除了輔助汽車(chē)的駕駛和行駛安全外，汽車(chē)毫米波雷達的應用也擴展到了在泊車(chē)或開(kāi)啟車(chē)門(mén)時(shí)的障礙物檢測的應用，減少泊車(chē)或開(kāi)車(chē)門(mén)時(shí)車(chē)門(mén)的碰撞損害。

 

各種其他應用增加了毫米波雷達應用的多樣性，積極擴展了毫米波雷達應用新場(chǎng)景。如駕駛員生命體征監測雷達傳感器，可實(shí)現非接觸式監測駕駛員生命體征，例如心率和呼吸頻率，從而感知駕駛員的疲勞狀態(tài)達到安全駕駛的目的。乘客成員監測雷達傳感器同樣以非接觸方式的實(shí)現對車(chē)內乘員（成人、兒童、寵物）的可靠檢測，避免出行過(guò)程中意外滯留事件的發(fā)生，為消費者提供安全出行保障。

 

設計趨勢

 

汽車(chē)毫米波雷達的工作頻率主要有24GHz頻段和77GHz頻段。24GHz頻段主要用于短距雷達，探測距離約50m左右，可以用于盲點(diǎn)檢測等系統。但由于其寬帶窄的原因，大大限制了雷達的分辨率和性能。

 

相對來(lái)說(shuō)，77GHz雷達具有廣闊的前景，其巨大優(yōu)勢是高精度、高分辨率以及從短距離到長(cháng)距離的出色可量測性。77GHz雷達的兩個(gè)頻段76-77GHz和77-81GHz，帶寬分別是1GHz和4GHz，巨大的帶寬優(yōu)勢顯著(zhù)提高了分辨率和精度。另一方面，77GHz雷達由于頻率高，波長(cháng)短，使設計的雷達收發(fā)器或天線(xiàn)等組件較小，從而減小了雷達的外形尺寸，易于在車(chē)身中安裝和隱藏。77GHz頻段在全球監管和行業(yè)采用情況方面都獲得了顯著(zhù)的吸引力。

 

77GHz毫米波雷達的應用對應于汽車(chē)自動(dòng)化程度的高級階段，隨著(zhù)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的發(fā)展和ADAS裝機率的提高，大多數24 GHz汽車(chē)雷達傳感器都會(huì )轉向77 GHz頻段，其需求和應用逐漸呈上升趨勢。

 

圖2 不同頻段雷達傳感器市場(chǎng)趨勢

 

77GHz毫米波雷達系統模塊基于FMCW雷達的設計方案，大多采用如TI、Infineon或NXP等的完整的單芯片解決方案，片內集成了射頻前端、信號處理單元和控制單元，提供多個(gè)信號發(fā)射和接收通道。雷達模塊的PCB板設計依據客戶(hù)在天線(xiàn)設計的不同而有所不同，但主要有這幾種方式。

 

第一種以超低損耗的PCB材料作為最上層天線(xiàn)設計的載板，天線(xiàn)設計通常采用微帶貼片天線(xiàn)，疊層的第二層作為天線(xiàn)和其饋線(xiàn)的地層。疊層的其他PCB材料均采用FR-4的材料。這種設計相對簡(jiǎn)單，加工容易，成本低。但由于超低損耗PCB材料的厚度較?。ㄍǔ?.127mm），需要關(guān)注銅箔粗糙度對損耗和一致性的影響。同時(shí)，微帶貼片天線(xiàn)較窄的饋線(xiàn)需要關(guān)注加工的線(xiàn)寬精度控制。

 

第二種設計方法用介質(zhì)集成波導（SIW）電路進(jìn)行雷達的天線(xiàn)設計，雷達天線(xiàn)不再是微帶貼片天線(xiàn)。除天線(xiàn)外，其他PCB疊層仍和第一種方式一樣采用FR-4的材料作為雷達控制和電源層。這種SIW的天線(xiàn)設計所采用的PCB材料仍選用超低損耗的PCB材料，降低損耗增大天線(xiàn)輻射。材料的厚度選擇通常較厚PCB增大帶寬，也可以減小銅箔粗糙度帶來(lái)的影響，且不存在加工較窄線(xiàn)寬時(shí)的其他問(wèn)題。但需要考慮SIW的過(guò)孔加工和位置精度問(wèn)題。

 

第三種設計方法是超低損耗材料設計多層板的疊層結構。依據不同的需求，可能其中幾層使用超低損耗材料，也有可能全部疊層均使用超低損耗材料。這種設計方式大大增加了電路設計的靈活性，可以增大集成度，進(jìn)一步減小雷達模塊的尺寸。但缺點(diǎn)是相對成本較高，加工過(guò)程相對復雜。

 

圖3 雷達傳感器的不同PCB設計

 

材料考慮

 

對于毫米波雷達傳感器的不同PCB設計，有一個(gè)共同的特點(diǎn)就是都需要使用超低損耗的PCB材料，從而降低電路損耗，增大天線(xiàn)的輻射。PCB材料是雷達傳感器設計的關(guān)鍵器件。選擇合適的PCB材料可確保毫米波雷達傳感器具有較高的穩定性和性能一致性。

 

圖4 汽車(chē)雷達傳感器的微帶天線(xiàn)

 

適用于77GHz毫米波雷達的PCB材料性能需要從這幾個(gè)方面考慮：

 

首先是材料的電氣特性，這是設計雷達傳感器和選擇PCB材料的首要因素。選擇具有穩定介電常數和超低損耗的PCB材料對于77GHz毫米波雷達的性能至關(guān)重要。穩定的介電常數和損耗可以使收發(fā)天線(xiàn)獲得準確的相位，從而提高天線(xiàn)增益和掃描角度或范圍，提高雷達探測和定位精度。PCB的介電常數和損耗性的穩定性不僅要確保不同批次材料的穩定性，也需要確保同一板內的變化小，具有非常好的穩定性。

 

PCB材料所使用銅箔的表面粗糙度對會(huì )對電路的介電常數和損耗產(chǎn)生影響，越薄的材料上銅箔表面粗糙度對電路的影響越大。越粗糙的銅箔類(lèi)型其自身粗糙度變化也就越大，也會(huì )造成的了介電常數和損耗的較大變化，影響電路的相位特性。

 

其次需要考慮材料的可靠性。材料的可靠性不僅指材料在PCB加工中的疊合、受加工過(guò)程影響、過(guò)孔、銅箔結合力等方面具有高可靠性，還包括材料的長(cháng)期可靠性。PCB材料的電氣性能是否隨著(zhù)時(shí)間的增加仍能保持穩定，是否能夠在不同的工作環(huán)境如不同溫度或濕度下仍能保持穩定，這對于汽車(chē)雷達傳感器的可靠性以及汽車(chē)ADAS系統應用的重要性不言而喻。

 

總的來(lái)說(shuō)，對于77GHz雷達傳感器的天線(xiàn)設計，需要考慮選擇具有穩定介電常數、具有超低損耗的材料，選擇更光滑的銅箔可進(jìn)一步降低電路損耗和減小介電常數容差變化；同時(shí)，材料要具有隨時(shí)間、溫度，濕度等外界工作環(huán)境而仍具有可靠的電氣性能和機械特性等特性。

 

材料選擇

 

羅杰斯公司從汽車(chē)毫米波雷達發(fā)展的早期就保持和全球頂尖雷達模塊的廠(chǎng)商合作，推出的不含玻璃布的RO3003TM材料其性能經(jīng)過(guò)各方面嚴酷的驗證，并能滿(mǎn)足在77GHz雷達傳感器的需求。RO3003TM廣泛用于77GHz毫米波雷達RO3003TM具有非常穩定的介電常數，超低的損耗特性（常規測試10GHz下的損耗因子0.001）；同時(shí)不含有玻璃布的結構進(jìn)一步減小了在毫米波頻段下帶來(lái)局部的介電常數的變化，消除信號的玻璃纖維效應，進(jìn)一步增加了雷達傳感器的相位穩定性。RO3003TM也具有超低吸水率特性（0.04% @D48/50）、極低介電常數隨溫度變化（TCDk）穩定性（-3ppm/°C），這些特性也確保了基于RO3003TM的毫米波雷達傳感器隨時(shí)間、溫度和環(huán)境變化仍能保持出色的性能。產(chǎn)品提供的多種銅箔類(lèi)型選擇和低銅厚選擇也有助于提高加工精度和產(chǎn)品良率，使雷達傳感器達到更加優(yōu)異的性能。

 

隨著(zhù)79GHz頻段（77-81GHz）雷達傳感器的發(fā)展，其具有更寬的信號帶寬，可進(jìn)一步提高雷達傳感器的分辨率，增大掃描角度，甚至實(shí)現4D成像。羅杰斯公司在基于RO3003TM材料的基礎上，研發(fā)并推出了RO3003G2TM材料以匹配雷達傳感器對PCB材料性能的更高要求。相比于RO3003TM材料，RO3003G2TM在材料系統中優(yōu)化了特殊的填料系統，減小填料顆粒，提高材料系統均一性，進(jìn)一步減小整板及批次性之間的介電常數容差；更小和均一的填料系統也使得在PCB加工過(guò)程中可以實(shí)現更小的過(guò)孔設計；RO3003G2TM材料選擇更為光滑的銅箔，降低了電路中的插入損耗，其性能非常接近RO3003TM的壓延銅插入損耗性能。 

 

圖5 RO3003G2TM與RO3003TM材料的比較

 

此外，羅杰斯公司的CLTE-MWTM以及RO4830TM材料還可以滿(mǎn)足客戶(hù)在77GHz雷達傳感器設計的不同需求。CLTE-MWTM是基于PTFE樹(shù)脂體系的材料，具有非常小的損耗因子特性（Df [email protected] ），采用了特殊的低損耗開(kāi)纖玻璃布增強，與均勻的填料一起，提供了出色尺寸穩定性，使玻纖效應影響降到最低。有從3mil到10mil的多種厚度選擇，使CLTE-MWTM材料非常適合用于77GHz雷達傳感器射頻多層板應用。 

 

圖6 不同材料的損耗特性

 

RO4830TM是基于羅杰斯RO4000系列材料體系專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)，介電常數與77GHz雷達傳感器最常用的低介電常數（Dk）相匹配。同時(shí)，具有極低的插入損耗特性和與RO4000®系列產(chǎn)品相同的易加工性等特點(diǎn)，選用特殊的低損耗開(kāi)纖玻璃布也提高了材料在毫米波頻段的性能一致性，使天線(xiàn)可以獲得更一致的相位特性和更高的天線(xiàn)增益。RO4830TM的成本低、高性?xún)r(jià)比是77GHz/79GHz雷達傳感器設計中的高性?xún)r(jià)比材料的首要選擇。

 

圖7 RO4830的開(kāi)纖玻璃布

 

總結

 

77GHz毫米波雷達傳感器的獨特優(yōu)勢使其成為自動(dòng)駕駛汽車(chē)不可缺少的部件。更寬帶寬，更高分辨率的77GHz/79GHz雷達傳感器逐漸成為主流，正對于各種不同的雷達傳感器設計方案，PCB電路材料的特性都很多程度上決定著(zhù)雷達傳感器天線(xiàn)的性能。羅杰斯科技作為全球先進(jìn)工程材料的領(lǐng)導者，致力于研發(fā)各種材料滿(mǎn)足客戶(hù)的設計需求。RO3003G2TM/RO3003TM/ CLTE-MWTM/RO4830TM等多種材料解決方案，及時(shí)的為客戶(hù)解決了設計難題。同時(shí)，羅杰斯公司分布在全球的客戶(hù)及技術(shù)支持團隊，能夠確保與客戶(hù)更加緊密的合作，共同解決客戶(hù)在設計、加工及測試中的系列問(wèn)題，加快客戶(hù)設計周期。