影響汽車(chē)毫米波雷達傳感器性能一致性的思考---之PCB電路材料的考慮

　　毫米波雷達傳感器在眾多傳感器中具有全天候工作的獨特特點(diǎn)，使其在成為汽車(chē)主動(dòng)安全系統(ADAS)中的關(guān)鍵核心部件。毫米波雷達傳感器的性能受多個(gè)因素的影響，而PCB電路材料就是影響傳感器電路性能的關(guān)鍵因素之一。為確保毫米波傳感器具有較高的穩定性和性能一致性，就需要考慮PCB電路材料中的諸多關(guān)鍵參數。本文就PCB電路材料中影響汽車(chē)毫米波雷達傳感器穩定性和一致性的多個(gè)關(guān)鍵參數進(jìn)行了討論，分析了這些參數如何影響傳感器的性能，從而更好的選擇適合于汽車(chē)毫米波雷達的電路材料。

　　1. ADAS系統中的毫米波雷達

　　當前，汽車(chē)自動(dòng)駕駛已成為全球業(yè)界的一個(gè)熱門(mén)話(huà)題。各大汽車(chē)制造商及其供應商、科技巨頭公司等紛紛注目并摩拳擦掌進(jìn)入輔助及自動(dòng)駕駛汽車(chē)市場(chǎng)。各國政府也對自動(dòng)駕駛汽車(chē)陸續出臺了相應的法規和標準，以促進(jìn)其快速健康發(fā)展。2017年7月，全新奧迪A8在巴塞羅那的首發(fā)，是全球首款具備了L3級自動(dòng)駕駛功能的量產(chǎn)車(chē)型。

　　圖1、全球汽車(chē)出貨量的自動(dòng)化程度趨勢

　　在自動(dòng)駕駛汽車(chē)的不斷發(fā)展過(guò)程中，汽車(chē)的安全性是一切發(fā)展的前提，是真正實(shí)現汽車(chē)自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵。各種傳感器需要協(xié)同工作來(lái)實(shí)現車(chē)輛對周?chē)h(huán)境高精度低延時(shí)的監控，而毫米波雷達憑借其可靠的表現(如應對惡劣天氣條件)使能汽車(chē)先進(jìn)駕駛輔助系統(ADAS)的各種功能。這些雷達傳感器幾乎是所有現在正在使用的汽車(chē)先進(jìn)駕駛輔助系統技術(shù)的基礎。

　　汽車(chē)雷達傳感器主要有短距離和中遠距離雷達傳感器，它們的工作頻率分別是24GHz和77GHz/79GHz。24GHz雷達傳感器的探測距離約50m左右，距離相對較短，主要用于盲點(diǎn)監測(BSD)，變道輔助(LCA)等。77GHz雷達傳感器的的探測距離更長(cháng)，可達到160m到230m。相比于24GHz，77GHz雷達傳感器的頻率更高、波長(cháng)變短、系統帶寬更寬，從而提高了距離和速度測量的精度和準確度，主要用于自動(dòng)緊急制動(dòng)(AEB)、汽車(chē)自適應巡航控制(ACC)和前向防撞預警(FCW)等。77GHz汽車(chē)雷達的應用對應于汽車(chē)自動(dòng)化程度的高級階段，隨著(zhù)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的發(fā)展，77GHz汽車(chē)雷達傳感器的需求和應用逐漸呈上升趨勢。

　　圖2、24GHz頻段與77GHz頻段汽車(chē)雷達傳感器的趨勢

　　對于諸如工作在77GHz/79GHz頻段的毫米波汽車(chē)雷達傳感器，由于其信號的波長(cháng)很短，其電路性能和一致性非常容易受到多方面因素的影響。如何考慮和減小這些因素帶來(lái)的影響，確保雷達傳感器的性能具有較好的一致性就變得非常重要。對雷達傳感器的PCB電路來(lái)講，就需要理解并考慮PCB電路材料的諸多參數以及PCB加工等帶來(lái)的對一致性的影響，從而更好的進(jìn)行電路材料的選擇和電路設計。

　　2. 電路材料的考慮

　　汽車(chē)雷達傳感器在毫米波頻段的應用，對于電路設計工程師來(lái)說(shuō)，如何選擇正確的PCB材料是設計電路一開(kāi)始就要面臨的挑戰。毫米波頻段下由于其波長(cháng)較小，電路極易容易發(fā)生色散和產(chǎn)生高次模，因此通?？紤]選擇較薄的PCB電路材料;而電路材料的介電常數和損耗隨頻率的增加也變化非常明顯，因此需要選擇在高頻時(shí)具有穩定介電常數和具有極低損耗的電路材料。而介電常數值的值的選擇不宜較大，較大的介電常數會(huì )使設計的導體線(xiàn)寬較窄，不但增加了電路的導體損耗，而且增加了加工難度。

　　圖3、普通介質(zhì)材料的Dk/Df隨頻率的變化特性

　　以上的幾個(gè)考慮因素僅僅是毫米波電路設計的開(kāi)始，這些因素的考慮可以使電路能夠具有較好的性能特性。然而要使成多個(gè)相同的電路都具有一致的和穩定的電路性能，還需要考慮材料的其他多個(gè)因素。

　　2.1 介電常數一致性

　　介電常數(Dk)是電路材料最重要的參數之一，也是電路設計者的一個(gè)設計出發(fā)點(diǎn)。在汽車(chē)雷達的陣列天線(xiàn)設計中，包括不同類(lèi)型傳輸線(xiàn)的電路結構尺寸、不同傳輸線(xiàn)的相位差或時(shí)延，以及實(shí)現各單元天線(xiàn)間距控制等都是由材料的介電常數確定的。同一板內的介電常數的變化會(huì )導致汽車(chē)雷達特別是毫米波汽車(chē)雷達的收發(fā)之間存在某一相位差，影響交通中對其他車(chē)輛或速度的檢測精度，造成對其定位產(chǎn)生偏差。同時(shí)，材料不同批次的介電常數的變化更會(huì )引起不同毫米波雷達系統存在差異，影響系統的一致性。

　　介電常數(Dk)通?？梢苑譃椴牧辖橘|(zhì)的Dk和實(shí)際電路所呈現的介電常數。通常我們把材料介質(zhì)的介電常數稱(chēng)為過(guò)程Dk，而實(shí)際電路所呈現的介電常數稱(chēng)之為設計Dk。選擇過(guò)程Dk容差控制較小的電路材料有利于減小系統性能的差異和變化。然而，對于系統的性能一致性，電路所呈現的總的介電常數(設計Dk)更應該值得考慮。

　　2.2 銅箔粗糙度

　　眾所周知，材料所使用銅箔的表面粗糙度對會(huì )對電路的介電常數產(chǎn)生影響。由于銅箔表面粗糙度的存在，使得電磁波在電路中的傳播速度變慢，相對于非常光滑的銅箔表面，其形成了慢波效應，從而使得電路所呈現的介電常數增加。越粗糙的銅箔表面使電路所呈現出的介電常數越大，而越光滑的銅箔表面的電路介電常數越小。同時(shí)，不同厚度的材料，即使選用相同銅箔，越薄的材料上銅箔表面粗糙度對電路介電常數的影響越大，而越厚的材料其影響越小。圖4就顯示了基于相同銅箔下的RO3003TM材料，不同材料厚度所呈現出的不同的電路介電常數(設計Dk)值。

　　圖4、相同銅箔材料不同厚度的電路介電常數(設計Dk)

　　大多數的PCB基材都會(huì )壓合幾種不同形式的銅箔，如標準電解銅(Electro Deposited copper)，反轉銅(Reverse Treated copper)或壓延銅(Rolled copper)。標準ED銅是通過(guò)電解的方式，在鈦鼓上逐漸電解沉積成不同厚度的銅箔，通常與鈦鼓接觸面較為光滑，而電解液面較為粗糙。RT銅箔也屬于電解銅，只是將與鈦鼓面相接觸銅箔表面經(jīng)過(guò)處理后與基材壓合形成。壓延銅箔是通過(guò)輥軋機碾壓銅塊而得，連續的輥軸碾壓可以得到厚度一致性很好且表面光滑的銅箔。

　　由于現實(shí)的銅箔生產(chǎn)工藝，銅箔的表面粗糙度值不可能固定不變的，銅箔表面形態(tài)總是以不同的高低起伏展現，如圖5所示。因此對于任何銅箔類(lèi)型，銅箔的粗糙度都存在一定的變化范圍。對于射頻微波應用，Rq或者RMS(均方根)值通常被認為較合理的銅箔粗糙度表征方式。羅杰斯公司的RO3003TM材料是被廣泛應用于77GHz汽車(chē)毫米波雷達的電路材料，對于RO3003TM材料的ED銅箔，其典型的銅箔表面粗糙度的RMS值是 2.0um，銅箔粗糙度變化的典型值約為0.25um。越光滑的銅箔其粗糙度變化的值也就越小。

　　圖5、銅箔表面形態(tài)圖及不同銅箔粗糙度容差