77 GHz Radar für Automotive Radar-Leiterplatten: Verlegung und Signalintegrität

Zachariah Peterson
|  Erstellt: September 5, 2019  |  Aktualisiert am: September 25, 2020

77 GHz radar system for an autonomous vehicle

Die Technologie entwickelt sich heutzutage schnell, und das Automobilradar hat kurz nach seiner Einführung in neue Fahrzeuge für die Objekterkennung den Betrieb von einer primär bei 24 GHz liegenden Wellenlänge auf 77 GHz umgestellt. Jüngste Regeländerungen haben den Übergang zu 77 GHz ermöglicht, was eine Reihe von Vorteilen bietet. Kürzere Wellenlängen ermöglichen breitere Bandbreiten und bieten eine bessere Auflösung, kleinere Geräteformfaktoren und eine längere Reichweite. Dieses Band liegt zufällig zwischen zwei Absorptionsbändern für zweiatomigen Sauerstoff, während das 24 GHz Band mit einem Absorptionsband im Wasser überlappt.

Die Verwendung höherer Frequenzen schafft eine Reihe von Design-, Simulations- und Testherausforderungen für 77 GHz Wellenlängen-Radarmodule. Neben dem Design der Radarmodule selbst stellen das Layout der Geräte, die Integration in kleinere Formfaktoren und die Integration in das größere Ökosystem innerhalb eines Fahrzeugs allesamt Designherausforderungen auf dem langen Weg zu vollständig autonomen Fahrzeugen dar.

Langstrecken- vs. Kurzstrecken-Radar mit 77 GHz Wellenlänge

Wie wir in einem früheren Beitrag beschrieben haben, werden gechirpte GHz-Impulse verwendet, um zwischen mehreren Zielen innerhalb des Sichtfeldes eines Radarsystems zu unterscheiden. Die Verwendung von gechirpten Impulsen ermöglicht die Geschwindigkeits- und Entfernungserkennung mehrerer Ziele durch Messung der Dopplerverschiebung und der Schlagfrequenz in Bezug auf ein Signal von einem Referenzoszillator. Der Einsatz einer Phased-Array-Antenne (3 Tx und 4 Rx SFPAs) ermöglicht eine richtungsabhängige Emission, wodurch der Anflugwinkel zusammen mit den zwei zuvor genannten Größen bestimmt werden kann.

Antenna array geometry used in 77 GHz radar

Antennenarray-Geometrie, die in 77 GHz Wellenlängenradar für Automobilanwendungen verwendet wird

Die Chirplänge (gemessen als Frequenzbereich) ist der primäre Bestimmungsfaktor für die Anwendbarkeit eines bestimmten Automobilradarsystems. Langstreckenradar (LRR) verwendet 1 GHz linear gechirpte Impulse (76 bis 77 GHz), während hochauflösendes Kurzstreckenradar (SRR) bis zu 4 GHz Bandbreite mit linear gechirpten Impulsen (77 bis 81 GHz) aufweist. Die Frequenzverteilung in diesen FMCW-Impulsen kann einige Probleme mit der Signalintegrität und der Leistungsübertragung verursachen, die mit dem richtigen Routing- und Layoutschema gelöst werden können.

Die Rate, mit der der Puls gechirpt wird (d.h. die benötigte Zeit, um den gesamten Chirp-Bereich zu überstreichen), definiert die Länge des Radarimpulses. Bei der Formung eines Radarimpulses wird eine Technik verwendet, die dem Mode-Locking bei Lasern sehr ähnlich ist, um die Impulslänge aktiv zu definieren. Verschiedene Frequenzkomponenten werden auf der Senderseite aktiv um unterschiedliche Beträge verzögert.

Die Impulslänge ist ein wichtiger Faktor, der die Empfindlichkeit und den nutzbaren Bereich eines Systems beeinflusst. Die Verwendung kürzerer Impulse bietet eine höhere Auflösung, da kleinere Schwebungsfrequenzen und Dopplerverschiebungen zuverlässig erkannt werden können, aber diese kürzeren Impulse sind schwieriger zu verstärken, da der Verstärker eine breitere Frequenzbandbreite haben muss. Dies ist besonders wichtig auf der Empfängerseite eines 77-GHz-Automobilradarmoduls, da die begrenzte Fähigkeit eines Verstärkers, einen kürzeren Impuls ordnungsgemäß zu verstärken, die Messergebnisse verfälscht. Wenn die Messung für ein fahrerloses Fahrzeug falsch ist, könnte dies zu einem schweren Unfall führen. Dieses spezielle Problem muss von HF-Schaltungsentwicklern angegangen werden; die Arbeit mit einigen grundlegenden analoge Simulationstechniken kann in diesem Bereich erheblich helfen.

Routing in 77-GHz-Wellenlängen-Radarsystemen

Wenn Sie im Geschäft sind, SRR- oder LRR-Module zu entwerfen, gibt es eine Reihe wichtiger Punkte zu beachten. Diese Punkte umfassen eine Routing- und Erdungsstrategie sowie eine grundlegende Layoutstrategie, um die Signalintegrität zu gewährleisten, während das Modul arbeitet. Die entsprechende Erdungsstrategie ist ebenfalls wichtig in diesen Systemen, und die Erdungsstrategie muss möglicherweise angepasst werden, um die Integration eines 77-GHz-Radar-Moduls in ein größeres System zu ermöglichen.

Die Geometrie der Leiterbahnen wird einen großen Einfluss auf die Signalintegrität haben, während Sie das analoge Ausgangssignal vom Transceiver-Modul zu Ihrem Antennenmodul leiten. Wenn Sie sich Daten über Einfügungsverluste in verschiedenen Leiterbahnkonfigurationen ansehen, werden Sie feststellen, dass traditionelle Mikrostreifenleitungen bei Frequenzen zwischen ~30 und ~45 GHz viel höhere Verluste beginnen zu haben als geerdete koplanare Wellenleiter. 

Electronic road and autonomous car

Vergleich zwischen Einfügungsverlust in Mikrostreifen und geerdetem koplanarem Wellenleiter von Rogers Corp.

Um kleine Formfaktoren beizubehalten, werden die Tx- und Rx-Antennen normalerweise auf derselben Platine platziert. Hier ist eine gewisse Isolation erforderlich, um sicherzustellen, dass die Tx-Seite die Rx-Seite nicht selbst stört, während ein Radarimpuls ausgesendet wird. Geerdete koplanare Wellenleiter bieten hervorragende Isolation, ohne dass zusätzliche Abschirmmethoden erforderlich sind. Da der Strom dazu neigt, sich am Rand des zentralen Leiters in einem geerdeten koplanaren Wellenleiter zu konzentrieren, hilft dies, Intermodulationsprodukte und Harmonische zu unterdrücken, die in anderen Strukturen mit rauen Leitern entstehen können.

Diese Aspekte machen geerdete koplanare Wellenleiter ideal für das Verlegen von Leiterbahnen in 77-GHz-Wellenlängen-Radarsystemen für Fahrzeuge, zusätzlich zu vielen anderen Anwendungen. Beachten Sie, dass Sie diese Wellenleiter für die Arbeit bei 77 GHz optimieren müssen, was eine Funktion Ihrer Platinendicke sein wird (siehe unten).

Einzelne oder mehrere Platinen?

Im Allgemeinen sind Platinen für 77 GHz Automobilradar sehr klein, und die Verwendung von geerdeten koplanaren Wellenleitern kann die Einbeziehung eines Transceiver-Moduls auf der Platine verhindern, abhängig von dessen Größe. Wenn der Transceiver auf derselben Platine wie das Antennenarray erscheint, sollte die HF-Massefläche unter dem Transceiver verlaufen und gerade über den Rand Ihrer Antennen hinausgehen. Wenn der Transceiver und andere Schaltkreise zu viel Platz beanspruchen, können sie auf ihrer eigenen Platine platziert werden.

Dies wird tatsächlich in einigen kommerziell erhältlichen 77 GHz Wellenlängenradarsystemen gemacht. Die Platine mit den Antennen wird auf einem keramischen oder hochfrequenten Laminat (z.B. Isola oder Rogers Substrate) platziert, während der Transceiver und andere Signalverarbeitungs- und -konditionierungsschaltkreise auf FR4 oder einem ähnlichen Substrat platziert werden. Da die Betriebswellenlänge für das 77 GHz Automobilradarsignal nur etwa 4 mm im freien Raum (~1 mm in FR4) betragen wird, sollte Ihre Schichtdicke so dünn wie möglich sein (idealerweise zwischen einem Achtel und einem Viertel der Wellenlänge), um Resonanzen zwischen leitfähigen Elementen in verschiedenen Schichten zu unterdrücken.

An diesem Punkt müssen Sie herausfinden, wie Sie eine Hochfrequenzleitung am besten mit dem Antennenmodul verbinden. Ihre Verbindungsstrecke muss so kurz wie möglich sein, obwohl sich Ihre Verbindungen bei diesen Frequenzen wie Übertragungsleitungen verhalten werden. Dies erfordert eine ordnungsgemäße Terminierung an jedem Ende der Verbindung, und mindestens ein Rückweg sollte durch den Leiter geführt werden, um einen Rückweg für Hochfrequenzsignale zu bieten.

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Über den Autor / über die Autorin

Über den Autor / über die Autorin

Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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