77 GHz レーダー用オートモーティブレーダーPCB：ルーティングとシグナルインテグリティ

最近の技術は急速に進化しており、自動車用レーダーは導入後間もなく、主に24 GHz近辺で動作していたものが、77 GHz波長へと移行しました。最近の規制変更により、77 GHzへの移行が可能となり、これには多くの利点があります。短い波長はより広い帯域幅を可能にし、より良い解像度、より小さいデバイスの形状、そしてより長い範囲を提供します。この帯域は偶然にも二原子酸素の2つの吸収帯の間に位置しており、24 GHz帯は水の吸収帯と重なっています。

高い周波数の使用は、77 GHz波長レーダーモジュールの設計、シミュレーション、およびテストに一連の課題を生み出します。レーダーモジュール自体の設計に加えて、デバイスレイアウト、より小さい形状への統合、および車両内のより大きなエコシステムへの統合は、完全自動運転車への長い道のりでの設計上の課題です。

長距離対短距離 77 GHz波長レーダー

前回の投稿で説明したように、チャープされたGHzパルスは、レーダーシステムの視野内の複数のターゲットを識別するために使用されます。チャープパルスの使用により、参照オシレータからの信号に対するドップラーシフトとビート周波数を測定することで、複数のターゲットの速度と距離の検出が可能になります。位相配列アンテナ（3 Txおよび4 Rx SFPAs）の使用により、方向性の放射が可能となり、前述の2つの量とともに進入角を決定できます。

自動車用途の77 GHz波長レーダーで使用されるアンテナアレイのジオメトリ

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チャープ長（周波数範囲として測定）は、特定の自動車レーダーシステムの適用可能性の主要な決定要因です。長距離レーダー（LRR）は1 GHzの線形チャープパルス（76〜77 GHz）を使用し、高解像度短距離レーダー（SRR）は最大4 GHzの帯域幅を持つ線形チャープパルス（77〜81 GHz）を使用します。これらのFMCWパルスの周波数拡散は、適切なルーティングとレイアウトスキームで解決できる一部の信号整合性および電力伝送の問題を生じさせる可能性があります。

パルスがチャープされる速度（つまり、チャープ範囲全体をスイープするのに必要な時間の量）は、レーダーパルスの長さを定義します。レーダーパルスを形成する際には、レーザーのモードロッキングに非常に似た技術が使用されて、能動的にパルス長を定義します。異なる周波数成分が送信側で異なる量だけ能動的に遅延されます。

パルス長は、システムの感度と有用な範囲に影響を与える重要な要素の一つです。短いパルスを使用すると、より小さいビート周波数やドップラーシフトを信頼性高く検出できるため、解像度が高くなりますが、これらの短いパルスを増幅することは、増幅器がより広い周波数帯域を持つ必要があるため、より困難です。これは、77 GHz自動車用レーダーモジュールの受信側で特に重要であり、増幅器の短いパルスを適切に増幅する能力の限界が測定結果を歪めます。無人運転車のために決定された測定が誤っている場合、これは重大な事故につながる可能性があります。この特定の問題は、RF回路設計者によって対処される必要があります。基本的なアナログシミュレーション技術を使用することで、この分野で大きく役立つことができます。

77 GHz波長レーダーシステムのルーティング

SRRやLRRモジュールの設計に携わっている場合、考慮すべき重要な点がいくつかあります。これらの点には、ルーティングとグラウンディング戦略、およびモジュールが動作する際の信号整合性を確保するための基本的なレイアウト戦略が含まれます。これらのシステムにおいて、対応するグラウンディング戦略も重要であり、77 GHzレーダーモジュールをより大きなシステムに統合するために、グラウンディング戦略を調整する必要があるかもしれません。

トランシーバーモジュールからアンテナモジュールへのアナログ出力をルーティングする際、トレースの形状が信号整合性に大きな影響を与えます。異なるトレース構成における挿入損失のデータを見ると、伝統的なマイクロストリップトレースは、周波数が約30GHzから約45GHzの間で、接地された共面導波路に比べてはるかに高い損失を始めることがわかります。

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マイクロストリップと接地された共面導波路の挿入損失の比較からRogers Corp.

フォームファクタを小さく保つために、TxとRxのアンテナは通常、同じボード上に配置されます。これは、レーダーパルスを発信する際にTx側がRx側を自己妨害しないようにするために、いくつかの隔離が必要とされる場所です。接地共面導波路は、追加の遮蔽方法を必要とせずに優れた隔離を提供します。接地共面導波路では、電流が中心導体の端に集中する傾向があるため、粗い導体を持つ他の構造体で発生する可能性のある相互変調生成物や高調波を抑制するのに役立ちます。

これらの側面は、車両用の77 GHz波長レーダーシステムのトレースをルーティングするために、接地共面導波路を理想的にします。さらに、他の多くのアプリケーションにも適しています。77 GHzでこれらの導波路を最適化する必要があることに注意してください。これは、ボードの厚さの機能になります（下記参照）。

単一または複数のボード？

一般的に、77 GHz自動車用レーダーのボードは非常に小さく、基板のサイズによっては、接地共面導波路の使用がトランシーバーモジュールの含有を防ぐことができます。トランシーバーがアンテナアレイと同じボード上にある場合、RFグラウンドプレーンはトランシーバーの下を横切り、アンテナの端をわずかに超えるように走るべきです。トランシーバーや他の回路が多くのスペースを取る場合は、それらを独自のボードに配置することができます。

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実際に、いくつかの市販の77 GHz波長レーダーシステムではこれが行われています。アンテナを搭載したボードはセラミックまたは高周波ラミネート（例えば、IsolaやRogersの基板）に配置され、トランシーバーや他の信号調整および処理回路はFR4または類似の基板に配置されます。77 GHz自動車用レーダーシグナルの作動波長は自由空間で約4 mm（FR4内では約1 mm）になるため、異なる層の導電要素間の共振を抑制するためには、層の厚さをできるだけ薄くする必要があります（理想的には、波長の8分の1から4分の1の間）。

この時点で、高周波線をアンテナモジュールにどのように接続するかを考え出す必要があります。インターコネクトの長さはできるだけ短くする必要がありますが、これらの周波数ではインターコネクトは伝送線として振る舞います。これには、インターコネクトの両端に適切な終端を施し、少なくとも1つのリターンパスを導体を通してルーティングして、高周波信号のリターンパスを提供する必要があります。

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