Radar 77 GHz cho PCB Radar Ô tô: Định tuyến và Tính toàn vẹn tín hiệu

Công nghệ ngày nay phát triển nhanh chóng, và radar ô tô đã chuyển từ chủ yếu hoạt động gần băng tần 24 GHz sang băng tần 77 GHz ngay sau khi được giới thiệu vào các phương tiện mới để phát hiện vật thể. Những thay đổi về quy định gần đây đã cho phép sự chuyển đổi này sang 77 GHz, mang lại một số lợi ích. Bước sóng ngắn hơn tạo điều kiện cho băng thông rộng hơn, và cung cấp độ phân giải tốt hơn, kích thước thiết bị nhỏ gọn hơn, và tầm xa hơn. Băng tần này vừa vặn nằm giữa hai băng hấp thụ của oxy hai nguyên tử, trong khi băng tần 24 GHz chồng lấn với một băng hấp thụ trong nước.

Việc sử dụng các tần số cao hơn tạo ra một loạt thách thức về thiết kế, mô phỏng, và kiểm tra cho các mô-đun radar bước sóng 77 GHz. Ngoài việc thiết kế chính các mô-đun radar, bố trí thiết bị, tích hợp vào các hình dạng nhỏ gọn hơn, và tích hợp vào hệ sinh thái lớn hơn bên trong một phương tiện đều là những thách thức thiết kế trên con đường dài hướng tới xe tự lái hoàn toàn.

Radar Bước Sóng 77 GHz Tầm Xa so với Tầm Ngắn

Như chúng tôi đã mô tả trong bài viết trước, các xung GHz có dải tần số được sử dụng để phân biệt giữa nhiều mục tiêu trong tầm nhìn của hệ thống radar. Việc sử dụng các xung dải tần số giúp phát hiện vận tốc và khoảng cách của nhiều mục tiêu bằng cách đo sự dịch chuyển Doppler và tần số đánh bại so với tín hiệu từ một dao động cơ tham chiếu. Việc sử dụng ăng-ten mảng pha (3 Tx và 4 Rx SFPAs) cung cấp phát xạ theo hướng, cho phép xác định góc tiếp cận cùng với hai đại lượng đã nêu trên.

Hình học mảng ăng-ten được sử dụng trong radar bước sóng 77 GHz cho ứng dụng ô tô

Độ dài của xung chirp (được đo như một phạm vi tần số) là yếu tố quyết định chính của khả năng áp dụng của một hệ thống radar ô tô cụ thể. Radar tầm xa (LRR) sử dụng xung chirp tuyến tính 1 GHz (từ 76 đến 77 GHz), trong khi radar tầm ngắn độ phân giải cao (SRR) có băng thông lên đến 4 GHz với xung chirp tuyến tính (từ 77 đến 81 GHz). Sự phân tán tần số trong những xung FMCW này có khả năng tạo ra một số vấn đề về tính toàn vẹn tín hiệu và truyền tải công suất có thể được giải quyết với kế hoạch định tuyến và bố trí phù hợp.

Tốc độ mà xung được điều chế (tức là, lượng thời gian cần thiết để quét qua toàn bộ phạm vi điều chế) xác định độ dài của xung radar. Trong việc hình thành một xung radar, một kỹ thuật rất giống với khóa chế độ trong laser được sử dụng để xác định một cách chủ động độ dài của xung. Các thành phần tần số khác nhau được trì hoãn một cách chủ động bởi các lượng khác nhau ở phía bộ phát.

Độ dài xung là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ nhạy và phạm vi hữu ích của hệ thống. Sử dụng các xung ngắn hơn cung cấp độ phân giải cao hơn vì các tần số đánh bại nhỏ hơn và dịch chuyển Doppler có thể được phát hiện một cách đáng tin cậy, nhưng những xung ngắn hơn này khó khuếch đại hơn vì bộ khuếch đại phải có băng thông tần số rộng hơn. Điều này đặc biệt quan trọng ở phía bộ nhận của một mô-đun radar ô tô 77 GHz vì khả năng hạn chế của bộ khuếch đại để khuếch đại đúng cách một xung ngắn làm lệch kết quả đo lường. Nếu kết quả đo lường được xác định cho một phương tiện tự lái là không chính xác, điều này có thể dẫn đến một tai nạn nghiêm trọng. Vấn đề cụ thể này cần được giải quyết bởi các nhà thiết kế mạch RF; làm việc với một số kỹ thuật mô phỏng analog cơ bản có thể giúp đáng kể trong lĩnh vực này.

Định tuyến trong Hệ thống Radar Bước sóng 77 GHz

Nếu bạn đang kinh doanh trong lĩnh vực thiết kế các mô-đun SRR hoặc LRR, có một số điểm quan trọng cần xem xét. Những điểm này bao gồm chiến lược định tuyến và nối đất, cũng như một chiến lược bố trí cơ bản để đảm bảo tính toàn vẹn của tín hiệu khi mô-đun hoạt động. Chiến lược nối đất tương ứng cũng quan trọng trong những hệ thống này, và chiến lược nối đất có thể cần được điều chỉnh để phù hợp với việc tích hợp một mô-đun radar 77 GHz vào một hệ thống lớn hơn.

Hình dạng đường dẫn của bạn sẽ có ảnh hưởng lớn đến tính toàn vẹn của tín hiệu khi bạn định tuyến đầu ra tương tự từ mô-đun truyền dẫn đến mô-đun ăng-ten của bạn. Nếu bạn xem xét dữ liệu về tổn thất chèn trong các cấu hình đường dẫn khác nhau, bạn sẽ thấy rằng các đường dẫn microstrip truyền thống bắt đầu có tổn thất cao hơn nhiều so với các đường dẫn sóng đồng bằng có nối đất ở các tần số từ ~30 đến ~45 GHz. 

So sánh giữa tổn thất chèn trong microstrips và đường dẫn sóng đồng bằng có nối đất từ Rogers Corp.

Để giữ cho các yếu tố hình thức nhỏ gọn, các ăng-ten Tx và Rx thường được đặt trên cùng một bảng mạch. Đây là nơi cần có một số biện pháp cách ly để đảm bảo phía Tx không tự gây nhiễu cho phía Rx khi phát ra xung radar. Các đường dẫn sóng đồng mặt phẳng có tiếp địa cung cấp khả năng cách ly xuất sắc mà không cần đến các phương pháp chắn bổ sung. Bởi vì dòng điện có xu hướng được giới hạn ở rìa của dẫn trung tâm trong một đường dẫn sóng đồng mặt phẳng có tiếp địa, điều này giúp giảm thiểu sản phẩm điều chế chéo và hài âm có thể phát sinh trong các cấu trúc khác với dẫn trung tâm không mịn.

Những khía cạnh này làm cho đường dẫn sóng đồng mặt phẳng có tiếp địa trở nên lý tưởng cho việc định tuyến các đường mạch trong hệ thống radar bước sóng 77 GHz cho xe cộ, ngoài ra còn nhiều ứng dụng khác. Lưu ý rằng bạn sẽ cần tối ưu hóa các đường dẫn sóng này để hoạt động ở 77 GHz, điều này sẽ phụ thuộc vào độ dày của bảng mạch của bạn (xem bên dưới).

Bảng mạch Đơn hay Nhiều?

Thông thường, các bảng mạch cho radar ô tô 77 GHz rất nhỏ, và việc sử dụng đường dẫn sóng đồng mặt phẳng có tiếp địa có thể ngăn chặn việc bao gồm một mô-đun thu phát trên bảng mạch, tùy thuộc vào kích thước của nó. Nếu bộ thu phát xuất hiện trên cùng một bảng mạch với mảng ăng-ten, mặt đất RF nên mở rộng dưới bộ thu phát và chạy qua mép của ăng-ten của bạn. Nếu bộ thu phát và các mạch khác chiếm quá nhiều không gian, thì chúng có thể được đặt trên bảng mạch riêng của chúng.

Điều này thực sự được thực hiện trong một số hệ thống radar bước sóng 77 GHz có sẵn trên thị trường. Bảng mạch với các ăng-ten được đặt trên gốm hoặc lớp phủ tần số cao (ví dụ, các loại nền Isola hoặc Rogers), trong khi bộ thu phát và các mạch điều kiện và xử lý tín hiệu khác được đặt trên nền FR4 hoặc tương tự. Vì bước sóng hoạt động cho tín hiệu radar ô tô 77 GHz chỉ khoảng 4 mm trong không gian tự do (~1 mm trong FR4), độ dày của lớp của bạn nên mỏng nhất có thể (lý tưởng là giữa một phần tám và một phần tư bước sóng) để ngăn chặn sự cộng hưởng giữa các yếu tố dẫn điện ở các lớp khác nhau.

Tại thời điểm này, bạn cần phải tìm ra cách tốt nhất để kết nối dòng tần số cao như vậy với mô-đun ăng-ten. Chiều dài kết nối của bạn cần phải ngắn nhất có thể, mặc dù ở những tần số này, các kết nối của bạn sẽ hoạt động như các đường truyền tín hiệu. Điều này đòi hỏi phải có sự kết thúc phù hợp ở mỗi đầu của kết nối, và ít nhất một đường trở về nên được định tuyến qua dẫn điện để cung cấp đường trở về cho các tín hiệu tần số cao.

Mọi đội ngũ thiết kế radar ô tô 77 GHz đều cần phần mềm thiết kế PCB RF tiên tiến nhất với đầy đủ bộ tính năng bố trí và mô phỏng cho mọi ứng dụng. Altium Designer cung cấp cho bạn tất cả những công cụ thiết kế quan trọng này và hơn thế nữa trong một chương trình duy nhất. Bây giờ bạn có thể tải về bản dùng thử miễn phí của Altium Designer và tìm hiểu thêm về các công cụ bố trí, mô phỏng và lập kế hoạch sản xuất tốt nhất trong ngành. Hãy nói chuyện với một chuyên gia Altium ngày hôm nay để tìm hiểu thêm.