PCB Tecnico - Come scegliere i materiali del circuito per diversi tipi di applicazioni dei sensori radar nei sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS)

Come scegliere i materiali del circuito per diversi tipi di applicazioni dei sensori radar nei sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS)

Un giorno in futuro, i veicoli a guida autonoma saranno probabilmente più sicuri dei veicoli a motore guidati dagli attuali conducenti. Ma prima che il conducente inizi a lasciar andare il volante, alcuni componenti funzionali elettronici devono diventare caratteristiche standard dei veicoli commerciali, tra cui sistemi radar ad onde millimetriche, telecamere e/o lidar. Ho bisogno di una varietà di materiali di circuito. Rispetto alle strade, il radar sembra essere più facilmente associato al campo di battaglia. Ma sta diventando costantemente una tecnologia di sensori molto affidabile, come parte della tecnologia avanzata del sistema di assistenza alla guida (ADAS) nelle auto moderne per fornire funzioni elettroniche di sicurezza per i veicoli commerciali moderni. Il sistema radar a onde millimetriche è una tecnologia matura nell'industria automobilistica. Come primo sistema di assistenza frenante con funzione di sicurezza attiva, è stato utilizzato da Mercedes-Benz dal 1996 ed è ora comunemente utilizzato nei moderni sistemi ADAS. Rilevamento di punti ciechi e protezione anti-collisione.

I radar ad onde millimetriche aiuteranno i veicoli autonomi a diventare possibili, ma richiedono una combinazione di più elementi, compresi i materiali del circuito che possono fornire prestazioni stabili per dispositivi elettronici e circuiti con frequenze superiori a 77 GHz. Ad esempio, nelle applicazioni ADAS, i materiali del circuito richiedono la progettazione di linee di trasmissione in grado di supportare segnali di onde a microonde e millimetriche a 24,77 (o 79) GHz, per ottenere perdite minime, fornendo prestazioni ripetibili coerenti su un ampio intervallo di temperatura operativa. Fortunatamente, Rogers può fornire a questo materiale del circuito le prestazioni costanti richieste per le applicazioni ADAS che vanno dalle bande di frequenza delle onde millimetriche ad alta frequenza.

Nell'ambito della protezione elettronica della percezione del sistema ADAS del veicolo, il sistema radar montato sul veicolo sarà utilizzato insieme ad altre tecnologie. I sistemi radar inviano segnali elettromagnetici (EM) sotto forma di onde radio e ricevono segnali riflessi di onde radio da un bersaglio (come un'altra auto), che di solito sono bersagli multipli. Il sistema radar può estrarre le informazioni corrispondenti sul bersaglio da questi segnali riflessi ricevuti, inclusi la sua posizione, la distanza, la velocità relativa e la sezione trasversale del radar (RCS). L'intervallo (R) può essere determinato in base alla velocità della luce (c) e al tempo di ritorno richiesto (τ) del segnale. Il tempo di andata e ritorno è il tempo in cui l'onda radio viaggia dalla fonte di energia radar (trasmettitore radar) al bersaglio e quindi ritorna alla fonte di energia radar. Nel sistema radar montato sul veicolo, l'occorrenza del segnale radar viene trasmessa all'antenna PCB. Il valore di R può essere ottenuto con una semplice formula matematica, cioè il prodotto della velocità della luce e del tempo di trasmissione di andata e ritorno dalla sorgente del segnale radar al bersaglio e indietro alla sorgente radar diviso per 2: R = cÏ/2.

Nell'ambito della sicurezza attiva ADAS, il veicolo è dotato di vari sensori tra cui telecamere, lidar e sistemi radar

Figura 1: Nell'ambito della sicurezza attiva ADAS, il veicolo è dotato di vari sensori, tra cui telecamere, lidar e sistemi radar.

Quando più bersagli radar sono relativamente vicini, come due veicoli su una strada congestionata, è necessaria una risoluzione precisa del raggio radar per distinguere gli oggetti rilevati. Un impulso radar più corto può essere utilizzato per rilevare un bersaglio, anche se un impulso più corto o qualsiasi tipo di segnale rifletterà meno energia dal bersaglio di nuovo al ricevitore radar. Più energia può essere aggiunta agli impulsi più brevi utilizzando la compressione dell'impulso, dove la modulazione di fase o frequenza può aumentare il suo livello di potenza. Per questo motivo, i radar basati su segnali ad onda continua modulata in frequenza (FMCW) (noti anche come segnali "chirp") sono comunemente utilizzati nei sistemi radar dei veicoli.

La stima della velocità target può essere ottenuta attraverso l'effetto Doppler, che si riferisce alla variazione della frequenza del segnale riflesso dal bersaglio ottenuto dal radar in base al movimento del bersaglio rispetto al trasmettitore/ricevitore radar. Lo spostamento di frequenza Doppler è inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda: a seconda che il bersaglio radar sia vicino o lontano dalla sorgente radar, il valore è positivo o negativo.

FMCW o sistema radar chirp può misurare la velocità, la distanza e l'angolo di bersagli multipli. Sebbene i radar FMCW a banda stretta (NB) e ultralarga (UWB) operanti a 24 GHz siano stati ampiamente utilizzati, l'applicazione di questa banda di frequenza sta gradualmente diminuendo. I sistemi radar a banda stretta 77 GHz con una larghezza di banda di 1 GHz sono sempre più utilizzati nei sistemi di sicurezza dei veicoli. Inoltre, l'industria automobilistica sta studiando UWB 79 GHz radar per applicazioni future. Il radar CW è relativamente semplice e può rilevare la velocità del bersaglio, ma non può rilevare la distanza del bersaglio. Il radar a onda continua di impulso può anche utilizzare più frequenze Doppler per stimare la distanza. La durata dell'impulso e la frequenza di ripetizione dell'impulso (PRF) sono due parametri chiave per la progettazione di un affidabile sistema radar a onde continue a impulsi.

A causa della compressione degli impulsi, la risoluzione dell'intervallo del radar FMCW è inversamente proporzionale alla larghezza di banda del segnale FMCW e non ha nulla a che fare con la larghezza dell'impulso. Il radar FMCW a corto raggio utilizza forme d'onda UWB per misurare piccole distanze con alta risoluzione. La risoluzione Doppler è una funzione della larghezza dell'impulso e del numero di impulsi utilizzati per la stima. Il disordine in qualsiasi sistema radar è il rumore generato dal segnale radar riflesso da oggetti diversi dal bersaglio di interesse. In qualsiasi sistema radar, rispetto ad altri oggetti circostanti, il radar deve identificare bersagli efficaci da molti oggetti illuminati dal segnale radar.

Il sistema di sicurezza elettronico di bordo utilizza altri parametri fisici (come visione e luce) per fornire dati utilizzabili al controller di dominio ADAS del veicolo. Il controller di dominio è un centro di elaborazione delle informazioni che esegue la fusione delle informazioni del sensore per aiutare a guidare il veicolo in modo sicuro. La fotocamera anteriore viene utilizzata per l'avviso di partenza della corsia e per l'imaging di rilevamento degli oggetti, mentre la fotocamera posteriore può fornire immagini inverse e aggiuntive se necessario. I sistemi di rilevamento e intervallo della luce (LiDAR, lidar) trasmettono impulsi di luce infrarossa (IR) ad un bersaglio (ad esempio, un'altra auto o una parete in un parcheggio), e rilevano gli impulsi IR che ritornano alla sorgente, in base alla propagazione della luce La velocità viene utilizzata per calcolare la distanza tra sorgente e bersaglio. Utilizzando parametri dettagliati quali la lunghezza e la lunghezza d'onda dell'impulso IR e il tempo necessario per riflettere e tornare al rivelatore / ricevitore IR nel veicolo, la posizione e il movimento relativo dell'oggetto irradiato IR possono essere calcolati. Purtroppo, le prestazioni e l'efficacia dei sistemi lidar dei veicoli sono estremamente sensibili a condizioni ambientali severe, come neve, pioggia e nebbia.

Il sistema radar montato sul veicolo può funzionare come un sistema LiDAR, ma la lunghezza d'onda corrispondente del radar della frequenza d'onda millimetrica è più piccola. I radar montati sul veicolo sono progettati per l'uso in determinate gamme di frequenza specifiche, come 24, 77 e 79 GHz. Queste bande di frequenza sono state approvate per l'uso da una serie di organismi di normalizzazione, come la Federal Communications Commission negli Stati Uniti e l'European Telecommunications Standards Institute hanno approvato il loro utilizzo.

Attualmente, vari radar sono utilizzati come parte delle applicazioni ADAS e i segnali FMCW sono ampiamente utilizzati grazie alla loro efficacia nella misurazione della velocità, della distanza e dell'angolo di bersagli multipli. I radar automobilistici a volte utilizzano progetti NB a banda stretta e UWB a banda ultra larga che operano nella banda di frequenza 24GHz. Il radar a banda stretta 24GHz occupa la gamma di 200 MHz da 24,05 a 24,25 GHz, e il radar a banda ultra larga 24 GHz ha una larghezza di banda totale di 5 GHz, da 21,65 GHz a 26,65 GHz. Il sistema radar a banda stretta 24 GHz montato su veicoli può fornire un efficace rilevamento degli obiettivi di traffico a breve distanza ed è utilizzato per funzioni semplici come il rilevamento degli angoli ciechi. I sistemi radar per veicoli a banda ultralarga sono stati applicati a funzioni di risoluzione più elevate, come il cruise control adattivo (ACC), l'avviso di collisione in avanti (FCW) e il sistema di frenatura automatica di emergenza (AEB).

Tuttavia, poiché le applicazioni globali di comunicazione mobile continuano a consumare lo spettro a frequenze "più basse" (compresi gli accessori a 24 GHz), la frequenza dei sistemi radar montati sui veicoli diventa più alta e lo spettro d'onda millimetrico disponibile con lunghezze d'onda più corte diventa la scelta, e le frequenze sono rispettivamente 77 e 79 GHz. Infatti, il Giappone non utilizza più la tecnologia radar per veicoli a banda ultralarga a 24 GHz. Secondo gli orari stabiliti rispettivamente dalle organizzazioni regionali di normalizzazione ETSI e FCC, sarà gradualmente eliminato in Europa e negli Stati Uniti e sarà sostituito da sistemi radar per veicoli a banda stretta a 77GHz e a banda ultralarga a 79GHz. I radar 77GHz e 79GHz saranno utilizzati in qualche forma come moduli funzionali per veicoli autonomi.

Requisiti materiali

Le auto a guida autonoma utilizzeranno molte tecnologie elettroniche diverse per fornire guida, controllo e sicurezza, inclusi sensori che utilizzano onde luminose e elettromagnetiche. La gamma di frequenza del segnale e la tecnologia del circuito ampiamente utilizzati dai radar di frequenza dell'onda millimetrica erano una volta considerati unici, sperimentali e persino utilizzati solo per scopi militari. L'aumento dell'uso dei radar ad onde millimetriche è una tendenza in cui sempre più tecnologie e circuiti elettronici sono integrati nei veicoli a motore, fornendo comodità e supporto ai conducenti, rendendo i veicoli più sicuri e consentendo ai proprietari e agli operatori di evitare di guidare veicoli. Liberati dal "compito". L'uso dell'elettronica ad alta frequenza nei veicoli a motore commerciali può persino innescare strade completamente nuove tra il conducente e il veicolo. Come minimo, l'uso di tecnologie come il radar a onde millimetriche cambierà la definizione di "guida" di un veicolo a motore.

La progettazione di questi sistemi radar a onde millimetriche veicolari di solito inizia con un'antenna e l'antenna è solitamente un'antenna a circuito stampato ad alte prestazioni (PCB), che sono installate in posizioni diverse, trasmettendo e ricevendo segnali a onde milliwatt millimetriche a bassa potenza per rilevare o "illuminare" obiettivi. Il radar del veicolo e altri sistemi elettronici utilizzano metodi diversi per fornire informazioni sull'ambiente circostante del veicolo per l'uso da parte degli algoritmi di rilevamento e classificazione degli oggetti circostanti del veicolo.

Il segnale del radar montato sul veicolo può essere sotto forma di CW pulsato o modulato. I sistemi radar montati sui veicoli sono stati utilizzati per il rilevamento degli angoli ciechi a 24 GHz da tempo. Tuttavia, con il passare del tempo e l'intensificarsi della concorrenza nello spettro per altre funzioni come la comunicazione wireless, i sistemi radar montati sui veicoli si stanno muovendo verso le alte frequenze e restringendo le loro larghezze di banda, come la banda di frequenza 1 GHz centrata a 77 GHz e la banda di frequenza 79 GHz.

A 24, 77 o 79 GHz, le prestazioni delle antenne PCB sono fondamentali per questi sistemi radar per veicoli. Devono trasmettere al bersaglio e ricevere quasi istantaneamente se il bersaglio è un segnale riflesso da un altro veicolo. I parametri chiave delle prestazioni dell'antenna PCB includono guadagno, direttività ed efficienza. I materiali del circuito a bassa perdita sono essenziali per ottenere buone prestazioni dell'antenna PCB (Figura 2). L'affidabilità a lungo termine delle antenne PCB è anche molto importante, perché queste antenne compatte e i loro circuiti ricetrasmettitore ad alta frequenza devono anche continuare a funzionare ininterrottamente (quando il veicolo è in funzione) ed essere in grado di operare in un ambiente operativo più difficile - veicoli commerciali - gestiti in modo affidabile sulla cima.