精準(zhǔn)定位需求看漲，世強(qiáng)24GHz單芯片雷達(dá)方案準(zhǔn)備就緒

在多數(shù)人眼中，雷達(dá)是用來探測與導(dǎo)航的。不過如今雷達(dá)的應(yīng)用已日益深入家庭生活。比如，您家的智能馬桶就采用了24GHz雷達(dá)傳感器。而在汽車中，使用24GHz的防撞雷達(dá)已在歐美國家最先普及；在工業(yè)領(lǐng)域，儲罐液位計、路燈系統(tǒng)、入侵報警系統(tǒng)、警用測速儀、智能開門器、動作檢測器以及智能停車場等公共設(shè)施也都有了雷達(dá)的身影。

 

為什么是微波雷達(dá)?

 

為什么這些場合必須要用到雷達(dá)而不是其他的探測方式？或許您可以從蝙蝠的身上尋找答案。蝙蝠是“瞎子”，但卻可以在夜間出沒，相當(dāng)精準(zhǔn)的探測障礙物。人們受到啟發(fā)于是發(fā)明了雷達(dá)。所以，在汽車，工業(yè)等領(lǐng)域中，在視覺條件很差的情況下還要求精確地探測物體時，雷達(dá)就被派上了用場。

 

目前在對汽車先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的大部分討論都集中在使用可見波長攝像機(jī)的被動視覺系統(tǒng)上。知名的技術(shù)型電子元器件分銷商世強(qiáng)產(chǎn)品經(jīng)理宋斌在一次相關(guān)會議上就曾表示：“重要的一點(diǎn)是，‘ADAS傳感技術(shù)’只有雷達(dá)是與天氣無關(guān)的。而攝像機(jī)在識別目標(biāo)上有優(yōu)勢，雷達(dá)更善于探測物體，測量其速度。” 宋斌解釋到，出于這些原因，很多重視探測和風(fēng)險分類評估的早期系統(tǒng)會選擇雷達(dá)。他指出：“在歐洲，對卡車緊急剎車系統(tǒng)有很大的需求。它是基于雷達(dá)的。”

 

雖然光學(xué)視覺系統(tǒng)非常成熟了，而雷達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)勢會使其更加完善。宋斌預(yù)測，在不久的將來，具有目標(biāo)識別的多攝像機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)能夠融合視頻和雷達(dá)據(jù)，對周圍的世界建立動態(tài)模型。

 

“而相比成本更低的超聲波雷達(dá)，微波雷達(dá)一定是汽車ADAS系統(tǒng)的趨勢。因為相比超聲波雷達(dá)，微波雷達(dá)受的干擾要小很多，如其不受大霧天氣及溫度等的影響，檢測距離大于100m，而超聲波雷達(dá)受到的干擾則較多，檢測距離小于1m。雖然微波雷達(dá)的成本要高一些，但是真正能夠滿足汽車嚴(yán)酷環(huán)境安全要求的，還是要選‘攝像頭+微波雷達(dá)’的方案。”宋斌表示。

24GHz收發(fā)一體FMCW的高集成度方案

 

不過微波雷達(dá)系統(tǒng)高昂的成本及復(fù)雜的高頻設(shè)計一直使得其難以廣泛投入商用。“英飛凌適用于商業(yè)級和汽車級傳感應(yīng)用的單片24GHz雷達(dá)芯片解決了這一難題。”宋斌進(jìn)一步指出：“作為英飛凌的增值服務(wù)分銷商，我們代理的英飛凌24GHz收發(fā)一體芯片BGT24Mxx系列堪稱是目前市場上集成度最高的24GHz的ISM波段雷達(dá)收發(fā)器系列。該解決方案具備設(shè)計緊湊、系統(tǒng)靈活和成本效益的特點(diǎn)，在汽車和工業(yè)領(lǐng)域的優(yōu)勢非常明顯。”

 

圖1. 英飛凌24GHz收發(fā)一體芯片

BGT24Mxx系列工作在24GHz ISM頻段，采用頻率調(diào)制的連續(xù)波(FMCW)設(shè)計。配備了一個具有業(yè)界最高集成度的片上雷達(dá)收發(fā)器和一個僅用于接收的輔助芯片，使系統(tǒng)設(shè)計師能靈活實現(xiàn)多種應(yīng)用的低成本和高性能的設(shè)計目標(biāo)。

 

全新系列的三款器件分別為BGT24MTR11(單發(fā)射單接收通道)、BGT24MTR12 (單發(fā)射雙接收通道)和BGTMR2 (雙接收器)。由一個接收器發(fā)展到兩個或更多個接收通道，這可使系統(tǒng)在更廣的角度內(nèi)更精確地進(jìn)行目標(biāo)感測。電壓為3.3V的BGT24MTR11在500mW功耗下感測距離達(dá)到160米。其在近場傳感應(yīng)用中的感測精度達(dá)到毫米級別。

 

24GHz單片雷達(dá)方案推動汽車和工業(yè)應(yīng)用率先普及

 

“將發(fā)射通道和接收通道集成在一顆芯片上，節(jié)省了寶貴的電路板空間，較之于分立器件方案，其占板面積節(jié)省了30%左右。并且令設(shè)計簡單的如同不需要24GHz RF匹配/RF傳輸線一樣。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)VQFN封裝可以在標(biāo)準(zhǔn)SMD生產(chǎn)線上進(jìn)行貼裝。以上的這些特性都使得它成為汽車防撞雷達(dá)的不二之選。” 宋斌指出。

 

英飛凌雷達(dá)芯片采用基于鍺硅（SiGe）的制造工藝。鍺硅工藝研發(fā)項目得到了德國聯(lián)邦教育與研究部（BMBF）的支持。該工藝經(jīng)過專門設(shè)計，尤其適用于汽車應(yīng)用。與目前使用的砷化鎵（GaAs）組件不同，SiGe工藝可制造出更加小巧且經(jīng)濟(jì)實惠的雷達(dá)傳感器。

 

“汽車毫米波雷達(dá)是汽車主動安全產(chǎn)品的關(guān)鍵部件，目前國際上幾乎所有的汽車均開始配備汽車毫米波雷達(dá)，其中包括汽車防撞雷達(dá)、汽車盲區(qū)檢測雷達(dá)等。目前，國產(chǎn)還沒有開發(fā)出可商業(yè)化的汽車毫米波雷達(dá)產(chǎn)品，而國外同類產(chǎn)品價格昂貴，如凱美瑞的汽車防撞雷達(dá)就高達(dá)1.9萬人民幣/個。所以市場急需此類產(chǎn)品。”宋斌指出。

 

國內(nèi)估計最先使用起來的是24GHz微波雷達(dá)，用來做短距離探測。宋斌進(jìn)一步指出：“現(xiàn)在我們價格已經(jīng)做到很便宜，批量化后價格會更加便宜，加上24GHz周邊的元器件設(shè)計更加簡單，我們已經(jīng)有汽車行業(yè)客戶商業(yè)化了。至于77GHz，價格太貴，后端開發(fā)技術(shù)難度大，相關(guān)儀器都很難搞到，要想大量普及短時間還是很難的。還有關(guān)鍵一點(diǎn)：國家工信部已經(jīng)出臺政策‘24GHz頻段短距離車載雷達(dá)設(shè)備使用頻率規(guī)劃’。”

 

圖2. 工業(yè)和信息化部關(guān)于發(fā)布24GHz頻段短距離車載雷達(dá)設(shè)備使用頻率的通知

雷達(dá)技術(shù)是設(shè)計創(chuàng)新的ADAS系統(tǒng)、避免交通事故發(fā)生的關(guān)鍵所在。英飛凌的雷達(dá)芯片無論在何種天氣條件下（包括霧天、雨天和雪天），都能讓汽車看清前方道路。正是有了這款芯片，未來，中遠(yuǎn)距離雷達(dá)系統(tǒng)將成為中級車標(biāo)配設(shè)備。

 

此外，BGT24Mxx系列的潛在應(yīng)用范圍還包括儲罐(固體和液體)的液位/料位監(jiān)測、照明控制、安防系統(tǒng)和智能門控系統(tǒng)應(yīng)用以及工業(yè)車輛的防撞監(jiān)測等。

 

Rogers高性能微波板材——24G雷達(dá)的最佳配套選擇

 

大功率、復(fù)雜的射頻、微波系統(tǒng)同樣給高頻線路板材帶來了挑戰(zhàn)。好馬還需配好鞍，羅杰斯（Rogers）高性能微波板材是英飛凌24G雷達(dá)方案的最佳選擇。

 

世強(qiáng)微波產(chǎn)品經(jīng)理陽忠提醒工程師們：“高性能的射頻、微波系統(tǒng)對相關(guān)的功率器件以及無源器件具有近乎苛刻的要求，因此目前能進(jìn)入該領(lǐng)域的半導(dǎo)體和無源器件提供商屈指可數(shù)。另外，在相關(guān)材料上也具有極高的要求，系統(tǒng)電路板材以及相關(guān)物料的特性同樣十分關(guān)鍵。為了能夠勝任應(yīng)用的操作環(huán)境，在選材時需要依據(jù)電氣、機(jī)械和熱性能挑選合適的材料。”

 

Rogers 的RO4000系列是目前市場上性價比最優(yōu)的射頻/微波板材，RO4350(R) 提供最高性價比；RO4350 LOPRO(R) 提供更低的導(dǎo)體損耗；RO4835(R) 提供高溫抗氧化板材。

 

RO4000系列的DK、DS特性在24G頻段非常穩(wěn)定，并且采用碳?xì)錁渲疤沾商盍蠈訅喊搴桶牍袒梢蕴峁┏錾母哳l性能以及低廉的線路加工成本。是一款可以用標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)氧樹脂/玻璃布（FR-4）加工工藝進(jìn)行加工的低損耗材料。以下優(yōu)點(diǎn)都使其成為了24GHz雷達(dá)的最佳拍檔：

 

性價比最優(yōu)的射頻/微波板材

 

類似于FR4的加工流程，加工成本更加低廉，

 

3倍于PTFE材料的導(dǎo)熱系數(shù)

 

低的Z軸熱膨脹率，可以更好的保證通孔可靠性，更適合與多層板的壓合

 

介電常數(shù)2.55-6.15

 

RO4000材料還擁有微波射頻電路、匹配網(wǎng)絡(luò)以及特定阻抗傳輸線的設(shè)計者所需要的特性。而且有符合UL 94V-0防火等級的版本。“RO4350和RO4835最適于應(yīng)用于汽車中。其中RO4835還采用了高溫抗氧化板材，即使汽車在高溫環(huán)境下工作，板子也不會氧化。” 陽忠強(qiáng)調(diào)。

 

本文小結(jié)

 

如前所述，英飛凌24GHz單芯片雷達(dá)解決方案具備如下三大優(yōu)勢：

 

1、高度集成：一顆芯片上集成了發(fā)射和接收功能，比分立器件節(jié)省占比30%占比空間；

 

2、電路設(shè)計簡單，電路板上不需要24GHz RF匹配/RF傳輸線；

 

3、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QFN式封裝可以在標(biāo)準(zhǔn)SMD生產(chǎn)線上進(jìn)行貼裝。