和電氣性能水平可以與RO4450高頻電路板材料固化片的相結合,并在79 GHz時表現非常好和一致的低損耗電路特性。 這些關鍵的pcb電路板材料將提供可重復性且可靠的電氣性能,并使傳感器獲得自動駕駛汽車的車載處理器使用的可靠的數據,以保證可以車輛的安全行駛。

     

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