Технология PCB - как использовать материал схемы для различных типов радиолокационных датчиков в системах поддержки водителей высшего пилота (ADAS)

Как выбрать материалы схемы для различных типов радарных датчиков, применяемых в автомобильных системах помощи водителю (ADAS) 

Когда-нибудь в будущем самоуправляемые автомобили, вероятно, станут более безопасными, чем транспортные средства, управляемые нынешними водителями. Но прежде чем водитель начнет отпускать руль, некоторые электронные функциональные компоненты должны стать стандартными элементами серийных автомобилей, включая радарные системы на миллиметровых волнах, камеры и/или лидары. Нужны разнообразные материалы для схем. По сравнению с дорогами радар, казалось бы, легче ассоциируется с полем боя. Однако он уверенно превращается в очень надежную сенсорную технологию, являясь частью технологии передовых систем помощи водителю (ADAS) в современных автомобилях, обеспечивая электронные функции безопасности для современных коммерческих автомобилей. Радарная система на миллиметровых волнах является зрелой технологией в автомобильной промышленности. Будучи первой системой активной помощи при торможении с функцией безопасности, она использовалась компанией Mercedes-Benz с 1996 года и в настоящее время широко применяется в современных системах ADAS. Обнаружение слепых зон и защита от столкновений.  circuit board material

Радары, работающие на миллиметровых волнах, помогут сделать автономные автомобили возможными, однако для их создания требуется сочетание множества элементов, включая материалы для схем, способные обеспечить стабильную работу электронных устройств и схем с частотами выше 77 ГГц. Например, в приложениях ADAS схемотехнические материалы требуют разработки линий передачи, способных поддерживать сигналы СВЧ и миллиметровых волн на частотах 24, 77 (или 79) ГГц, обеспечивать минимальные потери и при этом стабильные повторяемые характеристики в широком диапазоне рабочих температур. К счастью, компания Rogers может предоставить такой материал для схем с неизменными характеристиками, необходимыми для приложений ADAS в диапазоне частот от микроволнового до высокочастотного диапазона миллиметровых волн.

В рамках электронной защиты восприятия системы ADAS автомобиля установленная на нем радиолокационная система будет использоваться совместно с другими технологиями. Радарные системы посылают электромагнитные (ЭМ) сигналы в виде радиоволн и принимают отраженные сигналы радиоволн от цели (например, другого автомобиля), которых обычно бывает несколько. Из полученных отраженных сигналов радарная система может извлекать соответствующую информацию о цели, включая ее положение, расстояние, относительную скорость и радиолокационное поперечное сечение (RCS). Дальность (R) может быть определена на основе скорости света (c) и требуемого времени прохождения сигнала в оба конца (τ). Время прохождения сигнала по кругу - это время прохождения радиоволны от источника энергии радара (передатчика радара) до цели и последующего возвращения к источнику энергии радара. В автомобильной радиолокационной системе возникновение радиолокационного сигнала передается на антенну ПРК. Значение R можно получить по простой математической формуле, то есть как произведение скорости света и времени передачи сигнала от источника радиолокационного сигнала до цели и обратно к источнику, деленное на 2: R = cτ/2.

В рамках системы активной безопасности ADAS автомобиль оснащается различными датчиками, включая камеры, лидарные и радарные системы.

Рисунок 1. В рамках системы активной безопасности ADAS автомобиль оснащается различными датчиками, включая камеры, лидарные и радарные системы.

Когда несколько радиолокационных целей находятся относительно близко, например два автомобиля на перегруженной дороге, для различения обнаруженных объектов требуется точное разрешение по дальности действия радара. Для обнаружения цели можно использовать более короткий радиолокационный импульс, хотя более короткий импульс или сигнал любого типа будет отражать меньше энергии от цели обратно в приемник радара. Увеличить энергию короткого импульса можно с помощью сжатия импульса, а фазовая или частотная модуляция позволяет повысить его мощность. По этой причине радары на основе частотно-модулированных непрерывных волн (FMCW) (также известных как "чирпы") широко используются в автомобильных радиолокационных системах.

Оценка скорости цели может быть достигнута за счет эффекта Доплера, под которым понимается изменение частоты отраженного от цели сигнала, получаемого от радара, в зависимости от движения цели относительно передатчика/приемника радара. Доплеровский сдвиг частоты обратно пропорционален длине волны: в зависимости от того, близко или далеко находится цель от источника радиолокационного сигнала, его значение будет положительным или отрицательным.

FMCW-радар, или радар с чирпом, позволяет измерять скорость, расстояние и угол наклона нескольких целей. Хотя узкополосные (NB) и сверхширокополосные (UWB) FMCW-радары, работающие на частоте 24 ГГц, получили широкое распространение, область применения этого частотного диапазона постепенно сокращается. Все большее применение в системах безопасности автомобилей находят узкополосные 77-ГГц радары с полосой пропускания 1 ГГц. Кроме того, автомобильная промышленность изучает возможности применения радаров UWB 79 ГГц в будущем. Импульсный радар на непрерывных волнах относительно прост и может определять скорость цели, но не может определять расстояние до нее. Импульсный радар непрерывных волн также может использовать несколько доплеровских частот для оценки расстояния. Длительность импульса и частота повторения импульсов (PRF) - два ключевых параметра для создания надежной импульсной радиолокационной системы.

Из-за сжатия импульсов разрешение по дальности в FMCW-радаре обратно пропорционально полосе пропускания FMCW-сигнала и никак не связано с длительностью импульса. В FMCW-радарах малой дальности для измерения малых расстояний с высоким разрешением используются UWB-волны. Доплеровское разрешение является функцией ширины импульса и количества импульсов, используемых для оценки. Помехи в любой радиолокационной системе - это шум, создаваемый радиолокационным сигналом, отраженным от объектов, отличных от интересующей нас цели. В любой радиолокационной системе по сравнению с другими окружающими объектами радар должен выделить эффективные цели из множества объектов, освещаемых радиолокационным сигналом.

Бортовая электронная система безопасности использует и другие физические параметры (например, зрение и освещенность) для предоставления полезных данных контроллеру домена ADAS автомобиля. Контроллер домена представляет собой центр обработки информации, выполняющий объединение данных датчиков для обеспечения безопасного управления автомобилем. Передняя камера используется для предупреждения о сходе с полосы движения и визуализации объектов, а задняя камера может обеспечивать задний ход и дополнительную визуализацию при необходимости. Системы обнаружения света и дальности (LiDAR, лидар) передают импульсы инфракрасного (ИК) света на цель (например, другой автомобиль или стену на парковке) и регистрируют ИК-импульсы, возвращающиеся к источнику, на основе распространения света Скорость используется для расчета расстояния между источником и целью. Используя такие детальные параметры, как длина и волна ИК-импульса, а также время, необходимое для отражения и возвращения к ИК-детектору/приемнику в автомобиле, можно рассчитать положение и относительное перемещение облучаемого ИК-излучением объекта. К сожалению, производительность и эффективность автомобильных лидарных систем чрезвычайно чувствительны к неблагоприятным условиям окружающей среды, таким как снег, дождь и туман.

Автомобильная радарная система может работать по аналогии с системой LiDAR, но соответствующая длина волны радара миллиметровой частоты меньше. Автомобильные радары предназначены для использования в определенных частотных диапазонах, таких как 24, 77 и 79 ГГц. Эти диапазоны частот одобрены к использованию рядом организаций, занимающихся разработкой стандартов, например Федеральной комиссией по связи США и Европейским институтом телекоммуникационных стандартов.

В настоящее время в составе систем ADAS используются различные радары, и сигналы FMCW широко распространены благодаря их эффективности при измерении скорости, расстояния и угла наклона нескольких целей. В автомобильных радарах иногда используются узкополосные NB и сверхширокополосные UWB конструкции, работающие в диапазоне частот 24 ГГц. Узкополосный автомобильный радар 24 ГГц занимает диапазон 200 МГц от 24,05 до 24,25 ГГц, а сверхширокополосный радар 24 ГГц имеет общую полосу пропускания 5 ГГц - от 21,65 до 26,65 ГГц. Узкополосная автомобильная радиолокационная система с частотой 24 ГГц позволяет эффективно обнаруживать транспортные цели на коротких расстояниях и используется для выполнения таких простых функций, как обнаружение слепых зон. Сверхширокополосные автомобильные радиолокационные системы применяются для выполнения функций с более высоким разрешением, таких как адаптивный круиз-контроль (ACC), предупреждение о столкновении с впереди идущим транспортом (FCW) и система автоматического экстренного торможения (AEB).

Однако по мере того как глобальные приложения мобильной связи продолжают потреблять спектр на "более низких" частотах (в том числе и на 24 ГГц), частота автомобильных радарных систем становится выше, и выбор падает на доступный спектр миллиметровых волн с более короткой длиной волны, а частоты, соответственно, составляют 77 и 79 ГГц. Фактически Япония больше не использует 24-ГГц сверхширокополосные автомобильные радары. Согласно графикам, установленным региональными организациями по стандартизации ETSI и FCC, в Европе и США она будет постепенно отменяться, а на смену ей придут более высокочастотные узкополосные 77 ГГц и сверхширокополосные 79 ГГц автомобильные радиолокационные системы. Радары 77 и 79 ГГц в той или иной форме будут использоваться в качестве функциональных модулей для автономных транспортных средств.

Требования к материалам

В самоуправляемых автомобилях для обеспечения наведения, управления и безопасности будет использоваться множество различных электронных технологий, в том числе датчики, использующие световые и электромагнитные волны. Диапазон частот сигнала и схемотехника, широко используемые в радарах, работающих на миллиметровых волнах, когда-то считались уникальными, экспериментальными и даже применялись только в военных целях. Расширение использования радаров миллиметровых волн - это тенденция, когда все больше электронных технологий и схем интегрируется в автотранспорт, обеспечивая удобство и поддержку водителей, делая автомобили более безопасными, позволяя владельцам и операторам транспортных средств отказаться от управления автомобилем. Освобождение от "задачи". Использование высокочастотной электроники в коммерческом автотранспорте может даже вызвать совершенно новые отношения между водителем и транспортным средством. По крайней мере, использование таких технологий, как радар миллиметровых волн, изменит определение понятия "управление" транспортным средством. circuit board material

Конструкция автомобильных радаров миллиметровых волн обычно начинается с антенны, которая представляет собой высокопроизводительную печатную плату (ПП), устанавливаемую в различных местах и передающую и принимающую маломощные милливаттные сигналы миллиметровых волн для обнаружения или "подсветки" целей. Радар и другие электронные системы автомобиля используют различные методы получения информации об окружающей обстановке для использования алгоритмами обнаружения и классификации окружающих объектов.

Сигнал установленного на транспортном средстве радара может быть в виде импульсного или модулированного КС. Автомобильные радары уже давно используются для обнаружения слепых зон на частоте 24 ГГц. Однако с течением времени и усилением конкуренции за использование спектра для других функций, таких как беспроводная связь, автомобильные радары переходят на высокие частоты и сужают свою полосу пропускания, например, в полосе частот шириной 1 ГГц с центром на 77 ГГц и в полосе частот 79 ГГц.

При работе на частотах 24, 77 или 79 ГГц характеристики антенн печатных плат имеют решающее значение для этих автомобильных радиолокационных систем. Они должны передавать сигнал на цель и практически мгновенно принимать его, если целью является отраженный сигнал от другого транспортного средства. Ключевыми параметрами работы антенн на печатных платах являются коэффициент усиления, направленность и эффективность. Для получения хороших характеристик печатных антенн необходимо использовать материалы с низкими потерями (рис. 2). Очень важна также долговременная надежность антенн на печатных платах, поскольку эти компактные антенны и их высокочастотные приемопередающие цепи должны также продолжать бесперебойно работать (во время движения автомобиля) и быть способными работать в более сложных условиях эксплуатации - коммерческом автотранспорте, который надежно работает на высоте.