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影响汽车毫米波雷达传感器性能一致性的思考---之PCB电路材料的考虑

作者:时间:2018-08-06来源:电子产品世界收藏

  在众多中具有全天候工作的独特特点,使其在成为汽车主动安全系统(ADAS)中的关键核心部件。的性能受多个因素的影响,而电路材料就是影响电路性能的关键因素之一。为确保毫米波具有较高的稳定性和性能一致性,就需要考虑电路材料中的诸多关键参数。本文就电路材料中影响汽车稳定性和一致性的多个关键参数进行了讨论,分析了这些参数如何影响的性能,从而更好的选择适合于汽车毫米波雷达的电路材料。

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

  1. ADAS系统中的毫米波雷达

  当前,汽车自动驾驶已成为全球业界的一个热门话题。各大汽车制造商及其供应商、科技巨头公司等纷纷注目并摩拳擦掌进入辅助及自动驾驶汽车市场。各国政府也对自动驾驶汽车陆续出台了相应的法规和标准,以促进其快速健康发展。2017年7月,全新奥迪A8在巴塞罗那的首发,是全球首款具备了L3级自动驾驶功能的量产车型。


  图1、全球汽车出货量的自动化程度趋势

  在自动驾驶汽车的不断发展过程中,汽车的安全性是一切发展的前提,是真正实现汽车自动驾驶的关键。各种需要协同工作来实现车辆对周围环境高精度低延时的监控,而毫米波雷达凭借其可靠的表现(如应对恶劣天气条件)使能汽车先进驾驶辅助系统(ADAS)的各种功能。这些雷达几乎是所有现在正在使用的汽车先进驾驶辅助系统技术的基础。

  汽车雷达主要有短距离和中远距离雷达,它们的工作频率分别是24GHz和77GHz/79GHz。24GHz雷达的探测距离约50m左右,距离相对较短,主要用于盲点监测(BSD),变道辅助(LCA)等。77GHz雷达的的探测距离更长,可达到160m到230m。相比于24GHz,77GHz雷达的频率更高、波长变短、系统带宽更宽,从而提高了距离和速度测量的精度和准确度,主要用于自动紧急制动(AEB)、汽车自适应巡航控制(ACC)和前向防撞预警(FCW)等。77GHz汽车雷达的应用对应于汽车自动化程度的高级阶段,随着自动驾驶汽车的发展,77GHz汽车雷达的需求和应用逐渐呈上升趋势。


  图2、24GHz频段与77GHz频段汽车雷达的趋势

  对于诸如工作在77GHz/79GHz频段的毫米波汽车雷达,由于其信号的波长很短,其电路性能和一致性非常容易受到多方面因素的影响。如何考虑和减小这些因素带来的影响,确保雷达的性能具有较好的一致性就变得非常重要。对雷达的PCB电路来讲,就需要理解并考虑PCB电路材料的诸多参数以及PCB加工等带来的对一致性的影响,从而更好的进行电路材料的选择和电路设计。

  2. 电路材料的考虑

  汽车雷达在毫米波频段的应用,对于电路设计工程师来说,如何选择正确的PCB材料是设计电路一开始就要面临的挑战。毫米波频段下由于其波长较小,电路极易容易发生色散和产生高次模,因此通常考虑选择较薄的PCB电路材料;而电路材料的介电常数和损耗随频率的增加也变化非常明显,因此需要选择在高频时具有稳定介电常数和具有极低损耗的电路材料。而介电常数值的值的选择不宜较大,较大的介电常数会使设计的导体线宽较窄,不但增加了电路的导体损耗,而且增加了加工难度。


  图3、普通介质材料的Dk/Df随频率的变化特性

  以上的几个考虑因素仅仅是毫米波电路设计的开始,这些因素的考虑可以使电路能够具有较好的性能特性。然而要使成多个相同的电路都具有一致的和稳定的电路性能,还需要考虑材料的其他多个因素。

  2.1 介电常数一致性

  介电常数(Dk)是电路材料最重要的参数之一,也是电路设计者的一个设计出发点。在汽车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,影响交通中对其他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。

  介电常数(Dk)通常可以分为材料介质的Dk和实际电路所呈现的介电常数。通常我们把材料介质的介电常数称为过程Dk,而实际电路所呈现的介电常数称之为设计Dk。选择过程Dk容差控制较小的电路材料有利于减小系统性能的差异和变化。然而,对于系统的性能一致性,电路所呈现的总的介电常数(设计Dk)更应该值得考虑。

  2.2 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。同时,不同厚度的材料,即使选用相同铜箔,越薄的材料上铜箔表面粗糙度对电路介电常数的影响越大,而越厚的材料其影响越小。图4就显示了基于相同铜箔下的RO3003TM材料,不同材料厚度所呈现出的不同的电路介电常数(设计Dk)值。


  图4、相同铜箔材料不同厚度的电路介电常数(设计Dk)

  大多数的PCB基材都会压合几种不同形式的铜箔,如标准电解铜(Electro Deposited copper),反转铜(Reverse Treated copper)或压延铜(Rolled copper)。标准ED铜是通过电解的方式,在钛鼓上逐渐电解沉积成不同厚度的铜箔,通常与钛鼓接触面较为光滑,而电解液面较为粗糙。RT铜箔也属于电解铜,只是将与钛鼓面相接触铜箔表面经过处理后与基材压合形成。压延铜箔是通过辊轧机碾压铜块而得,连续的辊轴碾压可以得到厚度一致性很好且表面光滑的铜箔。

  由于现实的铜箔生产工艺,铜箔的表面粗糙度值不可能固定不变的,铜箔表面形态总是以不同的高低起伏展现,如图5所示。因此对于任何铜箔类型,铜箔的粗糙度都存在一定的变化范围。对于射频微波应用,Rq或者RMS(均方根)值通常被认为较合理的铜箔粗糙度表征方式。罗杰斯公司的RO3003TM材料是被广泛应用于77GHz汽车毫米波雷达的电路材料,对于RO3003TM材料的ED铜箔,其典型的铜箔表面粗糙度的RMS值是 2.0um,铜箔粗糙度变化的典型值约为0.25um。越光滑的铜箔其粗糙度变化的值也就越小。


  图5、铜箔表面形态图及不同铜箔粗糙度容差


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