汽車毫米波雷達設計趨勢及PCB材料解決方案

自動駕駛汽車和先進駕駛輔助系統（ADAS）技術促進了汽車毫米波雷達傳感器的快速發展和技術的疊代更新，也使汽車駕駛和出行變得更加的安全。毫米波雷達憑借其自身所具有分辨率高、抗幹擾性能強、探測性能好、尺寸較小等的優點，成為了汽車自動駕駛和ADAS系統裡面不可或缺的傳感器。随着國内毫米波雷達設計以及國産車型的裝機率與日俱增，也促使毫米波雷達應用擴充到更多的方面。

應用場景

随着技術的發展，毫米波雷達的演進也沿着滿足使用者需求的方向，實作了從近到遠的探測範圍，測量的精度也逐漸提高。從最早的測速、測距，到可以實作測速、測距、測角，再到現在可以實作分辨率更高的圖像成像。在ADAS系統中，毫米波雷達的應用可根據車輛需求和功能的不同來劃分，如依據在汽車上的安裝位置的不同可以分為前向雷達、後向雷達和角雷達；也可依據探測距離的遠近分為長距雷達，中距雷達和短距雷達等。毫米波雷達在ADAS中的應用包括如AEB自動制動、FCW前向碰撞預警、LCA變道輔助、ACC自适應巡航、BSW盲區監測等等。

除了輔助汽車的駕駛和行駛安全外，汽車毫米波雷達的應用也擴充到了在泊車或開啟車門時的障礙物檢測的應用，減少泊車或開車門時車門的碰撞損害。

各種其他應用增加了毫米波雷達應用的多樣性，積極擴充了毫米波雷達應用新場景。如駕駛員生命體征監測雷達傳感器，可實作非接觸式監測駕駛員生命體征，例如心率和呼吸頻率，進而感覺駕駛員的疲勞狀态達到安全駕駛的目的。乘客成員監測雷達傳感器同樣以非接觸方式的實作對車内乘員（成人、兒童、寵物）的可靠檢測，避免出行過程中意外滞留事件的發生，為消費者提供安全出行保障。

設計趨勢

汽車毫米波雷達的工作頻率主要有24GHz頻段和77GHz頻段。24GHz頻段主要用于短距雷達，探測距離約50m左右，可以用于盲點檢測等系統。但由于其寬帶窄的原因，大大限制了雷達的分辨率和性能。

相對來說，77GHz雷達具有廣闊的前景，其巨大優勢是高精度、高分辨率以及從短距離到長距離的出色可量測性。77GHz雷達的兩個頻段76-77GHz和77-81GHz，帶寬分别是1GHz和4GHz，巨大的帶寬優勢顯著提高了分辨率和精度。另一方面，77GHz雷達由于頻率高，波長短，使設計的雷達收發器或天線等元件較小，進而減小了雷達的外形尺寸，易于在車身中安裝和隐藏。77GHz頻段在全球監管和行業采用情況方面都獲得了顯著的吸引力。

77GHz毫米波雷達的應用對應于汽車自動化程度的進階階段，随着自動駕駛汽車的發展和ADAS裝機率的提高，大多數24 GHz汽車雷達傳感器都會轉向77 GHz頻段，其需求和應用逐漸呈上升趨勢。

77GHz毫米波雷達系統子產品基于FMCW雷達的設計方案，大多采用如TI、Infineon、NXP或者RUNCHIP等的完整的單晶片解決方案，片内內建了射頻前端、信号處理單元和控制單元，提供多個信号發射和接收通道。雷達子產品的PCB闆設計依據客戶在天線設計的不同而有所不同，但主要有這幾種方式。

第一種以超低損耗的PCB材料作為最上層天線設計的載闆，天線設計通常采用微帶貼片天線，疊層的第二層作為天線和其饋線的地層。疊層的其他PCB材料均采用FR-4的材料。這種設計相對簡單，加工容易，成本低。但由于超低損耗PCB材料的厚度較薄（通常0.127mm），需要關注銅箔粗糙度對損耗和一緻性的影響。同時，微帶貼片天線較窄的饋線需要關注加工的線寬精度控制。

第二種設計方法用媒體內建波導（SIW）電路進行雷達的天線設計，雷達天線不再是微帶貼片天線。除天線外，其他PCB疊層仍和第一種方式一樣采用FR-4的材料作為雷達控制和電源層。這種SIW的天線設計所采用的PCB材料仍選用超低損耗的PCB材料，降低損耗增大天線輻射。材料的厚度選擇通常較厚PCB增大帶寬，也可以減小銅箔粗糙度帶來的影響，且不存在加工較窄線寬時的其他問題。但需要考慮SIW的過孔加工和位置精度問題。

第三種設計方法是超低損耗材料設計多層闆的疊層結構。依據不同的需求，可能其中幾層使用超低損耗材料，也有可能全部疊層均使用超低損耗材料。這種設計方式大大增加了電路設計的靈活性，可以增大內建度，進一步減小雷達子產品的尺寸。但缺點是相對成本較高，加工過程相對複雜。

材料考慮

對于毫米波雷達傳感器的不同PCB設計，有一個共同的特點就是都需要使用超低損耗的PCB材料，進而降低電路損耗，增大天線的輻射。PCB材料是雷達傳感器設計的關鍵器件。選擇合适的PCB材料可確定毫米波雷達傳感器具有較高的穩定性和性能一緻性。

适用于77GHz毫米波雷達的PCB材料性能需要從這幾個方面考慮：

首先是材料的電氣特性，這是設計雷達傳感器和選擇PCB材料的首要因素。選擇具有穩定介電常數和超低損耗的PCB材料對于77GHz毫米波雷達的性能至關重要。穩定的介電常數和損耗可以使收發天線獲得準确的相位，進而提高天線增益和掃描角度或範圍，提高雷達探測和定位精度。PCB的介電常數和損耗性的穩定性不僅要確定不同批次材料的穩定性，也需要確定同一闆内的變化小，具有非常好的穩定性。

PCB材料所使用銅箔的表面粗糙度對會對電路的介電常數和損耗産生影響，越薄的材料上銅箔表面粗糙度對電路的影響越大。越粗糙的銅箔類型其自身粗糙度變化也就越大，也會造成的了介電常數和損耗的較大變化，影響電路的相位特性。

其次需要考慮材料的可靠性。材料的可靠性不僅指材料在PCB加工中的疊合、受加工過程影響、過孔、銅箔結合力等方面具有高可靠性，還包括材料的長期可靠性。PCB材料的電氣性能是否随着時間的增加仍能保持穩定，是否能夠在不同的工作環境如不同溫度或濕度下仍能保持穩定，這對于汽車雷達傳感器的可靠性以及汽車ADAS系統應用的重要性不言而喻。

總的來說，對于77GHz雷達傳感器的天線設計，需要考慮選擇具有穩定介電常數、具有超低損耗的材料，選擇更光滑的銅箔可進一步降低電路損耗和減小介電常數容差變化；同時，材料要具有随時間、溫度，濕度等外界工作環境而仍具有可靠的電氣性能和機械特性等特性。

材料選擇

廈門曠時科技有限公司一家以毫米波雷達為核心的晶片和方案提供商，面向汽車、工業、醫療、消費等領域，為客戶提供高性能毫米波雷達晶片、鎖相環晶片、高精度模數轉換器晶片、數字溫度傳感器晶片産品及模組解決方案。公司設計研發的晶片模組産品及解決方案，廣泛應用于智能家居、智慧健康、智能駕駛、智慧物聯等領域。

總結

77GHz毫米波雷達傳感器的獨特優勢使其成為自動駕駛汽車不可缺少的部件。更寬帶寬，更高分辨率的77GHz/79GHz雷達傳感器逐漸成為主流，正對于各種不同的雷達傳感器設計方案，PCB電路材料的特性都很多程度上決定着雷達傳感器天線的性能。

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