77 GHz 레이더를 위한 자동차 레이더 PCB: 라우팅 및 신호 무결성

요즘 기술은 빠르게 발전하고 있으며, 자동차 레이더는 주로 24 GHz에서 작동하다가 새로운 차량에 도입된 직후 77 GHz 파장으로 빠르게 전환되었습니다. 최근 규제 변경으로 77 GHz로의 전환을 가능하게 했으며, 이는 여러 가지 이점을 제공합니다. 짧은 파장은 더 넓은 대역폭을 가능하게 하며, 더 좋은 해상도, 더 작은 장치 형태, 그리고 더 긴 범위를 제공합니다. 이 대역은 우연히 이원자 산소의 두 흡수 대역 사이에 위치하는 반면, 24 GHz 대역은 물의 흡수 대역과 겹칩니다.

더 높은 주파수의 사용은 77 GHz 파장 레이더 모듈의 설계, 시뮬레이션, 그리고 테스트에 다양한 도전을 만듭니다. 레이더 모듈 자체의 설계뿐만 아니라, 장치 레이아웃, 더 작은 형태로의 통합, 그리고 차량 내 더 큰 생태계로의 통합은 모두 완전 자율 주행 차량으로 가는 긴 여정에서의 설계 도전 과제입니다.

장거리 대 단거리 77 GHz 파장 레이더

우리가 이전 게시물에서 설명했듯이, 칩드 GHz 펄스는 레이더 시스템의 시야 내 여러 대상을 구별하는 데 사용됩니다. 칩드 펄스의 사용은 참조 발진기로부터의 신호에 대한 도플러 이동과 비트 주파수를 측정함으로써 여러 대상의 속도와 거리 감지를 제공합니다. 위상 배열 안테나 (3 Tx 및 4 Rx SFPAs)의 사용은 방향성 방출을 제공하여, 앞서 언급한 두 양을 결정하는 것과 함께 접근 각도를 결정할 수 있게 합니다.

자동차 응용을 위한 77 GHz 파장 레이더에서 사용되는 안테나 배열 기하학

칩 길이(주파수 범위로 측정됨)는 주어진 자동차 레이더 시스템의 적용 가능성의 주요 결정 요소입니다. 장거리 레이더(LRR)는 1 GHz 선형 칩드 펄스(76에서 77 GHz)를 사용하는 반면, 고해상도 단거리 레이더(SRR)는 선형 칩드 펄스(77에서 81 GHz)로 최대 4 GHz 대역폭을 가집니다. 이 FMCW 펄스의 주파수 확산은 일부 신호 무결성 및 전력 전송 문제를 일으킬 수 있는데, 이는 올바른 라우팅 및 레이아웃 계획으로 해결될 수 있습니다.

펄스가 변조되는 속도(즉, 전체 변조 범위를 스윕하는 데 필요한 시간)는 레이더 펄스의 길이를 정의합니다. 레이더 펄스를 형성하는 데에는 레이저에서의 모드 잠금과 매우 유사한 기술이 사용되어 펄스 길이를 적극적으로 정의합니다. 다른 주파수 구성 요소는 송신기 측에서 다른 양으로 적극적으로 지연됩니다.

펄스 길이는 시스템의 감도와 유용한 범위에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 더 짧은 펄스를 사용하면 더 작은 비트 주파수와 도플러 이동을 신뢰성 있게 감지할 수 있어 해상도가 높아지지만, 이러한 더 짧은 펄스는 증폭기가 더 넓은 주파수 대역폭을 가져야 하므로 증폭하기가 더 어렵습니다. 이는 77GHz 자동차 레이더 모듈의 수신기 측에서 특히 중요한데, 증폭기의 짧은 펄스를 적절하게 증폭하는 능력이 제한되어 있어 측정 결과가 왜곡될 수 있기 때문입니다. 무인 운전 시스템에 대한 측정이 잘못된 경우, 이는 심각한 사고로 이어질 수 있습니다. 이 특정 문제는 RF 회로 설계자들이 해결해야 할 문제이며, 기본적인 아날로그 시뮬레이션 기법을 사용하는 것이 이 분야에서 상당히 도움이 될 수 있습니다.

77GHz 파장 레이더 시스템의 라우팅

SRR 또는 LRR 모듈을 설계하는 사업에 종사하고 있다면 고려해야 할 중요한 몇 가지 사항이 있습니다. 이러한 사항에는 라우팅 및 접지 전략뿐만 아니라 모듈이 작동할 때 신호 무결성을 보장하기 위한 기본 레이아웃 전략도 포함됩니다. 해당 접지 전략도 이러한 시스템에서 중요하며, 77 GHz 레이더 모듈을 더 큰 시스템에 통합할 때 접지 전략을 조정해야 할 수도 있습니다.

트레이스 기하학은 송수신기 모듈에서 안테나 모듈로 아날로그 출력을 라우팅할 때 신호 무결성에 큰 영향을 미칩니다. 다양한 트레이스 구성에서 삽입 손실에 대한 데이터를 살펴보면, 전통적인 마이크로스트립 트레이스는 대략 30GHz에서 45GHz 사이의 주파수에서 접지된 공평한 도파관에 비해 훨씬 더 높은 손실을 시작하는 것을 발검할 수 있습니다. 

마이크로스트립과 접지된 동일 평면 도파관의 삽입 손실 비교 Rogers Corp.

에서 마이크로스트립과 접지된 공평한 도파관의 삽입 손실 비교형태 요소를 작게 유지하기 위해 Tx 및 Rx 안테나는 일반적으로 동일한 보드에 배치됩니다. 이때 Tx 측이 레이더 펄스를 방출하는 동안 Rx 측을 자체 방해하지 않도록 일부 격리가 필요합니다. 접지된 동일 평면 도파관은 추가 차폐 방법을 요구하지 않으면서 우수한 격리를 제공합니다. 접지된 동일 평면 도파관에서는 전류가 중앙 도체의 가장자리에서 제한되는 경향이 있어, 거친 도체가 있는 다른 구조에서 발생할 수 있는 상호변조 생성물과 고조파를 억제하는 데 도움이 됩니다.

이러한 측면은 차량용 77 GHz 파장 레이더 시스템의 트레이스 라우팅에 이상적인 접지된 동일 평면 도파관을 만들 뿐만 아니라 다양한 다른 응용 프로그램에도 적합합니다. 77 GHz에서 이러한 도파관을 최적화해야 한다는 점을 유의하세요. 이는 보드 두께의 함수가 될 것입니다(아래 참조).

단일 또는 다중 보드?

일반적으로 77 GHz 자동차 레이더용 보드는 매우 작으며, 접지된 동일 평면 도파관의 사용은 보드의 크기에 따라 송수신 모듈을 보드에 포함시키지 못하게 할 수 있습니다. 송수신기가 안테나 배열과 같은 보드에 나타나면, RF 접지면은 송수신기 아래로 확장되어야 하며 안테나의 가장자리를 조금 넘어서까지 이어져야 합니다. 송수신기와 다른 회로가 너무 많은 공간을 차지한다면, 그것들을 별도의 보드에 배치할 수 있습니다.

실제로 일부 상용 77 GHz 파장 레이더 시스템에서는 이러한 방식이 사용됩니다. 안테나가 있는 보드는 세라믹 또는 고주파 라미네이트 (예: 이솔라 또는 로저스 기판)에 배치되며, 송수신기 및 기타 신호 조절 및 처리 회로는 FR4 또는 유사한 기판에 배치됩니다. 77 GHz 자동차 레이더 신호의 작동 파장은 자유 공간에서 약 4mm(~FR4에서 1mm)에 불과할 것이므로, 서로 다른 층의 전도성 요소 사이의 공진을 억제하기 위해 층 두께는 가능한 한 얇아야 합니다 (이상적으로는 파장의 1/8에서 1/4 사이).

이 시점에서, 고주파선을 안테나 모듈에 연결하는 가장 좋은 방법을 찾아야 합니다. 연결 길이는 가능한 한 짧아야 하지만, 이러한 주파수에서는 연결선이 전송선으로 동작할 것입니다. 이는 연결선의 양 끝에 적절한 종단이 필요하며, 적어도 하나의 반환 경로가 고주파 신호의 반환 경로를 제공하기 위해 도체를 통해 라우팅되어야 합니다.

어떤 응용 프로그램에 대해서도 레이아웃 및 시뮬레이션 기능을 갖춘 최고의 고급 RF PCB 설계 소프트웨어가 필요한 모든 77 GHz 자동차 레이더 설계 팀에게 필수적입니다. Altium Designer는 이러한 중요한 설계 도구를 모두 하나의 프로그램에서 제공합니다. 이제 무료 시험판 Altium Designer를 다운로드하여 업계 최고의 레이아웃, 시뮬레이션 및 생산 계획 도구에 대해 자세히 알아볼 수 있습니다. 오늘 Altium 전문가와 대화해 보세요더 자세한 정보를 알아보기 위해.