Radar 77 GHz pour PCBs de radar automobile : Routage et intégrité du signal

La technologie évolue rapidement de nos jours, et le radar automobile est passé d'une opération principalement proche d'une longueur d'onde de 24 GHz à une longueur d'onde de 77 GHz peu de temps après son introduction dans les nouveaux véhicules pour la détection d'objets. Les récentes modifications réglementaires ont permis la transition vers 77 GHz, ce qui offre un certain nombre d'avantages. Les longueurs d'onde plus courtes facilitent des largeurs de bande plus larges, et fournissent une meilleure résolution, des facteurs de forme d'appareil plus petits, et une portée plus longue. Cette bande se trouve justement entre deux bandes d'absorption pour l'oxygène diatomique, tandis que la bande de 24 GHz chevauche une bande d'absorption dans l'eau.

L'utilisation de fréquences plus élevées crée une gamme de défis de conception, de simulation et de test pour les modules radar à longueur d'onde de 77 GHz. En plus de la conception des modules radar eux-mêmes, la disposition des dispositifs, l'intégration dans des facteurs de forme plus petits, et l'intégration dans le plus grand écosystème au sein d'un véhicule représentent tous des défis de conception sur la longue route vers des véhicules entièrement autonomes.

Radar à longueur d'onde de 77 GHz à longue portée vs. à courte portée

Comme nous l'avons décrit dans un article précédent, les impulsions GHz modulées en fréquence sont utilisées pour discriminer entre plusieurs cibles dans le champ de vision d'un système radar. L'utilisation d'impulsions modulées permet la détection de la vitesse et de la distance de plusieurs cibles en mesurant le décalage Doppler et la fréquence de battement par rapport à un signal d'un oscillateur de référence. L'utilisation d'une antenne à réseau phasé (3 Tx et 4 Rx SFPAs) permet une émission directionnelle, permettant de déterminer l'angle d'approche en plus des deux quantités susmentionnées.

Géométrie du réseau d'antennes utilisée dans le radar de longueur d'onde de 77 GHz pour les applications automobiles

La longueur du chirp (mesurée comme une plage de fréquence) est le principal déterminant de l'applicabilité d'un système radar automobile donné. Le radar à longue portée (LRR) utilise des impulsions modulées linéairement de 1 GHz (de 76 à 77 GHz), tandis que le radar à courte portée haute résolution (SRR) dispose d'une bande passante allant jusqu'à 4 GHz avec des impulsions modulées linéairement (de 77 à 81 GHz). L'étalement de fréquence dans ces impulsions FMCW a le potentiel de créer certains problèmes d'intégrité de signal et de transfert de puissance qui peuvent être résolus avec le bon schéma de routage et de disposition.

Le taux auquel l'impulsion est modulée en fréquence (c'est-à-dire, le temps nécessaire pour balayer toute la plage de modulation) définit la longueur de l'impulsion radar. Pour former une impulsion radar, une technique très similaire au verrouillage de mode dans les lasers est utilisée pour définir activement la longueur de l'impulsion. Différents composants de fréquence sont activement retardés par différents montants du côté de l'émetteur.

La longueur de l'impulsion est un facteur important qui affecte la sensibilité et la portée utile d'un système. L'utilisation d'impulsions plus courtes offre une résolution plus élevée car des fréquences de battement plus petites et des décalages Doppler peuvent être détectés de manière fiable, mais ces impulsions plus courtes sont plus difficiles à amplifier car l'amplificateur doit avoir une bande passante de fréquence plus large. Cela est particulièrement important du côté récepteur d'un module radar automobile de 77 GHz car la capacité limitée d'un amplificateur à amplifier correctement une impulsion plus courte fausse les résultats de mesure. Si la mesure déterminée pour un véhicule autonome est incorrecte, cela pourrait entraîner un accident grave. Cette question particulière doit être abordée par les concepteurs de circuits RF ; travailler avec quelques techniques de simulation analogique de base peut aider de manière significative dans ce domaine.

Le routage dans les systèmes radar à longueur d'onde de 77 GHz

Si vous travaillez dans la conception de modules SRR ou LRR, plusieurs points importants doivent être pris en compte. Ces points incluent une stratégie de routage et de mise à la terre, ainsi qu'une stratégie de disposition de base pour assurer l'intégrité du signal lorsque le module fonctionne. La stratégie de mise à la terre correspondante est également importante dans ces systèmes, et il peut être nécessaire d'ajuster cette stratégie pour permettre l'intégration d'un module radar de 77 GHz dans un système plus large.

La géométrie des pistes aura un effet majeur sur l'intégrité du signal lorsque vous routerez la sortie analogique du module émetteur-récepteur vers votre module d'antenne. Si vous regardez les données sur la perte d'insertion dans différentes configurations de pistes, vous constaterez que les pistes microstrip traditionnelles commencent à avoir des pertes beaucoup plus élevées que les guides d'ondes coplanaires avec mise à la terre aux fréquences comprises entre ~30 et ~45 GHz. 

Comparaison entre la perte d'insertion dans les microstrips et le guide d'onde coplanaire avec mise à la terre de Rogers Corp.

Afin de maintenir les facteurs de forme petits, les antennes Tx et Rx sont normalement placées sur le même circuit imprimé. C'est là qu'une certaine isolation est nécessaire pour s'assurer que le côté Tx ne s'auto-brouille pas avec le côté Rx lors de l'émission d'une impulsion radar. Les guides d'ondes coplanaires avec mise à la terre offrent une excellente isolation sans nécessiter de méthodes de blindage supplémentaires. Étant donné que le courant a tendance à être confiné au bord du conducteur central dans un guide d'onde coplanaire avec mise à la terre, cela aide à supprimer les produits d'intermodulation et les harmoniques qui peuvent survenir dans d'autres structures avec des conducteurs rugueux.

Ces aspects rendent le guide d'onde coplanaire avec mise à la terre idéal pour le routage des pistes dans les systèmes radar à longueur d'onde de 77 GHz pour véhicules, en plus de nombreuses autres applications. Notez que vous devrez optimiser ces guides d'ondes pour fonctionner à 77 GHz, ce qui sera une fonction de l'épaisseur de votre circuit imprimé (voir ci-dessous).

Carte unique ou cartes multiples ?

En général, les cartes pour les radars automobiles de 77 GHz sont très petites, et l'utilisation de guides d'ondes coplanaires avec mise à la terre peut empêcher l'inclusion d'un module émetteur-récepteur sur la carte, en fonction de sa taille. Si l'émetteur-récepteur apparaît sur la même carte que le réseau d'antennes, le plan de masse RF devrait s'étendre sous l'émetteur-récepteur et courir juste au-delà du bord de vos antennes. Si l'émetteur-récepteur et les autres circuits occupent trop d'espace, alors ils peuvent être placés sur leur propre carte.

Cela est effectivement réalisé dans certains systèmes radar à longueur d'onde de 77 GHz disponibles commercialement. La carte avec les antennes est placée sur une céramique ou un stratifié haute fréquence (par exemple, substrats Isola ou Rogers), tandis que l'émetteur-récepteur et les autres circuits de conditionnement et de traitement du signal sont placés sur un substrat FR4 ou similaire. Comme la longueur d'onde de fonctionnement pour le signal radar automobile de 77 GHz ne sera que d'environ 4 mm dans l'espace libre (~1 mm dans le FR4), l'épaisseur de vos couches devrait être aussi mince que possible (idéalement, entre un huitième et un quart de longueur d'onde) afin de supprimer la résonance entre les éléments conducteurs dans différentes couches.

À ce stade, vous devrez déterminer la meilleure manière de connecter une ligne à haute fréquence au module d'antenne. La longueur de votre interconnexion doit être la plus courte possible, bien qu'à ces fréquences, vos interconnexions se comporteront comme des lignes de transmission. Cela nécessite une terminaison appropriée à chaque extrémité de l'interconnexion, et au moins un chemin de retour devrait être routé à travers le conducteur pour fournir un chemin de retour pour les signaux à haute fréquence.

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