Teknik PCB - Bagaimana memilih bahan sirkuit untuk jenis-jenis aplikasi sensor radar yang berbeza dalam sistem bantuan pemandu lanjut (ADAS)

Bagaimana memilih bahan sirkuit untuk jenis-jenis aplikasi sensor radar yang berbeza dalam sistem bantuan pemandu lanjut (ADAS)

Suatu hari di masa depan, kenderaan memandu diri mungkin lebih selamat daripada kenderaan motor yang dimandu oleh pemandu semasa. Tetapi sebelum pemandu mula melepaskan roda pemandu, beberapa komponen fungsi elektronik mesti menjadi ciri-ciri piawai kenderaan komersial, termasuk sistem radar gelombang milimeter, kamera dan/atau lidar. Perlu berbagai bahan sirkuit. Berbanding dengan jalan, radar kelihatan lebih mudah berkaitan dengan medan perang. Tetapi ia terus-menerus menjadi teknologi sensor yang sangat dipercayai, sebagai sebahagian dari teknologi sistem pembantu kemajuan (ADAS) dalam kereta modern untuk menyediakan fungsi keselamatan elektronik untuk kenderaan komersial modern. Sistem radar gelombang milimeter adalah teknologi dewasa dalam industri kereta. Sebagai sistem bantuan fungsi keselamatan aktif pertama, ia telah digunakan oleh Mercedes-Benz sejak 1996 dan kini biasanya digunakan dalam sistem ADAS modern. Pengesanan titik buta dan perlindungan anti-kejadian.

Radar gelombang milimeter akan membantu kenderaan autonomi menjadi mungkin, tetapi mereka memerlukan kombinasi elemen berbilang, termasuk bahan sirkuit yang boleh menyediakan prestasi stabil untuk peranti elektronik dan sirkuit dengan frekuensi di atas 77 GHz. Contohnya, dalam aplikasi ADAS, bahan sirkuit memerlukan desain garis transmisi yang boleh menyokong isyarat gelombang mikrogelombang dan milimeter pada 24,77 (atau 79) GHz, untuk mencapai kerugian minimal, sementara menyediakan prestasi yang boleh diulang konsisten dalam julat suhu operasi luas. Untungnya, Rogers boleh menyediakan bahan sirkuit ini dengan prestasi konsisten yang diperlukan untuk aplikasi ADAS yang berlainan dari kawasan frekuensi gelombang mikrogelombang hingga kawasan frekuensi gelombang milimeter tinggi.

Sebagai sebahagian dari perlindungan percepsi elektronik sistem ADAS kenderaan, sistem radar yang diletak kenderaan akan digunakan bersama dengan teknologi lain. Sistem radar menghantar isyarat elektromagnetik (EM) dalam bentuk gelombang radio dan menerima isyarat reflected gelombang radio dari sasaran (seperti kereta lain), yang biasanya adalah sasaran berbilang. Sistem radar boleh mengekstrak maklumat sasaran yang sepadan dari isyarat yang diterima, termasuk kedudukannya, jarak, kelajuan relatif dan seksyen salib radar (RCS). Julat (R) boleh ditentukan berdasarkan kelajuan cahaya (c) dan masa perjalanan bulat yang diperlukan (τ) bagi isyarat. Masa perjalanan bulat adalah masa untuk gelombang radio untuk perjalanan dari sumber tenaga radar (penghantar radar) ke sasaran dan kemudian kembali ke sumber tenaga radar. Dalam sistem radar yang diletak kenderaan, kejadian isyarat radar dihantar ke antena PCB. Nilai R boleh dicapai dengan formula matematik sederhana, iaitu, produk kelajuan cahaya dan masa penghantaran perjalanan bulat dari sumber isyarat radar ke sasaran dan kembali ke sumber radar dibahagi dengan 2: R = c τ/2.

Sebagai sebahagian dari keselamatan aktif ADAS, kenderaan disediakan dengan pelbagai sensor termasuk kamera, lidar dan sistem radar

Figure 1: Sebahagian dari keselamatan aktif ADAS, kenderaan disediakan dengan pelbagai sensor, termasuk kamera, lidar dan sistem radar.

Apabila sasaran radar berbilang relatif dekat, seperti dua kenderaan di jalan tercongested, resolusi julat radar yang tepat diperlukan untuk membezakan objek yang dikesan. Denyut radar yang lebih pendek boleh digunakan untuk mengesan sasaran, walaupun denyut pendek atau sebarang jenis isyarat akan mencerminkan kurang tenaga dari sasaran kembali ke penerima radar. Lebih tenaga boleh ditambah ke denyut pendek dengan menggunakan pemampatan denyut, di mana fasa atau modulasi frekuensi boleh meningkatkan aras tenaga. Untuk sebab ini, radar berdasarkan isyarat gelombang terus modulasi frekuensi (FMCW) (juga dikenali sebagai isyarat "chirp") biasanya digunakan dalam sistem radar kenderaan.

Perkiraan kelajuan sasaran boleh dicapai melalui kesan Doppler, yang merujuk kepada perubahan frekuensi isyarat yang dicampur oleh sasaran yang dicapai dari radar mengikut pergerakan sasaran relatif kepada penghantar/penerima radar. Peralihan frekuensi Doppler adalah secara bertentangan dengan panjang gelombang: menurut sama ada sasaran radar dekat atau jauh dari sumber radar, nilai adalah positif atau negatif.

Sistem radar FMCW atau chirp boleh mengukur kelajuan, jarak dan sudut sasaran berbilang. Walaupun radar FMCW band sempit (NB) dan band ultra-lebar (UWB) yang berfungsi pada 24 GHz telah digunakan secara luas, aplikasi band frekuensi ini secara perlahan-lahan berkurang. Sistem radar jangkauan sempit 77-GHz dengan lebar jangkauan 1 GHz semakin digunakan dalam sistem keselamatan kenderaan. Selain itu, industri kenderaan sedang mempelajari radar UWB 79-GHz untuk aplikasi masa depan. Radar CW relatif mudah dan boleh mengesan kelajuan sasaran, tetapi ia tidak dapat mengesan jarak sasaran. Radar gelombang berterusan denyut juga boleh menggunakan frekuensi Doppler berbilang untuk memperkirakan jarak. Durasi denyut dan frekuensi ulangan denyut (PRF) adalah dua parameter kunci untuk merancang sistem radar gelombang terus-menerus denyut yang boleh dipercayai.

Kerana pemampatan denyut, resolusi julat radar FMCW adalah secara bertentangan dengan lebar band isyarat FMCW, dan tidak ada kaitan dengan lebar denyut. Radar FMCW jarak pendek menggunakan bentuk gelombang UWB untuk mengukur jarak kecil dengan resolusi tinggi. Resolusi Doppler adalah fungsi lebar denyut dan bilangan denyut yang digunakan untuk pengiraan. Kelompok dalam mana-mana sistem radar ialah bunyi yang dijana oleh isyarat radar yang direfleksikan oleh objek lain selain sasaran kepentingan. Dalam mana-mana sistem radar, dibandingkan dengan objek sekitar lain, radar mesti mengenali sasaran yang berkesan dari banyak objek yang dipecahkan oleh isyarat radar.

Sistem keselamatan elektronik kapal menggunakan parameter fisik lain (seperti penglihatan dan cahaya) untuk menyediakan data yang boleh digunakan kepada pengendali domain ADAS kenderaan. Pemegang domain adalah pusat pemprosesan maklumat yang melaksanakan fusion maklumat sensor untuk membantu memandu kenderaan dengan selamat. Kamera depan digunakan untuk amaran keluar jalur dan pengesan imej objek, sementara kamera belakang boleh menyediakan imej terbalik dan tambahan jika diperlukan. Sistem pengesan cahaya dan jangkauan (LiDAR, lidar) menghantar denyut cahaya inframerah (IR) ke sasaran (misalnya, kereta lain atau dinding di tempat letak kereta), dan mengesan denyut IR yang kembali ke sumber, berdasarkan pengeluaran kelajuan cahaya digunakan untuk menghitung jarak antara sumber dan sasaran. Mengguna parameter terperinci seperti panjang dan panjang gelombang denyut IR dan masa yang diperlukan untuk mencerminkan dan kembali ke pengesan/penerima IR dalam kenderaan, kedudukan dan pergerakan relatif objek irradian IR boleh dihitung. Malangnya, prestasi dan efektiviti sistem lidar kenderaan sangat susah untuk keadaan persekitaran yang berat, seperti salji, hujan, dan kabut.

Sistem radar yang diletak kenderaan boleh berfungsi dengan cara sistem LiDAR, tetapi panjang gelombang yang sepadan radar frekuensi gelombang milimeter lebih kecil. Radar yang diletak-kenderaan ditentukan untuk digunakan dalam julat frekuensi tertentu, seperti 24, 77 dan 79 GHz. Band frekuensi ini telah disetujui untuk digunakan oleh beberapa organisasi piawai, seperti Komisi Komunikasi Persekutuan di Amerika Syarikat dan Institut Standard Telekomunikasi Eropah telah menyetujui penggunaan mereka.

Pada masa ini, pelbagai radar digunakan sebagai sebahagian dari aplikasi ADAS, dan isyarat FMCW digunakan secara luas kerana kegunaan mereka dalam mengukur kelajuan, jarak dan sudut sasaran berbilang. Radar motor kadang-kadang menggunakan NB-band sempit dan reka UWB-band ultra-lebar yang beroperasi dalam band frekuensi 24GHz. Radar kenderaan jangkauan sempit 24GHz menguasai julat 200 MHz dari 24.05 hingga 24.25 GHz, dan radar jangkauan lebar 24 GHz mempunyai lebar jangkauan total 5 GHz, dari 21.65 GHz hingga 26.65 GHz. Sistem radar lengkap 24 GHz yang diletak kenderaan boleh menyediakan pengesan sasaran lalu lintas jarak pendek yang berkesan dan digunakan untuk fungsi sederhana seperti pengesan titik buta. Sistem radar kenderaan jalur-lebar ultra telah dilaksanakan pada fungsi resolusi julat yang lebih tinggi, seperti kawalan pelayaran sesuai (ACC), amaran bertentangan maju (FCW) dan sistem rem kecemasan automatik (AEB).

Namun, kerana aplikasi komunikasi bimbit global terus mengkonsumsi spektrum pada frekuensi "rendah" (termasuk aksesori 24 GHz), frekuensi sistem radar yang diletak kenderaan menjadi lebih tinggi, dan spektrum gelombang milimeter yang tersedia dengan panjang gelombang yang lebih pendek menjadi pilihan, dan frekuensi adalah sama ada 77 dan 79 GHz. Kenyataannya, Jepun tidak lagi menggunakan teknologi radar kenderaan 24 GHz kabel luas. Menurut jadual masa yang ditetapkan oleh organisasi standar kawasan ETSI dan FCC, ia akan dipastikan di Eropah dan Amerika Syarikat, dan akan digantikan oleh sistem radar kenderaan frekuensi sempit 77GHz dan jangkauan luas 79GHz. Radar 77GHz dan 79GHz akan digunakan dalam beberapa bentuk sebagai modul fungsi untuk kenderaan autonomi.

Keperlukan bahan

Kereta yang memandu sendiri akan menggunakan banyak teknologi elektronik yang berbeza untuk menyediakan panduan, kawalan dan keselamatan, termasuk sensor yang menggunakan gelombang cahaya dan elektromagnetik. Julat frekuensi isyarat dan teknologi sirkuit yang sangat digunakan oleh radar frekuensi gelombang milimeter pernah dianggap unik, eksperimen, dan bahkan hanya digunakan untuk tujuan tentera. Peningkatan penggunaan radar gelombang-milimeter adalah trend di mana semakin banyak teknologi elektronik dan sirkuit terpisah ke dalam kenderaan motor, menyediakan kesehatan dan sokongan untuk pemandu, menjadikan kenderaan lebih selamat, dan membolehkan pemilik kenderaan dan operator untuk menghindari kenderaan memandu. Bebas dari "tugas". Penggunaan elektronik frekuensi tinggi dalam kenderaan motor komersial bahkan boleh memicu cara yang sama sekali baru antara pemandu dan kenderaan. Sekurang-kurangnya, penggunaan teknologi seperti radar gelombang milimeter akan mengubah definisi "memandu" kenderaan motor.

Rancangan sistem radar gelombang milimeter kenderaan ini biasanya bermula dengan antena, dan antena biasanya adalah antena papan sirkuit cetak berkesan tinggi (PCB), yang dipasang dalam kedudukan yang berbeza, Dengan menghantar dan menerima isyarat gelombang miliwatt kuasa rendah untuk mengesan atau "menyalakan" sasaran. Radar kenderaan dan sistem elektronik lain menggunakan kaedah yang berbeza untuk menyediakan maklumat mengenai persekitaran sekeliling kenderaan untuk digunakan oleh algoritma pengesan objek sekeliling kenderaan.

Isyarat radar yang diletakkan kenderaan mungkin dalam bentuk CW yang dipindahkan atau dipindahkan. Sistem radar yang diletak-kenderaan telah digunakan untuk pengesan titik buta pada 24 GHz selama beberapa masa. Namun, dengan melalui masa dan intensifikasi persaingan spektrum untuk fungsi lain seperti komunikasi tanpa wayar, sistem radar yang diletakkan kenderaan bergerak menuju frekuensi tinggi dan mempersempit lebar bandnya, seperti band frekuensi luas 1 GHz yang ditengah pada 77 GHz dan band frekuensi 79 GHz.

Sama ada pada 24, 77 atau 79 GHz, prestasi antena PCB adalah kritikal bagi sistem radar kenderaan ini. Mereka perlu dihantar ke sasaran dan menerima hampir seketika jika sasaran adalah isyarat reflected dari kenderaan lain. Parameter prestasi antena PCB kunci termasuk keuntungan, arah dan efisiensi. Bahan sirkuit kerugian rendah adalah penting untuk mendapatkan prestasi antena PCB yang baik (Figure 2). Kekepercayaan jangka panjang antena PCB juga sangat penting, kerana antena kompak ini dan sirkuit penerima frekuensi tinggi mereka juga mesti terus berfungsi tanpa henti (apabila kenderaan sedang berjalan) dan mampu berfungsi dalam kenderaan-kenderaan komersial-persekitaran yang lebih mencabar-beroperasi-kenderaan-komersial-beroperasi dengan selamat di atas.