Leiterplattentechnisch - Auswahl von Schaltungsmaterialien für verschiedene Arten von Radarsensoranwendungen in Fahrerassistenzsystemen (ADAS)

Auswahl von Schaltungsmaterialien für verschiedene Arten von Radarsensoranwendungen in Fahrerassistenzsystemen (ADAS)

Eines Tages werden selbstfahrende Fahrzeuge wahrscheinlich sicherer sein als Kraftfahrzeuge, die von aktuellen Fahrern gefahren werden. Doch bevor der Fahrer das Lenkrad loslässt, müssen einige elektronische Funktionskomponenten zum Standard von Nutzfahrzeugen werden, darunter Millimeterwellenradarsysteme, Kameras und/oder Lidars. Brauchen eine Vielzahl von Schaltungsmaterialien. Im Vergleich zu Straßen scheint Radar leichter mit dem Schlachtfeld in Verbindung gebracht zu werden. Aber sie entwickelt sich stetig zu einer sehr zuverlässigen Sensortechnologie, als Teil der fortschrittlichen Fahrerassistenzsystem-Technologie (ADAS) in modernen Autos, um elektronische Sicherheitsfunktionen für moderne Nutzfahrzeuge bereitzustellen. Das Millimeterwellenradarsystem ist eine ausgereifte Technologie in der Automobilindustrie. Als erstes aktives Sicherheits-Funktions-Bremssystem wird es seit 1996 von Mercedes-Benz eingesetzt und wird heute häufig in modernen ADAS-Systemen eingesetzt. Toter Winkel und Kollisionsschutz.

Millimeterwellenradare werden autonome Fahrzeuge ermöglichen, aber sie erfordern eine Kombination mehrerer Elemente, einschließlich Schaltungsmaterialien, die eine stabile Leistung für elektronische Geräte und Schaltungen mit Frequenzen über 77 GHz bieten können. Beispielsweise erfordern Schaltungsmaterialien in ADAS-Anwendungen das Design von Übertragungsleitungen, die Mikrowellen- und Millimeterwellensignale bei 24,77 (oder 79) GHz unterstützen können, um minimale Verluste zu erzielen und gleichzeitig eine konsistente wiederholbare Leistung über einen weiten Betriebstemperaturbereich zu gewährleisten. Glücklicherweise kann Rogers diesem Schaltungsmaterial die konstante Leistung liefern, die für ADAS-Anwendungen von Mikrowelle bis hin zu hochfrequenten Millimeterwellenfrequenzbändern erforderlich ist.

Im Rahmen des elektronischen Wahrnehmungsschutzes des ADAS-Systems des Fahrzeugs wird das fahrzeugmontierte Radarsystem zusammen mit anderen Technologien eingesetzt. Radarsysteme senden elektromagnetische (EM) Signale in Form von Radiowellen und empfangen reflektierte Signale von Radiowellen von einem Ziel (z.B. einem anderen Auto), die in der Regel mehrere Ziele sind. Das Radarsystem kann aus diesen empfangenen reflektierten Signalen die entsprechenden Zielinformationen extrahieren, einschließlich Position, Entfernung, relativer Geschwindigkeit und Radarquerschnitt (RCS). Der Bereich (R) kann anhand der Lichtgeschwindigkeit (c) und der erforderlichen Rundlaufzeit (τ) des Signals bestimmt werden. Die Rundlaufzeit ist die Zeit, in der die Funkwelle von der Radarenergiequelle (Radarsender) zum Ziel reist und dann zur Radarenergiequelle zurückkehrt. Im fahrzeugmontierten Radarsystem wird das Auftreten des Radarsignals an die Leiterplattenantenne übertragen. Der Wert von R kann durch eine einfache mathematische Formel erhalten werden, das heißt, das Produkt der Lichtgeschwindigkeit und der Sendezeit von der Radarsignalquelle zum Ziel und zurück zur Radarquelle geteilt durch 2: R.cτ/2.

Im Rahmen der aktiven ADAS-Sicherheit ist das Fahrzeug mit verschiedenen Sensoren wie Kameras, Lidar- und Radarsystemen ausgestattet.

Abbildung 1: Im Rahmen der aktiven ADAS-Sicherheit ist das Fahrzeug mit verschiedenen Sensoren ausgestattet, darunter Kameras, Lidar- und Radarsysteme.

Wenn sich mehrere Radarziele relativ nahe befinden, z. B. zwei Fahrzeuge auf einer überlasteten Straße, ist eine präzise Radarbereichauflösung erforderlich, um die erfassten Objekte zu unterscheiden. Ein kürzerer Radar-Impuls kann verwendet werden, um ein Ziel zu erkennen, obwohl ein kürzerer Impuls oder jede Art von Signal weniger Energie vom Ziel zurück zum Radar-Empfänger reflektiert. Kürzeren Impulsen kann durch Pulskompression mehr Energie zugeführt werden, wobei Phase- oder Frequenzmodulation den Leistungspegel erhöhen kann. Aus diesem Grund werden Radar, die auf frequenzmodulierten kontinuierlichen Wellen (FMCW)-Signalen (auch "Chirp"-Signalen) basieren, häufig in Fahrzeugradarsystemen eingesetzt.

Die Abschätzung der Zielgeschwindigkeit kann durch den Dopplereffekt erreicht werden, der sich auf die Änderung der Frequenz des Signals bezieht, das von dem vom Radar erhaltenen Ziel entsprechend der Bewegung des Ziels relativ zum Radarsender/Empfänger reflektiert wird. Die Dopplerfrequenzverschiebung ist umgekehrt proportional zur Wellenlänge: Je nachdem, ob sich das Radarziel nahe oder weit entfernt von der Radarquelle befindet, ist der Wert positiv oder negativ.

FMCW oder Chirp Radarsystem kann die Geschwindigkeit, Entfernung und Winkel mehrerer Ziele messen. Obwohl Schmalband (NB) und Ultra-Breitband (UWB) FMCW Radar mit 24-GHz-Betrieb weit verbreitet sind, nimmt die Anwendung dieses Frequenzbandes allmählich ab. Immer häufiger werden schmalbandige 77-GHz Radarsysteme mit einer Bandbreite von 1 GHz in Fahrzeugsicherheitssystemen eingesetzt. Darüber hinaus untersucht die Automobilindustrie UWB 79-GHz Radar für zukünftige Anwendungen. CW-Radar ist relativ einfach und kann die Geschwindigkeit des Ziels erfassen, aber es kann die Entfernung des Ziels nicht erkennen. Puls-Dauerwellen-Radar kann auch mehrere Doppler-Frequenzen zur Abschätzung der Entfernung verwenden. Pulsdauer und Pulswiederholfrequenz (PRF) sind zwei Schlüsselparameter für die Entwicklung eines zuverlässigen Puls-Dauerwellen-Radarsystems.

Aufgrund der Pulskompression ist die Reichweitenauflösung des FMCW-Radars umgekehrt proportional zur Bandbreite des FMCW-Signals und hat nichts mit der Pulsbreite zu tun. Das Kurzstreckenradar FMCW nutzt UWB-Wellenformen, um kleine Entfernungen mit hoher Auflösung zu messen. Die Dopplerauflösung ist eine Funktion der Pulsbreite und der Anzahl der zur Schätzung verwendeten Impulse. Die Unordnung in jedem Radarsystem ist das Rauschen, das durch das Radarsignal erzeugt wird, das von anderen Objekten als dem Zielobjekt reflektiert wird. In jedem Radarsystem muss das Radar im Vergleich zu anderen umgebenden Objekten effektive Ziele von vielen Objekten identifizieren, die durch das Radarsignal beleuchtet werden.

Das elektronische Sicherheitssystem an Bord nutzt andere physikalische Parameter (wie Sicht und Licht), um dem ADAS-Domänencontroller des Fahrzeugs nutzbare Daten bereitzustellen. Der Domänencontroller ist ein Informationsverarbeitungszentrum, das Sensorinformationen fusioniert, um das Fahrzeug sicher zu führen. Die Frontkamera dient zur Spurverlaufswarnung und Objekterkennung, während die Rückfahrkamera bei Bedarf Rückwärts- und Zusatzaufnahmen liefern kann. Lichtdetektions- und Entfernungssysteme (LiDAR, Lidar) übertragen Infrarot-Lichtimpulse (IR) an ein Ziel (zum Beispiel ein anderes Auto oder eine Wand auf einem Parkplatz) und erfassen die IR-Impulse, die zur Quelle zurückkehren, basierend auf der Ausbreitung des Lichts Geschwindigkeit wird verwendet, um den Abstand zwischen Quelle und Ziel zu berechnen. Anhand detaillierter Parameter wie Länge und Wellenlänge des IR-Impulses und der Zeit, die benötigt wird, um den IR-Detektor/Empfänger im Fahrzeug zu reflektieren und zurückzukehren, können Position und Relativbewegung des IR-bestrahlten Objekts berechnet werden. Leider sind die Leistung und Effektivität von Fahrzeug-Lidar-Systemen extrem anfällig für schwere Umweltbedingungen wie Schnee, Regen und Nebel.

Das fahrzeugmontierte Radarsystem kann in der Weise eines LiDAR-Systems arbeiten, aber die entsprechende Wellenlänge des Radars der Millimeterwellenfrequenz ist kleiner. Fahrzeugmontierte Radar sind für den Einsatz in bestimmten Frequenzbereichen wie 24, 77 und 79 GHz vorgesehen. Diese Frequenzbänder wurden von einer Reihe von Normungsorganisationen, wie der Federal Communications Commission in den Vereinigten Staaten und dem European Telecommunications Standards Institute, zur Verwendung zugelassen.

Derzeit werden verschiedene Radar als Teil von ADAS-Anwendungen verwendet, und FMCW-Signale sind aufgrund ihrer Wirksamkeit bei der Messung der Geschwindigkeit, Entfernung und Winkel mehrerer Ziele weit verbreitet. Kfz-Radar verwenden manchmal schmalbandige NB- und Ultra-Breitband-UWB-Designs, die im 24GHz-Frequenzband arbeiten. Das 24GHz Schmalband-Fahrzeugradar nimmt den 200-MHz-Bereich von 24.05 bis 24.25 GHz ein, und das 24-GHz Ultra-Breitband-Radar hat eine Gesamtbandbreite von 5 GHz, von 21.65 GHz bis 26.65 GHz. Das schmalbandige 24-GHz-Fahrzeug-Radarsystem kann eine effektive Kurzstrecken-Verkehrszielerfassung ermöglichen und wird für einfache Funktionen wie die Tote-Winkel-Erkennung verwendet. Ultra-Breitband-Fahrzeugradarsysteme wurden für hochauflösende Funktionen wie Adaptive Cruise Control (ACC), Vorwärtskollisionswarnung (FCW) und automatisches Notbremssystem (AEB) eingesetzt.

Da globale Mobilfunkanwendungen jedoch weiterhin Spektrum bei "niedrigeren" Frequenzen verbrauchen (einschließlich 24-GHz-Zubehör), wird die Frequenz von fahrzeugmontierten Radarsystemen höher, und das verfügbare Millimeterwellenspektrum mit kürzeren Wellenlängen wird die Wahl, und die Frequenzen sind jeweils 77 und 79 GHz. Tatsächlich verwendet Japan keine 24-GHz-Ultra-Breitband-Fahrzeugradartechnologie mehr. Entsprechend den Zeitplänen der regionalen Normungsorganisationen ETSI und FCC wird es in Europa und den Vereinigten Staaten auslaufen und durch höherfrequente schmalbandige 77GHz- und ultrabreitbandige 79GHz-Fahrzeugradarsysteme ersetzt. Die 77GHz- und 79GHz-Radar werden in gewisser Form als Funktionsmodule für autonome Fahrzeuge eingesetzt.

Materialanforderungen

Selbstfahrende Autos werden viele verschiedene elektronische Technologien zur Führung, Steuerung und Sicherheit verwenden, einschließlich Sensoren, die Licht und elektromagnetische Wellen verwenden. Der Signalfrequenzbereich und die Schaltungstechnologie, die von Millimeterwellenradaren weit verbreitet wird, galten einst als einzigartig, experimentell und sogar nur für militärische Zwecke verwendet. Der zunehmende Einsatz von Millimeterwellen-Radar ist ein Trend, in dem immer mehr elektronische Technologien und Schaltungen in Kraftfahrzeuge integriert werden, die den Fahrern Komfort und Unterstützung bieten, Fahrzeuge sicherer machen und Fahrzeugbesitzern und -betreibern ermöglichen, das Fahren von Fahrzeugen zu vermeiden. Befreit von der "Aufgabe". Der Einsatz von Hochfrequenz-Elektronik in Nutzfahrzeugen kann sogar völlig neue Wege zwischen Fahrer und Fahrzeug auslösen. Zumindest wird der Einsatz von Technologien wie Millimeterwellenradar die Definition des "Fahrens" eines Kraftfahrzeugs verändern.

Das Design dieser Fahrzeug-Millimeter-Wellen-Radarsysteme beginnt in der Regel mit einer Antenne, und die Antenne ist in der Regel eine Hochleistungs-Leiterplatte (PCB)-Antenne, die in verschiedenen Positionen installiert sind, durch Senden und Empfangen von Low-Power-Millimeter-Wellensignalen, um Ziele zu erkennen oder "beleuchten". Das Radar und andere elektronische Systeme des Fahrzeugs verwenden verschiedene Methoden, um Informationen über die Umgebung des Fahrzeugs bereitzustellen, die von den umgebenden Objekterkennungs- und Klassifizierungsalgorithmen des Fahrzeugs verwendet werden können.

Das Signal des fahrzeugmontierten Radars kann in Form von gepulsten oder modulierten CW vorliegen. Fahrzeugmontierte Radarsysteme werden seit geraumer Zeit zur Totwinkelerkennung bei 24 GHz eingesetzt. Mit dem Lauf der Zeit und der Intensivierung des Spektrumwettbewerbs um andere Funktionen wie drahtlose Kommunikation bewegen sich fahrzeugmontierte Radarsysteme jedoch in Richtung hoher Frequenzen und verengen ihre Bandbreiten, wie das 1-GHz-breite Frequenzband zentriert auf 77 GHz und das 79-GHz-Frequenzband.

Ob bei 24, 77 oder 79 GHz, die Leistung von Leiterplatten-Antennen ist entscheidend für diese Fahrzeugradarsysteme. Sie müssen an das Ziel senden und fast sofort empfangen, wenn das Ziel ein reflektiertes Signal von einem anderen Fahrzeug ist. Zu den wichtigsten Leistungsparametern der Leiterplattenantenne gehören Verstärkung, Richtwirkung und Effizienz. Verlustarme Schaltungsmaterialien sind unerlässlich, um eine gute PCB-Antennenleistung zu erhalten (Abbildung 2). Auch die langfristige Zuverlässigkeit von Leiterplattenantennen ist sehr wichtig, denn diese kompakten Antennen und ihre Hochfrequenz-Transceiver-Schaltungen müssen auch weiterhin ununterbrochen arbeiten (wenn das Fahrzeug läuft) und in einer anspruchsvolleren Betriebsumgebung arbeiten können – Nutzfahrzeuge fahren zuverlässig an der Spitze.