如何選擇自動駕駛的毫米波雷達系統(tǒng)的設(shè)計材料？

將來某一天，自動駕駛車輛將可能比現(xiàn)在駕駛員駕駛的機動車輛更加安全。但在駕駛員開始放開方向盤之前，一些電子功能部件必須成為商用車輛的標(biāo)準(zhǔn)配置，包括毫米波雷達系統(tǒng)，攝像頭和（或）激光雷達。與公路相比，雷達似乎與戰(zhàn)場更容易聯(lián)系在一起。但其正穩(wěn)步成為一種非常可靠的傳感器技術(shù)，作為現(xiàn)代汽車中先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）技術(shù)的一部分為現(xiàn)代商用車輛提供電子安全功能。毫米波雷達系統(tǒng)是汽車工業(yè)中的一項成熟技術(shù)，作為第一個主動安全功能的制動輔助系統(tǒng)，自1996年以來一直由梅賽德斯 - 奔馳公司使用，現(xiàn)在通常用于現(xiàn)代ADAS系統(tǒng)中的盲點檢測和防碰撞保護。

毫米波雷達有助于自動駕駛汽車成為可能，但它們需要多個要素相結(jié)合，包括能為頻率在77 GHz以上的電子設(shè)備和電路提供穩(wěn)定性能的電路材料。例如，在ADAS應(yīng)用中，電路材料要求能夠支持在24,77（或79）GHz的微波和毫米波信號的傳輸線設(shè)計，實現(xiàn)損耗最小，同時在寬工作溫度范圍內(nèi)提供一致的可重復(fù)性能。幸運的是，羅杰斯公司可提供這種電路材料，其具有從微波到高頻毫米波頻段的ADAS應(yīng)用所需的一致性能。

作為車輛ADAS系統(tǒng)電子感知保護的一部分，車載雷達系統(tǒng)會與其他一些技術(shù)一起使用（圖1）。雷達系統(tǒng)以無線電波的形式發(fā)送電磁（EM）信號，并接收來自目標(biāo)（如另一輛車）的無線電波的反射信號，其通常為多個目標(biāo)。雷達系統(tǒng)可以從這些接收到的反射信號中提取相應(yīng)目標(biāo)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(fā)射機)到目標(biāo)，然后返回到雷達能量源的時間。在車載雷達系統(tǒng)中,雷達信號的發(fā)生和接收就是PCB天線。R的值可以通過簡單的數(shù)學(xué)公式求得，即光速與從雷達信號源到目標(biāo)并返回到雷達源的往返傳輸時間的乘積除以2：R =cτ/ 2 。

圖1：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(tǒng)。

當(dāng)多個雷達目標(biāo)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(qū)分被探測到的物體?？梢岳幂^短的雷達脈沖探測目標(biāo)，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(biāo)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(diào)制可以提高其功率水平。為此，基于調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）信號（也稱為“線性調(diào)頻”信號）的雷達通常用于車輛雷達系統(tǒng)。

對目標(biāo)速度的估計可以通過多普勒效應(yīng)來實現(xiàn)，多普勒效應(yīng)是指根據(jù)目標(biāo)相對于雷達發(fā)射機/接收機的運動而從雷達獲得的目標(biāo)反射的信號頻率的變化。多普勒頻移與波長成反比：根據(jù)雷達目標(biāo)是接近還是遠(yuǎn)離雷達源，分別為取正或負(fù)值。

FMCW或線性調(diào)頻雷達系統(tǒng)可以測量多個目標(biāo)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(yīng)用，但該頻段的應(yīng)用正在逐漸減少。在車載安全系統(tǒng)中越來越多地使用1GHz帶寬的窄帶77-GHz雷達系統(tǒng)。 此外，汽車行業(yè)正在研究UWB 79-GHz雷達，以備未來的應(yīng)用。 CW雷達相對簡單，可以檢測目標(biāo)的速度，但不能檢測目標(biāo)的距離。脈沖連續(xù)波雷達還可以使用多個多普勒頻率估計距離。 脈沖持續(xù)時間和脈沖重復(fù)頻率（PRF）是設(shè)計性能可靠的脈沖連續(xù)波雷達系統(tǒng)的兩個關(guān)鍵參數(shù)。

由于脈沖壓縮，F(xiàn)MCW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(guān)。 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(shù)量的函數(shù)。任何雷達系統(tǒng)中的雜波都是由感興趣目標(biāo)以外的物體反射的雷達信號產(chǎn)生的噪聲。在任何雷達系統(tǒng)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(biāo)。

車載電子安全系統(tǒng)利用其他物理參數(shù)（如視覺和光線）向車輛的ADAS域控制器提供可用數(shù)據(jù)，域控制器是執(zhí)行傳感器信息融合以幫助安全引導(dǎo)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(jù)需要提供反向和附加成像。光檢測和測距（LiDAR，激光雷達）系統(tǒng)將紅外（IR）光的脈沖傳輸?shù)侥繕?biāo)（例如另一輛車或停車場內(nèi)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(biāo)之間的距離。利用關(guān)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(xì)節(jié)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(tǒng)的性能和有效性極易會受到環(huán)境條件的嚴(yán)重影響，如雪、雨、霧等。

車載雷達系統(tǒng)可以LiDAR系統(tǒng)的方式進行工作，但是毫米波頻率的雷達其對應(yīng)的波長更小。車載雷達被指定在某些特定的頻率范圍內(nèi)使用，例如在24,77和79GHz。這些頻段已被多個標(biāo)準(zhǔn)組織批準(zhǔn)使用，例如美國的聯(lián)邦通信委員會(FCC,www.fcc.org)和歐洲的歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(ETSI,www.etsi.org)都已批準(zhǔn)其使用。

目前，各種雷達被用作ADAS應(yīng)用的一部分，F(xiàn)MCW信號由于在測量多目標(biāo)的速度、距離和角度方面的有效性而得到了廣泛的應(yīng)用。汽車?yán)走_有時會使用工作于24GHz頻段下的窄帶NB和超寬帶UWB設(shè)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(nèi)。窄帶24 GHz車載雷達系統(tǒng)可提供有效的短距離交通目標(biāo)檢測，并用于盲點檢測等簡單功能。超寬帶車載雷達系統(tǒng)已被應(yīng)用于更高的距離分辨率功能，如自適應(yīng)巡航控制（ACC），前向碰撞警告（FCW）和自動緊急制動系統(tǒng)（AEB）。

然而，隨著全球移動通信應(yīng)用繼續(xù)消耗“較低”頻率（包括24 GHz附件）的頻譜，車載雷達系統(tǒng)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(shù)。根據(jù)各地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)組織ETSI和FCC分別設(shè)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(tǒng)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(shù)來提供引導(dǎo)，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(shù)一度被認(rèn)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(shù)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(wù)”中解放出來。在商用機動車輛中使用高頻電子設(shè)備甚至可能觸發(fā)駕駛員與車輛之間的全新方式。至少，使用毫米波雷達等技術(shù)將改變“駕駛”機動車輛的定義。

這些車載毫米波雷達系統(tǒng)的設(shè)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(fā)射和接收低功率毫瓦級毫米波信號來檢測或“照射”目標(biāo)。車輛的雷達和其他電子系統(tǒng)使用不同的方法來提供關(guān)于機動車周圍環(huán)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(diào)制的CW形式。車載雷達系統(tǒng)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(tǒng)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24,77或79 GHz，PCB天線的性能對于這些車載雷達系統(tǒng)來說至關(guān)重要，它們需要向目標(biāo)發(fā)射并幾乎瞬間接收如目標(biāo)是另一輛車的反射信號。關(guān)鍵的PCB天線性能參數(shù)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(guān)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(fā)電路同時還必須可持續(xù)不間斷地工作（當(dāng)車輛運行時），并能在更具挑戰(zhàn)性的操作環(huán)境——商業(yè)機動車輛——上可靠地運行。

圖2：電路材料的低損耗對于PCB天線獲取高增益和方向性至關(guān)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(dǎo)/警告系統(tǒng)之外，機動車輛也將使用與其他車輛的無線通信來創(chuàng)建對周圍環(huán)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(lián)網(wǎng)”或“V2X”通信系統(tǒng)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(nèi)的多種電子技術(shù)的結(jié)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(shù)據(jù)。

雷達技術(shù)與其他車載電子安全技術(shù)相比，具有以下優(yōu)勢：在各種惡劣天氣條件下，即使在基于聲光的ADAS技術(shù)（包括攝像機）可能嚴(yán)重退化的情況下，它也能有效運行。雷達系統(tǒng)具有能全天候工作的優(yōu)勢，但是用于自動駕駛汽車的雷達系統(tǒng)也需要穩(wěn)定的高性能PCB天線來實現(xiàn)發(fā)送和接收功能。要PCB天線實現(xiàn)角度和高橫向分辨率以及可重復(fù)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(huán)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(huán)境（例如溫度和濕度）的變化條件下仍具有良好的介電常數(shù)（Dk）容差變化。 此外，車載毫米波雷達PCB天線的電路材料還應(yīng)具有光滑的銅箔表面，低損耗因數(shù)（Df）和低吸濕性。

用于這種高頻毫米波PCB天線的電路材料的常用選擇就是來自Rogers Corp.的5-mil RO3003 TM層壓板(圖3)。它具有毫米波電路所需的嚴(yán)格控制的介電常數(shù)(DK)，其10 GHz的DK值為3.00±0.04之內(nèi)。其Dk值隨溫度的變化，即介電常數(shù)溫度系數(shù)(TCDk）很小，僅為-3 ppm /oC(圖4)。 RO3003層壓板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(yīng)產(chǎn)生的不穩(wěn)定和不一致性。

圖3：RO3003?電路層壓板具有汽車高性能毫米波雷達PCB天線所必需的特性。

圖4：RO3003?電路層壓板在不同溫度下的Dk變化幾乎可以忽略不計，TCDk僅為-3 ppm /oC。

羅杰斯公司的RO4000?層壓板已成為24 GHz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(yīng)用中可靠的電路材料。自動駕駛汽車的發(fā)展將會在每一輛車輛中使用許多不同的傳感器系統(tǒng)，作為一種“系統(tǒng)之系統(tǒng)”的形式，協(xié)調(diào)多個雷達系統(tǒng)、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(yù)警。高頻的車載雷達系統(tǒng)，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(yuǎn)程功能、自適應(yīng)巡航控制（ ACC）、前方碰撞警告以及自動緊急制動系統(tǒng)。自動駕駛汽車在移動時的電子檢測和警報系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)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(dāng)然，在這樣高的頻率下產(chǎn)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(huán)境中，羅杰斯公司的RO3000?和RO4000層壓板也可以提供高頻率下穩(wěn)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(huán)境監(jiān)視并根據(jù)不同情況引導(dǎo)車輛，從而取代人類駕駛員對外部環(huán)境的反應(yīng)。

雷達只是未來自動駕駛汽車的電子技術(shù)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(huán)境數(shù)據(jù)，以保障汽車及其乘客的安全(其中一個可能被認(rèn)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(shù)據(jù)整合為可用的信息，并將其轉(zhuǎn)化為安全、舒適的駕駛體驗。

為準(zhǔn)確收集周外環(huán)境如自行車，自行駕駛車輛等所需的數(shù)據(jù)，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(wěn)定的低損耗電路材料，例如羅杰斯公司的RO3000，RO4000和Kappa?438層壓板，其在射頻到毫米波頻率具有電路所需的性能和穩(wěn)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(dǎo)(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(yù)測性，如RO3003?和RO4830?層壓板。高頻電路材料，例如Rogers RO3003層壓板，在不同電路和不斷變化的環(huán)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）。 RO4830熱固性層壓板非常適合對價格敏感的毫米波產(chǎn)品應(yīng)用，它也是傳統(tǒng)PTFE基層壓板的可靠、低成本的替代產(chǎn)品。 RO4830層壓板在77 GHz時的介電常數(shù)為3.2。 LoPro?反轉(zhuǎn)銅箔技術(shù)有助于RO4830層壓板在77GHz時的插入損耗優(yōu)化，其插入損耗值為每英寸2.2dB。

RO3000和RO4000電路材料的出色機械和電氣性能水平可以與RO4400?粘接材料的相結(jié)合，并在79 GHz時表現(xiàn)非常好和一致的低損耗電路特性。 這些關(guān)鍵的電路材料將提供可重復(fù)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(shù)據(jù)，以保證可以車輛的安全行駛。