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毫米波雷达

毫米波雷达

从自动驾驶看汽车雷达天线设计的PCB材料及加工考量
2021-01-20
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蔚来汽车在2021年1月9日的NIO Day 2020(蔚来日)上正式发布了首款智能电动旗舰轿车ET7。作为蔚来最新首款量产轿车,ET7的发布备受行业瞩目。而该本次发布最大的亮点大概就是ET7配备的自动驾驶技术。蔚来首次在发布会中明确地提到了要落地高速、城区、泊车、换电四个场景的自动驾驶,建立全栈的自动驾驶开发能力。

蔚来超感系统 AQUILA 的配置配备了多种高性能感知硬件,其中包括: 1个超远距离高精度激光雷达,5个毫米波雷达,多个高清摄像头,以及其他多种感知硬件。

相对于激光雷达或摄像头,毫米波雷达凭借其在恶劣天气情况下仍保持可靠的性能,对汽车ADAS的各种功能实现不可或缺。而PCB材料是毫米波雷达中的关键材料和部件,PCB材料的性能决定了毫米波雷达传感器的性能。罗杰斯的RO3003™材料,凭借出色的性能成为蔚来ET7毫米波雷达解决方案中的一部分。

毫米波雷达传感器正逐步从24GHz向77GHz过渡,更多的前向雷达,角雷达均采用77GHz的方案。对于电路工程师来说,选择合适的PCB材料是对于毫米波雷达设计至关重要。总的来说,在选择时需要考虑选择较薄的PCB电路板材料、较好的介电常数一致性、较小的介质损耗等;同时,也要考虑材料随时间、温度,湿度等外界工作环境而具有可靠的电气性能和机械特性等。

介电常数一致性

在毫米波雷达的阵列天线设计中,包括不同类型传输线的电路结构尺寸、不同传输线的相位差或时延,以及实现各单元天线间距控制等都是由材料的介电常数确定的。同一板内的介电常数的变化会导致汽车雷达特别是毫米波汽车雷达的收发之间存在某一相位差,影响对车辆或速度的检测精度,造成对其定位产生偏差。同时,材料不同批次的介电常数的变化更会引起不同毫米波雷达系统存在差异,影响系统的一致性。因此所使用PCB材料的介电常数的一致性,稳定性至关重要。同时,电路最终呈现的介电常数(设计Dk)不仅与材料介质的过程Dk相关,还与所使用铜箔的粗糙度、电路的加工等密切相关。对于要确保天线的相位一致性和系统的性能一致性,电路上所呈现的介电常数(设计Dk)对于实际雷达天线性能评估更为全面、更应该值得考虑。

铜箔粗糙度

众所周知,材料所使用铜箔的表面粗糙度对会对电路的介电常数产生影响。由于铜箔表面粗糙度的存在,使得电磁波在电路中的传播速度变慢,相对于非常光滑的铜箔表面,其形成了慢波效应,从而使得电路所呈现的介电常数增加。越粗糙的铜箔表面使电路所呈现出的介电常数越大,而越光滑的铜箔表面的电路介电常数越小。选择越光滑的铜箔有利于减小铜箔粗糙度带来的对设计Dk的影响,从而有利于保持电路性能的一致性。比如罗杰斯公司的RO3003G2™材料,就采用了更光滑的铜箔,更小的填料系统,进而进一步提高介电常数的一致性,提高电路性能的一致性。

介电常数随温度变化(TCDk)

电路材料的介电常数会随温度变化而发生变化,这种随温度变化的参数有助于工程师了解电路材料可能会发生的性能上的改变。通常把材料介电常数随温度的变化定义为TCDk,其变化越小表示材料(在温度上)性能越稳定。理想电路材料的TCDk值,即使温度发生变化也会保持固定的Dk值,其TCDk的值为0ppm/℃。然而,在现实世界中,Dk值是会随着电路材料温度的变化而变化的。只有TCDk值非常低的电路材料才能被认为是具有随温度稳定Dk的材料,通常TCDk的绝对值要小于50ppm/℃。当某一应用要求电路需要经受较大的工作温度范围,并且需要始终保持稳定的性能时---如汽车雷达传感器的应用,它就需要始终保持精确的测量精度,且可能工作于不同的工作温度下---材料的TCDk参数就是需要考虑的关键参数之一。

通过设计一组实验,比较了高TCDk材料与RO3003™材料的不同TCDk值带来的影响。测试基于相同设计的一组50Ω微带线电路来观察设计Dk和相位在不同温度下的变化情况。测试结果如图所示:

罗杰斯RO3003™材料由于其具有非常小的TCDk值,在77GHz时其Dk和电路的相位角几乎没有任何变化。而高TCDk材料在77GHz时的Dk变化达0.031,相位变化达到17度。当使用高TCDk材料的毫米波汽车雷达传感器应用在不同的温度环境时,如此高的Dk和相位变化就会严重影响系统的一致性。

高TCDk材料与RO3003™材料的不同TCDk值

材料的吸湿性

汽车毫米波雷达传感器相对于其他类型传感器的优势在于可以全天候工作在各种恶劣天气条件下。因此环境的变化不仅仅是温度的变化,还可能工作在不同的湿度环境中。设计工程师在选择电路材料时常常忽略了材料的吸湿性,而事实上材料的吸湿性对于电路的性能和系统的一致性也是至关重要的。材料较低的吸湿性可以减小电路中介电常数及损耗的变化,从而使电路保持几乎相同的电路性能,确保雷达传感器的定位不会出现偏差。

罗杰斯的RO3003™材料能广泛应用于77GHz汽车毫米波雷达中,低的吸湿性也是其中的一个重要原因。

加工的影响

电路设计完成后需要加工成雷达天线电路。毫米波雷达天线的增益受到电路的插入损耗影响。其中电路的不同表面处理会对电路产生不同的损耗影响。电路的表面处理对PCB电路板加工是非常必要的,它不仅能够为焊接提供光滑可焊的表面,同时也为PCB的铜导体提供了保护。然而,大部分PCB表面处理材料的导电性都比铜箔的导电性差。导电性越差产生的导体损耗越高,从而电路的插入损耗也越大,特别是对毫米波电路更加明显。为更好理解表面处理对损耗性能的影响,基于相同的电路材料使用不同表面处理的情况下加工了多组传输线进行损耗的对比。

77GHz毫米波雷达传感器的独特优势使其成为自动驾驶汽车不可缺少的部件。PCB电路板材料决定着毫米波雷达传感器天线的性能,选择具有稳定介电常数、低损耗特性的材料是成功设计毫米波雷达传感器的关键。为了使雷达传感器具有稳定一致的电路性能,材料所使用铜箔及其表面粗糙度、介电常数随温度的变化、材料的吸湿性等参数都需要考虑。同时,在加工中的过程中的一些因素也会影响雷达传感器的性能。总的来说,在设计之初以及加工过程中可以与材料供应商和加工工程师做好沟通,从而提高77GHz雷达传感器的性能一致性,增加成品率和降低成本。

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