Radar a 77 GHz per PCB Radar Automobilistici: Routing e Integrità del Segnale

La tecnologia avanza rapidamente al giorno d'oggi, e il radar automobilistico è passato da operare principalmente vicino a una lunghezza d'onda di 24 GHz a una di 77 GHz poco dopo la sua introduzione nei nuovi veicoli per la rilevazione di oggetti. Recenti cambiamenti nella regolamentazione hanno permesso la transizione a 77 GHz, che offre una serie di vantaggi. Lunghezze d'onda più corte facilitano bande di frequenza più ampie e forniscono una migliore risoluzione, fattori di forma dei dispositivi più piccoli e una maggiore portata. Questa banda si trova proprio tra due bande di assorbimento per l'ossigeno diatomico, mentre la banda di 24 GHz si sovrappone con una banda di assorbimento nell'acqua.

L'uso di frequenze più alte crea una gamma di sfide di progettazione, simulazione e test per i moduli radar a lunghezza d'onda di 77 GHz. Oltre alla progettazione dei moduli radar stessi, la disposizione dei dispositivi, l'integrazione in fattori di forma più piccoli e l'integrazione nell'ecosistema più ampio all'interno di un veicolo rappresentano tutte sfide di progettazione sulla lunga strada verso veicoli completamente autonomi.

Radar a lunghezza d'onda di 77 GHz a lungo raggio vs. a corto raggio

Come abbiamo descritto in un post precedente, gli impulsi GHz modulati sono utilizzati per discriminare tra più bersagli all'interno del campo visivo di un sistema radar. L'uso di impulsi modulati fornisce la rilevazione di velocità e distanza di più bersagli misurando lo spostamento Doppler e la frequenza di battimento rispetto a un segnale da un oscillatore di riferimento. L'uso di un'antenna a schiera di fase (3 Tx e 4 Rx SFPAs) permette un'emissione direzionale, consentendo di determinare l'angolo di avvicinamento insieme alle due quantità sopra menzionate.

Geometria dell'array di antenne utilizzata nel radar a lunghezza d'onda di 77 GHz per applicazioni automobilistiche

La lunghezza del chirp (misurata come intervallo di frequenza) è il principale determinante dell'applicabilità di un dato sistema radar automobilistico. Il radar a lungo raggio (LRR) utilizza impulsi chirpati lineari da 1 GHz (da 76 a 77 GHz), mentre il radar a corto raggio ad alta risoluzione (SRR) ha una larghezza di banda fino a 4 GHz con impulsi chirpati lineari (da 77 a 81 GHz). La diffusione di frequenza in questi impulsi FMCW ha il potenziale per creare alcuni problemi di integrità del segnale e di trasferimento di potenza che possono essere risolti con il giusto schema di routing e layout.

Il tasso al quale l'impulso viene modulato in frequenza (cioè, il tempo necessario per coprire l'intera gamma di modulazione) definisce la lunghezza dell'impulso radar. Nella formazione di un impulso radar, viene utilizzata una tecnica molto simile al bloccaggio di modo nei laser per definire attivamente la lunghezza dell'impulso. Componenti di frequenza differenti sono ritardati attivamente di quantità diverse sul lato del trasmettitore.

La lunghezza dell'impulso è un fattore importante che influisce sulla sensibilità e sul raggio utile di un sistema. L'uso di impulsi più corti fornisce una risoluzione più alta poiché frequenze di battimento e spostamenti Doppler più piccoli possono essere rilevati in modo affidabile, ma questi impulsi più corti sono più difficili da amplificare poiché l'amplificatore deve avere una larghezza di banda di frequenza più ampia. Questo è particolarmente importante sul lato ricevitore di un modulo radar automobilistico a 77 GHz poiché la capacità limitata di un amplificatore di amplificare correttamente un impulso più corto distorce i risultati delle misurazioni. Se la misurazione determinata per un veicolo senza conducente è incorretta, ciò potrebbe risultare in un grave incidente. Questo problema specifico deve essere affrontato dai progettisti di circuiti RF; lavorare con alcune tecniche di simulazione analogica di base può aiutare significativamente in questo ambito.

Routing nei Sistemi Radar a Onda di 77 GHz

Se sei nel settore della progettazione di moduli SRR o LRR, ci sono diversi punti importanti da considerare. Questi punti includono una strategia di routing e messa a terra, così come una strategia di layout di base per garantire l'integrità del segnale mentre il modulo è in funzione. La corrispondente strategia di messa a terra è altrettanto importante in questi sistemi, e la strategia di messa a terra potrebbe dover essere aggiustata per accomodare l'integrazione di un modulo radar a 77 GHz in un sistema più grande.

La geometria delle tracce avrà un effetto maggiore sull'integrità del segnale mentre instradi l'uscita analogica dal modulo trasmettitore al tuo modulo antenna. Se guardi i dati sulla perdita di inserzione in diverse configurazioni di tracce, troverai che le tracce microstrip tradizionali iniziano ad avere perdite molto più elevate rispetto alle guide d'onda coplanari messe a terra a frequenze comprese tra ~30 e ~45 GHz. 

Confronto tra la perdita di inserzione in microstrips e guida d'onda coplanare messa a terra da Rogers Corp.

Per mantenere piccoli i fattori di forma, le antenne Tx e Rx sono normalmente posizionate sulla stessa scheda. È qui che è necessario un certo isolamento per garantire che il lato Tx non interferisca con il lato Rx mentre emette un impulso radar. Le guide d'onda coplanari messe a terra offrono un eccellente isolamento senza richiedere metodi di schermatura aggiuntivi. Poiché la corrente tende ad essere confinata ai bordi del conduttore centrale in una guida d'onda coplanare messa a terra, ciò aiuta a sopprimere i prodotti di intermodulazione e le armoniche che possono sorgere in altre strutture con conduttori ruvidi.

Questi aspetti rendono la guida d'onda coplanare messa a terra ideale per instradare le tracce nei sistemi radar a 77 GHz per veicoli, oltre a molte altre applicazioni. Nota che dovrai ottimizzare queste guide d'onda per funzionare a 77 GHz, il che sarà una funzione dello spessore della tua scheda (vedi sotto).

Singola o Più Schede?

In generale, le schede per radar automobilistici a 77 GHz sono molto piccole e l'uso di guide d'onda coplanari messe a terra può impedire l'inclusione di un modulo trasmettitore-ricevitore sulla scheda, a seconda delle sue dimensioni. Se il trasmettitore-ricevitore si trova sulla stessa scheda dell'array di antenne, il piano di massa RF dovrebbe estendersi sotto il trasmettitore-ricevitore e proseguire appena oltre il bordo delle tue antenne. Se il trasmettitore-ricevitore e altri circuiti occupano troppo spazio, allora possono essere collocati sulla loro propria scheda.

Questo viene effettivamente realizzato in alcuni sistemi radar a lunghezza d'onda di 77 GHz disponibili commercialmente. La scheda con le antenne viene posizionata su un ceramico o laminato ad alta frequenza (ad esempio, substrati Isola o Rogers), mentre il trasmettitore-ricevitore e altri circuiti di condizionamento e elaborazione del segnale sono collocati su substrato FR4 o simile. Poiché la lunghezza d'onda operativa per il segnale radar automobilistico a 77 GHz sarà solo di circa 4 mm nello spazio libero (~1 mm in FR4), lo spessore dei tuoi strati dovrebbe essere il più sottile possibile (idealmente, tra un ottavo e un quarto della lunghezza d'onda) al fine di sopprimere la risonanza tra elementi conduttivi in strati diversi.

A questo punto, dovrai capire il modo migliore per collegare una linea ad alta frequenza al modulo antenna. La lunghezza del tuo collegamento deve essere il più breve possibile, sebbene a queste frequenze i tuoi collegamenti si comporteranno come linee di trasmissione. Ciò richiede un'adeguata terminazione ad ogni estremità del collegamento, e almeno un percorso di ritorno dovrebbe essere instradato attraverso il conduttore per fornire un percorso di ritorno per i segnali ad alta frequenza.

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