集成天線封裝的毫米波雷達有什麼好處

2021-01-13 電子工程專輯
集成天線封裝的毫米波雷達有什麼好處
電子工程世界 2021-01-12 143瀏覽 0評論 0點讚
毫米波雷達是汽車和工業應用的主要傳感方式之一，因為即使在惡劣的環境條件下，它也能夠以高精度的距離，角度和速度精度檢測從幾釐米到幾百米的物體。 典型的雷達傳感器包括雷達晶片組以及其他電子組件，例如電源管理電路，快閃記憶體和組裝在PCB上的外圍接口器件。發送和接收天線也通常在PCB上實現，但是要實現高天線性能，需要使用高頻基板材料，例如Rogers的RO3003，這會增加PCB的成本和複雜性。此外，天線最多可佔用電路板空間的30％（圖1）。

圖1 PCB上的雷達傳感器天線約佔板級空間的30％。資料來源：德州儀器 可以設計將毫米波傳感器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和傳感器設計的複雜性。圖2描繪了一個背腔的E形貼片天線元件，將60或77 GHz的毫米波輻射到自由空間。在器件的封裝上安排幾個這樣的天線元件會創建一個多輸入多輸出（MIMO）陣列，該陣列可以感應3D空間中的物體和人。

圖2背腔E形貼片天線元件向自由空間輻射毫米波。資料來源：德州儀器 圖3顯示了AWR6843AOP汽車雷達傳感器上三個發射器天線元件和四個接收器天線元件的布置。該天線可以在方位角和仰角方向上實現寬可視範圍。

圖3封裝上帶有天線元件的AWR6843AOP器件形成MIMO陣列。資料來源：德州儀器 較小的尺寸可以設計極小外形的傳感器。帶有天線封裝的雷達傳感器比PCB傳感器的天線小約30％。 通過繞過PCB中對昂貴的高頻基板材料的需求，可以降低BOM成本。 由於不需要天線工程師來設計天線，通過工具模擬性能以及設計實際電路板來表徵不同參數的性能，因此可以降低工程成本。 由於從矽晶片到天線的路徑更短，因此可以實現更高的效率和更低的功耗。 對於MIMO系統，在小型且經濟高效的封裝解決方案中實現高性能天線是非常具有挑戰性的。現有的解決方案在晶片頂側或底側實現天線元件。輻射信號穿過這種有損耗的模具材料傳播，這降低了效率並導致雜散輻射。而倒裝晶片封裝技術可以將天線放置在無需模具的基板上。此外，天線和矽晶片可支持多層基板上堆疊，從而帶來更緊湊的解決方案。 諸如「歐洲新車評估計劃」之類的監管機構正在解決因丟在車中而導致兒童死亡的問題。汽車製造商和Tier1製造商正在轉向60 GHz毫米波傳感器，以在惡劣的環境條件下準確檢測汽車內的兒童和寵物。 鑑於車輛的內部設計可能非常不同，對於無縫集成，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上。相反，它必須集成在空間有限的位置，例如後視鏡周圍的高架控制臺或支柱中。

圖4 PCB板載天線與晶片集成天線的對比 資料來源：德州儀器 傳感器上的單個貼片式FoV天線非常適合放置在車頂篷甚至車頭下方的正面位置。它啟用了車廂內感測用例，例如檢測和定位汽車，車內空間中的兒童，寵物或乘員。該傳感器在低功率操作模式下，還可以在具有挑戰性的環境條件下檢測入侵者。 開發人員還可以受益於集成的DSP，MCU，雷達硬體加速器和片上存儲器。將RF，數位技術和天線組件集成在單個晶片上可消除許多複雜性，並使設計更簡單，更快捷。 使用60 GHz封裝天線的兒童存在和乘員檢測參考設計通過毫米波雷達捕獲測試結果，以檢測各種座位位置的兒童和成人。傳感器放置在汽車前上方的位置。

圖5這是一個模擬嬰兒在汽車後座呼吸的測試結果。資料來源：德州儀器

圖6該測試檢測到了四名乘員：駕駛員，乘客，一名成人和一名兒童。資料來源：德州儀器

圖7該測試檢測到車輛附近的入侵者。資料來源：德州儀器 堆疊天線技術可幫助雷達傳感器設計人員以較小的工作量和更快的上市時間創建非常小尺寸傳感器，同時還提供系統級的成本優勢。TI的60 GHz AWR6843AOP傳感器通過啟用多種應用程式（例如兒童在場檢測，安全帶提醒，駕駛員生命體徵檢測和手勢控制）來簡化車內感測。 作者: Kishore Ramaiah是德州儀器（TI）毫米波雷達市場經理

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