影響汽車毫米波雷達傳感器性能一致性的思考---之PCB電路材料的考慮

2020-12-08 電子產品世界

　　毫米波雷達傳感器在眾多傳感器中具有全天候工作的獨特特點，使其在成為汽車主動安全系統(ADAS)中的關鍵核心部件。毫米波雷達傳感器的性能受多個因素的影響，而PCB電路材料就是影響傳感器電路性能的關鍵因素之一。為確保毫米波傳感器具有較高的穩定性和性能一致性，就需要考慮PCB電路材料中的諸多關鍵參數。本文就PCB電路材料中影響汽車毫米波雷達傳感器穩定性和一致性的多個關鍵參數進行了討論，分析了這些參數如何影響傳感器的性能，從而更好的選擇適合於汽車毫米波雷達的電路材料。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201808/390101.htm

　　1. ADAS系統中的毫米波雷達

　　當前，汽車自動駕駛已成為全球業界的一個熱門話題。各大汽車製造商及其供應商、科技巨頭公司等紛紛注目並摩拳擦掌進入輔助及自動駕駛汽車市場。各國政府也對自動駕駛汽車陸續出臺了相應的法規和標準，以促進其快速健康發展。2017年7月，全新奧迪A8在巴塞隆納的首發，是全球首款具備了L3級自動駕駛功能的量產車型。


　　圖1、全球汽車出貨量的自動化程度趨勢

　　在自動駕駛汽車的不斷發展過程中，汽車的安全性是一切發展的前提，是真正實現汽車自動駕駛的關鍵。各種傳感器需要協同工作來實現車輛對周圍環境高精度低延時的監控，而毫米波雷達憑藉其可靠的表現(如應對惡劣天氣條件)使能汽車先進駕駛輔助系統(ADAS)的各種功能。這些雷達傳感器幾乎是所有現在正在使用的汽車先進駕駛輔助系統技術的基礎。

　　汽車雷達傳感器主要有短距離和中遠距離雷達傳感器，它們的工作頻率分別是24GHz和77GHz/79GHz。24GHz雷達傳感器的探測距離約50m左右，距離相對較短，主要用於盲點監測(BSD)，變道輔助(LCA)等。77GHz雷達傳感器的的探測距離更長，可達到160m到230m。相比於24GHz，77GHz雷達傳感器的頻率更高、波長變短、系統帶寬更寬，從而提高了距離和速度測量的精度和準確度，主要用於自動緊急制動(AEB)、汽車自適應巡航控制(ACC)和前向防撞預警(FCW)等。77GHz汽車雷達的應用對應於汽車自動化程度的高級階段，隨著自動駕駛汽車的發展，77GHz汽車雷達傳感器的需求和應用逐漸呈上升趨勢。


　　圖2、24GHz頻段與77GHz頻段汽車雷達傳感器的趨勢

　　對於諸如工作在77GHz/79GHz頻段的毫米波汽車雷達傳感器，由於其信號的波長很短，其電路性能和一致性非常容易受到多方面因素的影響。如何考慮和減小這些因素帶來的影響，確保雷達傳感器的性能具有較好的一致性就變得非常重要。對雷達傳感器的PCB電路來講，就需要理解並考慮PCB電路材料的諸多參數以及PCB加工等帶來的對一致性的影響，從而更好的進行電路材料的選擇和電路設計。

　　2. 電路材料的考慮

　　汽車雷達傳感器在毫米波頻段的應用，對於電路設計工程師來說，如何選擇正確的PCB材料是設計電路一開始就要面臨的挑戰。毫米波頻段下由於其波長較小，電路極易容易發生色散和產生高次模，因此通常考慮選擇較薄的PCB電路材料;而電路材料的介電常數和損耗隨頻率的增加也變化非常明顯，因此需要選擇在高頻時具有穩定介電常數和具有極低損耗的電路材料。而介電常數值的值的選擇不宜較大，較大的介電常數會使設計的導體線寬較窄，不但增加了電路的導體損耗，而且增加了加工難度。


　　圖3、普通介質材料的Dk/Df隨頻率的變化特性

　　以上的幾個考慮因素僅僅是毫米波電路設計的開始，這些因素的考慮可以使電路能夠具有較好的性能特性。然而要使成多個相同的電路都具有一致的和穩定的電路性能，還需要考慮材料的其他多個因素。

　　2.1 介電常數一致性

　　介電常數(Dk)是電路材料最重要的參數之一，也是電路設計者的一個設計出發點。在汽車雷達的陣列天線設計中，包括不同類型傳輸線的電路結構尺寸、不同傳輸線的相位差或時延，以及實現各單元天線間距控制等都是由材料的介電常數確定的。同一板內的介電常數的變化會導致汽車雷達特別是毫米波汽車雷達的收發之間存在某一相位差，影響交通中對其他車輛或速度的檢測精度，造成對其定位產生偏差。同時，材料不同批次的介電常數的變化更會引起不同毫米波雷達系統存在差異，影響系統的一致性。

　　介電常數(Dk)通常可以分為材料介質的Dk和實際電路所呈現的介電常數。通常我們把材料介質的介電常數稱為過程Dk，而實際電路所呈現的介電常數稱之為設計Dk。選擇過程Dk容差控制較小的電路材料有利於減小系統性能的差異和變化。然而，對於系統的性能一致性，電路所呈現的總的介電常數(設計Dk)更應該值得考慮。

　　2.2 銅箔粗糙度

　　眾所周知，材料所使用銅箔的表面粗糙度對會對電路的介電常數產生影響。由於銅箔表面粗糙度的存在，使得電磁波在電路中的傳播速度變慢，相對於非常光滑的銅箔表面，其形成了慢波效應，從而使得電路所呈現的介電常數增加。越粗糙的銅箔表面使電路所呈現出的介電常數越大，而越光滑的銅箔表面的電路介電常數越小。同時，不同厚度的材料，即使選用相同銅箔，越薄的材料上銅箔表面粗糙度對電路介電常數的影響越大，而越厚的材料其影響越小。圖4就顯示了基於相同銅箔下的RO3003TM材料，不同材料厚度所呈現出的不同的電路介電常數(設計Dk)值。


　　圖4、相同銅箔材料不同厚度的電路介電常數(設計Dk)

　　大多數的PCB基材都會壓合幾種不同形式的銅箔，如標準電解銅(Electro Deposited copper)，反轉銅(Reverse Treated copper)或壓延銅(Rolled copper)。標準ED銅是通過電解的方式，在鈦鼓上逐漸電解沉積成不同厚度的銅箔，通常與鈦鼓接觸面較為光滑，而電解液面較為粗糙。RT銅箔也屬於電解銅，只是將與鈦鼓面相接觸銅箔表面經過處理後與基材壓合形成。壓延銅箔是通過輥軋機碾壓銅塊而得，連續的輥軸碾壓可以得到厚度一致性很好且表面光滑的銅箔。

　　由於現實的銅箔生產工藝，銅箔的表面粗糙度值不可能固定不變的，銅箔表面形態總是以不同的高低起伏展現，如圖5所示。因此對於任何銅箔類型，銅箔的粗糙度都存在一定的變化範圍。對於射頻微波應用，Rq或者RMS(均方根)值通常被認為較合理的銅箔粗糙度表徵方式。羅傑斯公司的RO3003TM材料是被廣泛應用於77GHz汽車毫米波雷達的電路材料，對於RO3003TM材料的ED銅箔，其典型的銅箔表面粗糙度的RMS值是 2.0um，銅箔粗糙度變化的典型值約為0.25um。越光滑的銅箔其粗糙度變化的值也就越小。


　　圖5、銅箔表面形態圖及不同銅箔粗糙度容差

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