Radar de 77 GHz para PCBs de Radar Automotivo: Roteamento e Integridade de Sinal

A tecnologia avança rapidamente nos dias de hoje, e o radar automotivo passou de operar principalmente perto de uma onda de 24 GHz para uma de 77 GHz pouco tempo após sua introdução em novos veículos para detecção de objetos. Mudanças recentes na regulamentação permitiram a transição para 77 GHz, o que proporciona uma série de benefícios. Ondas mais curtas facilitam larguras de banda mais amplas, e proporcionam melhor resolução, fatores de forma de dispositivos menores e maior alcance. Esta banda acontece de cair entre duas bandas de absorção para oxigênio diatômico, enquanto a banda de 24 GHz se sobrepõe com uma banda de absorção em água.

O uso de frequências mais altas cria uma gama de desafios de design, simulação e teste para módulos de radar de onda de 77 GHz. Além do design dos próprios módulos de radar, o layout do dispositivo, a integração em fatores de forma menores e a integração no ecossistema maior dentro de um veículo são todos desafios de design no longo caminho para veículos totalmente autônomos.

Radar de Onda de 77 GHz de Longo Alcance vs. Curto Alcance

Como descrevemos em um post anterior, pulsos GHz modulados são usados para discriminar entre múltiplos alvos dentro do campo de visão de um sistema de radar. O uso de pulsos modulados fornece detecção de velocidade e distância de múltiplos alvos ao medir o deslocamento Doppler e a frequência de batida em relação a um sinal de um oscilador de referência. O uso de uma antena de arranjo em fase (3 Tx e 4 Rx SFPAs) proporciona emissão direcional, permitindo que o ângulo de aproximação seja determinado juntamente com as duas quantidades mencionadas anteriormente.

Geometria de arranjo de antena usada em radar de comprimento de onda de 77 GHz para aplicações automotivas

O comprimento do chirp (medido como uma faixa de frequência) é o principal determinante da aplicabilidade de um dado sistema de radar automotivo. Radar de longo alcance (LRR) usa pulsos modulados lineares de 1 GHz (de 76 a 77 GHz), enquanto o radar de curto alcance de alta resolução (SRR) possui até 4 GHz de largura de banda com pulsos modulados lineares (de 77 a 81 GHz). A dispersão de frequência nesses pulsos FMCW tem o potencial de criar alguns problemas de integridade de sinal e transferência de potência que podem ser resolvidos com o esquema de roteamento e layout adequado.

A taxa na qual o pulso é modulado (ou seja, a quantidade de tempo necessária para varrer toda a faixa de modulação) define o comprimento do pulso do radar. Na formação de um pulso de radar, uma técnica muito semelhante ao bloqueio de modo em lasers é usada para definir ativamente o comprimento do pulso. Diferentes componentes de frequência são atrasados ativamente por diferentes quantidades no lado do transmissor.

O comprimento do pulso é um fator importante que afeta a sensibilidade e o alcance útil de um sistema. Usar pulsos mais curtos proporciona maior resolução, pois frequências de batimento menores e deslocamentos Doppler podem ser detectados de forma confiável, mas esses pulsos mais curtos são mais difíceis de amplificar, pois o amplificador deve ter uma largura de banda de frequência mais ampla. Isso é particularmente importante no lado receptor de um módulo de radar automotivo de 77 GHz, pois a capacidade limitada de um amplificador para amplificar adequadamente um pulso mais curto distorce os resultados das medições. Se a medição determinada para um veículo autônomo estiver incorreta, isso poderia resultar em um acidente grave. Essa questão específica precisa ser abordada por projetistas de circuitos RF; trabalhar com algumas técnicas básicas de simulação analógica pode ajudar significativamente nesta área.

Encaminhamento em Sistemas de Radar de Onda de 77 GHz

Se você está no ramo de projetar módulos SRR ou LRR, há uma série de pontos importantes a considerar. Esses pontos incluem uma estratégia de roteamento e aterramento, bem como uma estratégia básica de layout para garantir a integridade do sinal enquanto o módulo opera. A estratégia de aterramento correspondente também é importante nesses sistemas, e a estratégia de aterramento pode precisar ser ajustada para acomodar a integração de um módulo de radar de 77 GHz em um sistema maior.

A geometria do traçado terá um grande efeito na integridade do sinal à medida que você roteia a saída analógica do módulo transceptor para o seu módulo de antena. Se você olhar para os dados sobre perda de inserção em diferentes configurações de traçado, você encontrará que os traçados microstrip tradicionais começam a ter perdas muito maiores do que as guias de onda coplanares aterradas em frequências entre ~30 e ~45 GHz. 

Comparação entre perda de inserção em microstrips e guia de onda coplanar aterrada da Rogers Corp.

Para manter os fatores de forma pequenos, as antenas Tx e Rx são normalmente colocadas na mesma placa. É aqui que alguma isolação é necessária para garantir que o lado Tx não interfira no lado Rx enquanto emite um pulso de radar. Guias de onda coplanares aterrados fornecem excelente isolação sem necessidade de métodos de blindagem extras. Como a corrente tende a ser confinada na borda do condutor central em um guia de onda coplanar aterrado, isso ajuda a suprimir produtos de intermodulação e harmônicos que podem surgir em outras estruturas com condutores ásperos.

Esses aspectos tornam o guia de onda coplanar aterrado ideal para rotear trilhas em sistemas de radar de onda de 77 GHz para veículos, além de muitas outras aplicações. Note que você precisará otimizar esses guias de onda para funcionar a 77 GHz, o que será uma função da espessura da sua placa (veja abaixo).

Placa Única ou Múltiplas Placas?

Em geral, as placas para radar automotivo de 77 GHz são muito pequenas, e o uso de guias de onda coplanares aterrados pode impedir a inclusão de um módulo transceptor na placa, dependendo do seu tamanho. Se o transceptor aparecer na mesma placa que a matriz de antenas, o plano de terra RF deve se estender abaixo do transceptor e correr um pouco além da borda de suas antenas. Se o transceptor e outros circuitos ocuparem muito espaço, então eles podem ser colocados em sua própria placa.

Isso é realmente feito em alguns sistemas de radar de onda de 77 GHz disponíveis comercialmente. A placa com as antenas é colocada em um substrato cerâmico ou laminado de alta frequência (por exemplo, substratos Isola ou Rogers), enquanto o transceptor e outros circuitos de condicionamento e processamento de sinal são colocados em substrato FR4 ou similar. Como o comprimento de onda operacional para o sinal de radar automotivo de 77 GHz será de apenas cerca de 4 mm no espaço livre (~1 mm em FR4), a espessura da sua camada deve ser a mais fina possível (idealmente, entre um oitavo e um quarto do comprimento de onda) para suprimir a ressonância entre elementos condutivos em diferentes camadas.

Neste ponto, você precisará descobrir a melhor maneira de conectar uma linha de alta frequência ao módulo de antena. O comprimento da sua interconexão precisa ser o mais curto possível, embora nessas frequências suas interconexões se comportarão como linhas de transmissão. Isso requer uma terminação adequada em cada extremidade da interconexão, e pelo menos um caminho de retorno deve ser roteado através do condutor para fornecer um caminho de retorno para sinais de alta frequência.

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