77 ГГц радар для автомобильных радиолокационных плат: трассировка и целостность сигнала

Технологии развиваются сегодня очень быстро, и автомобильные радары, первоначально работавшие в основном на частоте около 24 ГГц, вскоре после внедрения в новые автомобили для обнаружения объектов, перешли на волну 77 ГГц. Недавние изменения в регулировании позволили осуществить переход на 77 ГГц, что предоставило ряд преимуществ. Более короткие волны обеспечивают более широкие полосы пропускания и лучшее разрешение, меньшие размеры устройств и большую дальность. Эта полоса как раз попадает между двумя полосами поглощения для двухатомного кислорода, в то время как полоса 24 ГГц перекрывается с полосой поглощения в воде.

Использование более высоких частот создает ряд вызовов в дизайне, симуляции и тестировании модулей радаров с длиной волны 77 ГГц. Помимо разработки самих радарных модулей, размещение устройств, интеграция в более мелкие форм-факторы и интеграция в более широкую экосистему внутри автомобиля являются всеми вызовами на долгом пути к полностью автономным транспортным средствам.

Радары с длиной волны 77 ГГц дальнего и ближнего действия

Как мы описали в предыдущем посте, импульсы с чирпом в ГГц используются для различения множества целей в поле зрения радарной системы. Использование импульсов с чирпом обеспечивает обнаружение скорости и расстояния до нескольких целей путем измерения доплеровского сдвига и биений частоты по отношению к сигналу от эталонного генератора. Применение фазированной антенной решетки (3 передающих и 4 приемных СФПА) обеспечивает направленное излучение, что позволяет определять угол подхода в дополнение к двум упомянутым величинам.

Геометрия антенной решетки, используемая в радарах с длиной волны 77 ГГц для автомобильных приложений

Длительность чирпа (измеряемая как диапазон частот) является основным критерием применимости данной автомобильной радарной системы. Радар дальнего действия (LRR) использует линейные импульсы с чирпом 1 ГГц (76 до 77 ГГц), в то время как радар ближнего действия высокого разрешения (SRR) имеет полосу пропускания до 4 ГГц с линейными импульсами с чирпом (77 до 81 ГГц). Разброс частот в этих импульсах FMCW может создать некоторые проблемы с целостностью сигнала и передачей мощности, которые можно решить с помощью правильной схемы маршрутизации и размещения.

Скорость, с которой происходит изменение частоты импульса (т.е. количество времени, необходимое для прохождения через весь диапазон изменения частоты), определяет длину радиолокационного импульса. При формировании радиолокационного импульса используется техника, очень похожая на модовую синхронизацию в лазерах, для активного определения длины импульса. Различные частотные компоненты активно задерживаются на различное время на передающей стороне.

Длина импульса является одним из важных факторов, влияющих на чувствительность и полезный диапазон системы. Использование более коротких импульсов обеспечивает более высокое разрешение, поскольку меньшие биений частот и сдвиги Доплера могут быть надежно обнаружены, но эти более короткие импульсы сложнее усилить, поскольку усилитель должен иметь более широкую полосу частот. Это особенно важно на приемной стороне 77 ГГц автомобильного радарного модуля, поскольку ограниченные возможности усилителя корректно усилить более короткий импульс искажают результаты измерений. Если измерение, определенное для беспилотного автомобиля, неверно, это может привести к серьезному аварийному событию. Эту конкретную проблему необходимо решать разработчикам РЧ схем; работа с некоторыми базовыми техниками аналогового моделирования может значительно помочь в этой области.

Маршрутизация в радиолокационных системах с длиной волны 77 ГГц

Если вы занимаетесь проектированием модулей SRR или LRR, необходимо учитывать ряд важных моментов. К ним относятся стратегия трассировки и заземления, а также базовая стратегия компоновки для обеспечения целостности сигнала при работе модуля. Соответствующая стратегия заземления также важна в этих системах, и стратегия заземления может потребовать корректировки для интеграции 77 ГГц радарного модуля в более крупную систему.

Геометрия трасс будет иметь значительное влияние на целостность сигнала, когда вы проводите аналоговый выход с приемопередатчика на ваш антенный модуль. Если вы посмотрите данные о потерях на вставке в различных конфигурациях трасс, вы обнаружите, что традиционные микрополосковые трассы начинают иметь гораздо большие потери, чем заземленные копланарные волноводы на частотах между ~30 и ~45 ГГц. 

Сравнение потерь на вставке в микрополосках и заземленных копланарных волноводах от Rogers Corp.

Для сохранения малых форм-факторов антенны Tx и Rx обычно размещаются на одной плате. Здесь требуется некоторая изоляция, чтобы гарантировать, что сторона Tx не самоподавляет сторону Rx во время излучения радарного импульса. Заземленные копланарные волноводы обеспечивают отличную изоляцию без необходимости использования дополнительных методов экранирования. Поскольку ток имеет тенденцию концентрироваться на краю центрального проводника в заземленном копланарном волноводе, это помогает подавлять продукты интермодуляции и гармоники, которые могут возникать в других структурах с шероховатыми проводниками.

Эти аспекты делают заземленный копланарный волновод идеальным для прокладки трасс в радарных системах с длиной волны 77 ГГц для транспортных средств, помимо множества других применений. Обратите внимание, что вам нужно будет оптимизировать эти волноводы для работы на 77 ГГц, что будет зависеть от толщины вашей платы (см. ниже).

Одна или несколько плат?

В целом, платы для автомобильного радара на 77 ГГц очень маленькие, и использование заземленных копланарных волноводов может предотвратить включение модуля передатчика на плату в зависимости от ее размера. Если передатчик расположен на той же плате, что и антенная решетка, земляная плоскость РЧ должна проходить под передатчиком и заканчиваться чуть за краем ваших антенн. Если передатчик и другая схемотехника занимают слишком много места, то их можно разместить на отдельной плате.

На самом деле это делается в некоторых коммерчески доступных радиолокационных системах на волне 77 ГГц. Плата с антеннами размещается на керамике или ламинате высокой частоты (например, на подложках Isola или Rogers), в то время как передатчик и другая схемотехника условий и обработки сигналов размещаются на подложке FR4 или аналогичной. Поскольку рабочая длина волны для сигнала автомобильного радара 77 ГГц будет всего около 4 мм в свободном пространстве (~1 мм в FR4), толщина ваших слоев должна быть как можно тоньше (в идеале, между одной восьмой и одной четвертью длины волны), чтобы подавить резонанс между проводящими элементами в разных слоях.

На данном этапе вам нужно будет определить наилучший способ подключения такой высокочастотной линии к антенному модулю. Длина вашего соединения должна быть как можно короче, хотя на этих частотах ваши соединения будут вести себя как линии передачи. Это требует правильного завершения на каждом конце соединения, и по крайней мере один путь возврата должен быть проложен через проводник, чтобы обеспечить путь возврата для высокочастотных сигналов.

Любой проектный коллектив автомобильного радара на 77 ГГц нуждается в лучшем продвинутом программном обеспечении для проектирования РЧ печатных плат с полным набором функций для размещения и моделирования любого приложения. Altium Designer предоставляет вам все эти важные инструменты проектирования и многое другое в одной программе. Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах для размещения, моделирования и планирования производства. Поговорите с экспертом Altium сегодня, чтобы узнать больше.