77 GHz Radar dla motoryzacyjnych PCB radarowych: Trasowanie i integralność sygnału

Technologia szybko się rozwija, a radar samochodowy przeszedł z głównego działania w pobliżu 24 GHz do 77 GHz w krótkim czasie po jego wprowadzeniu do nowych pojazdów do wykrywania obiektów. Niedawne zmiany regulacji umożliwiły przejście na 77 GHz, co przynosi szereg korzyści. Krótsze długości fal umożliwiają szersze pasma, zapewniają lepszą rozdzielczość, mniejsze wymiary urządzeń oraz dłuższy zasięg. Ten pasmo przypadkowo znajduje się między dwoma pasmami absorpcji dla dwuatomowego tlenu, podczas gdy pasmo 24 GHz pokrywa się z pasmem absorpcji w wodzie.

Użycie wyższych częstotliwości stwarza szereg wyzwań projektowych, symulacyjnych i testowych dla modułów radarowych o długości fali 77 GHz. Oprócz projektowania samych modułów radarowych, układ urządzenia, integracja z mniejszymi formami oraz integracja z większym ekosystemem w pojeździe to wszystko wyzwania projektowe na długiej drodze do w pełni autonomicznych pojazdów.

Długodystansowy vs. Krótkodystansowy Radar o Długości Fali 77 GHz

Jak opisaliśmy w poprzednim poście, impulsy GHz o zmiennej częstotliwości są używane do rozróżniania wielu celów w polu widzenia systemu radarowego. Użycie impulsów o zmiennej częstotliwości umożliwia wykrywanie prędkości i odległości wielu celów poprzez mierzenie przesunięcia Dopplera i częstotliwości bicia względem sygnału z oscylatora referencyjnego. Użycie anteny fazowanej (3 Tx i 4 Rx SFPA) zapewnia kierunkową emisję, co pozwala na określenie kąta zbliżenia wraz z dwoma wcześniej wspomnianymi wielkościami.

Geometria układu antenowego używanego w radarze o długości fali 77 GHz do zastosowań motoryzacyjnych

Długość chirpu (mierzona jako zakres częstotliwości) jest głównym determinantem zastosowania danego systemu radarowego w motoryzacji. Radar dalekiego zasięgu (LRR) używa 1 GHz impulsów o liniowo zmiennej częstotliwości (76 do 77 GHz), podczas gdy radar krótkiego zasięgu (SRR) o wysokiej rozdzielczości ma do 4 GHz pasma z liniowo zmiennymi impulsami (77 do 81 GHz). Rozpiętość częstotliwości w tych impulsach FMCW ma potencjał do tworzenia pewnych problemów z integralnością sygnału i transferem mocy, które mogą być rozwiązane przy użyciu odpowiedniego schematu trasowania i układu.

Tempo, z jakim zmienia się częstotliwość impulsu (tj. czas potrzebny do przeskanowania całego zakresu chirp), definiuje długość impulsu radarowego. W tworzeniu impulsu radarowego używa się techniki bardzo podobnej do blokowania modów w laserach, aby aktywnie określić długość impulsu. Różne składniki częstotliwości są aktywnie opóźniane o różne wartości po stronie nadajnika.

Długość impulsu to jeden z ważnych czynników wpływających na czułość i użyteczny zasięg systemu. Użycie krótszych impulsów zapewnia wyższą rozdzielczość, ponieważ mniejsze częstotliwości bicia i przesunięcia Dopplera mogą być wiarygodnie wykryte, ale te krótsze impulsy są trudniejsze do wzmocnienia, ponieważ wzmacniacz musi mieć szersze pasmo częstotliwości. Jest to szczególnie ważne po stronie odbiornika modułu radarowego 77 GHz w samochodach, ponieważ ograniczona zdolność wzmacniacza do odpowiedniego wzmocnienia krótszego impulsu zniekształca wyniki pomiarów. Jeśli pomiar wykonany dla pojazdu autonomicznego jest nieprawidłowy, może to prowadzić do poważnego wypadku. Ten konkretny problem musi być rozwiązany przez projektantów obwodów RF; praca z podstawowymi technikami symulacji analogowej może w tym obszarze znacznie pomóc.

Routing w systemach radarowych o długości fali 77 GHz

Jeśli zajmujesz się projektowaniem modułów SRR lub LRR, istnieje kilka ważnych punktów, które należy wziąć pod uwagę. Punkty te obejmują strategię trasowania i uziemienia, a także podstawową strategię układu, aby zapewnić integralność sygnału, gdy moduł działa. Odpowiednia strategia uziemienia jest również ważna w tych systemach, i strategia uziemienia może wymagać dostosowania, aby umożliwić integrację modułu radarowego 77 GHz z większym systemem.

Geometria ścieżki będzie miała duży wpływ na integralność sygnału, gdy będziesz trasować analogowe wyjście z modułu nadawczo-odbiorczego do modułu anteny. Jeśli spojrzysz na dane dotyczące strat wstawienia w różnych konfiguracjach ścieżek, zauważysz, że tradycyjne ścieżki mikropaskowe zaczynają mieć znacznie większe straty niż uziemione falowody kopolimerowe w zakresie częstotliwości od ~30 do ~45 GHz. 

Porównanie strat wstawienia w mikropaskach i uziemionym falowodzie kopolimerowym od Rogers Corp.

Aby zachować małe wymiary, anteny Tx i Rx są zwykle umieszczane na tej samej płytce. To tutaj wymagana jest pewna izolacja, aby zapewnić, że strona Tx nie zakłóca sama siebie podczas emitowania impulsu radarowego. Uziemione falowody koplanarne zapewniają doskonałą izolację bez konieczności stosowania dodatkowych metod ekranowania. Ponieważ prąd ma tendencję do koncentrowania się na krawędzi centralnego przewodnika w uziemionym falowodzie koplanarnym, pomaga to tłumić produkty intermodulacji i harmoniczne, które mogą powstać w innych strukturach z chropowatymi przewodnikami.

Te aspekty czynią uziemiony falowód koplanarny idealnym do prowadzenia ścieżek w systemach radarowych o długości fali 77 GHz dla pojazdów, oprócz wielu innych zastosowań. Zauważ, że będziesz musiał zoptymalizować te falowody do pracy na 77 GHz, co będzie funkcją grubości twojej płytki (patrz poniżej).

Pojedyncza czy wielokrotna płyta?

Ogólnie rzecz biorąc, płytki do radarów samochodowych 77 GHz są bardzo małe, a użycie uziemionych falowodów kopolarnych może zapobiec umieszczeniu modułu nadajniko-odbiorczego na płytce, w zależności od jej rozmiaru. Jeśli nadajniko-odbiorca znajduje się na tej samej płytce co tablica anten, płaszczyzna uziemienia RF powinna rozciągać się poniżej nadajniko-odbiorcy i biec tuż za krawędzią anten. Jeśli nadajniko-odbiorca i inne układy zajmują zbyt dużo miejsca, można je umieścić na własnej płytce.

To jest faktycznie stosowane w niektórych komercyjnie dostępnych systemach radarowych o długości fali 77 GHz. Płytka z antenami jest umieszczana na ceramice lub laminacie wysokich częstotliwości (np. substraty Isola lub Rogers), podczas gdy nadajniko-odbiorca i inne układy kondycjonowania i przetwarzania sygnałów są umieszczane na substracie FR4 lub podobnym. Ponieważ długość fali roboczej dla sygnału radarowego samochodowego 77 GHz będzie wynosić tylko około 4 mm w przestrzeni wolnej (~1 mm w FR4), grubość warstwy powinna być jak najmniejsza (idealnie, między jedną ósmą a jedną czwartą długości fali), aby tłumić rezonans między elementami przewodzącymi w różnych warstwach.

Na tym etapie musisz znaleźć najlepszy sposób na połączenie takiej linii wysokiej częstotliwości z modułem anteny. Długość połączenia musi być jak najkrótsza, chociaż przy tych częstotliwościach twoje połączenia będą zachowywać się jak linie transmisyjne. Wymaga to odpowiedniego zakończenia na każdym końcu połączenia, a przynajmniej jedna ścieżka powrotna powinna być przeprowadzona przez przewodnik, aby zapewnić ścieżkę powrotną dla sygnałów wysokiej częstotliwości.

Każdy zespół projektowy radarów samochodowych 77 GHz potrzebuje najlepszego zaawansowanego oprogramowania do projektowania PCB RF z pełnym zestawem funkcji układu i symulacji dla dowolnej aplikacji. Altium Designer oferuje wszystkie te ważne narzędzia projektowe i więcej w jednym programie. Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną Altium Designer i dowiedzieć się więcej o najlepszych w branży narzędziach do projektowania, symulacji i planowania produkcji. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.