適用于高級駕駛輔助系統的雷達和功能安全技術(shù)

在不久的將來(lái)，汽車(chē)雷達系統會(huì )越來(lái)越普及，它們提供很多舒適安全的應用。短距離雷達范圍從幾厘米到30米，可用于盲點(diǎn)探測、倒車(chē)輔助或車(chē)位測量，以引導汽車(chē)自助泊車(chē)。長(cháng)距離雷達可達到250米，用于啟動(dòng)自適應巡航控制，使汽車(chē)與前車(chē)速度保持一致。此外，它還可以啟動(dòng)更多重要的功能，如碰撞告警、緊急制動(dòng)，甚至撞擊預警偵測系統等，這些可能觸發(fā)安全帶張力計或其它主動(dòng)或被動(dòng)安全功能。顯而易見(jiàn)，憑借后面這些功能，電子控制系統需要達到最高的功能安全等級，因為此系統無(wú)需駕駛員干預，最終都會(huì )轉向或制動(dòng)汽車(chē)。

這種雷達技術(shù)的發(fā)展創(chuàng )新不斷應用在移動(dòng)工控機、起重機、工廠(chǎng)安全設備等其他應用中，而這一應用領(lǐng)域都需要嚴密地安全保護。耦合雷達與機器視覺(jué)也可以創(chuàng )建一個(gè)強大的組合，這兩種技術(shù)相輔相成，可創(chuàng )建更準確和更可靠的系統。當機器視覺(jué)被遮擋時(shí)，雷達可在雨水、霧氣和污垢環(huán)境下運行。此外，雷達還可以進(jìn)一步延伸其探測距離以及探測到非直接視線(xiàn)中的事件。一個(gè)結合了機器視覺(jué)與雷達及一些智能傳感器融合算法的系統，可以充分利用這兩種傳感技術(shù)帶來(lái)的好處。



圖1： 汽車(chē)雷達應用

77 GHz雷達技術(shù)

在碰撞告警系統中，77 GHz發(fā)射器發(fā)出的信號將被車(chē)身前方的物體反射，然后由分布在車(chē)身各處的多個(gè)接收器捕獲。該發(fā)射器發(fā)出頻率調制的連續波信號，即在一個(gè)固定時(shí)段中，頻率隨著(zhù)典型的三角波信號而上下變化。由于無(wú)線(xiàn)電波是以恒定的光速進(jìn)行傳播的，因此測量發(fā)射波和接收波之間的頻率差異（即隨時(shí)間而變化的頻率斜率）就可以計算出傳播距離。速度測量采用多普勒效應，即所觀(guān)察到的反射信號頻率與發(fā)出的頻率不同。

雷達系統并不是新亮點(diǎn)。而新亮點(diǎn)是汽車(chē)制造商想在最近幾年內將這個(gè)系統內置在中型汽車(chē)中，因此該系統必須是低成本、高質(zhì)量的。這意味著(zhù)從昂貴的專(zhuān)業(yè)雷達系統向標準汽車(chē)設備類(lèi)型的一個(gè)很大轉變。面臨的挑戰是降低成本的同時(shí)，實(shí)際提高產(chǎn)品質(zhì)量及減少每百萬(wàn)件的瑕疵部件。這種轉變如“質(zhì)量與成本營(yíng)銷(xiāo)價(jià)值圖”所示。



圖2：營(yíng)銷(xiāo)價(jià)值圖

這個(gè)營(yíng)銷(xiāo)價(jià)值圖顯示了從高成本、良好質(zhì)量系統向中低成本、更高質(zhì)量系統的轉變。為了實(shí)現這一目標，我們必須應對很多挑戰。

雷達成本和質(zhì)量的挑戰

傳統雷達采用旋轉天線(xiàn)。這也是物體空間映射的原理。這可能適合具有昂貴控制系統的大型系統，但肯定不適用于汽車(chē)批量生產(chǎn)。消除旋轉天線(xiàn)的一個(gè)解決方案就是，將相控陣列或接線(xiàn)天線(xiàn)用于多通道發(fā)射和接收通道?？辗痔炀€(xiàn)將接收有輕微時(shí)差的反射信號。這種差別隨后用于重建物體位置，而無(wú)需移動(dòng)天線(xiàn)。這種接線(xiàn)天線(xiàn)的缺點(diǎn)是，需要多個(gè)發(fā)射和接收通道來(lái)連接天線(xiàn)。典型系統將采用類(lèi)似4個(gè)發(fā)射天線(xiàn)和16個(gè)接收天線(xiàn)。但從經(jīng)濟角度來(lái)說(shuō)，重復16次接收電路和4次發(fā)射電路并不可行。

這時(shí)另一個(gè)創(chuàng )新就派上用場(chǎng)了。飛思卡爾沒(méi)有采用射頻差分電路，而是開(kāi)發(fā)了一個(gè)專(zhuān)用射頻BiCMOS工藝，它的性能足以將77 GHz射頻電路整合到單芯片上。飛思卡爾從開(kāi)發(fā)高性能SiGe:C（硅鍺碳）180納米工藝開(kāi)始，還開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用的300GHz Fmax射頻晶體管，能夠在芯片上處理77GHz雷達信號。結合模擬和數字CMOS電路，這一工藝支持全面集成多通道77GHz片上系統。因此片上集成可抵消多通道開(kāi)銷(xiāo)成本。

高級封裝技術(shù)

具備77GHz固態(tài)硅工藝是一筆巨大財富，但在印刷電路板上處理和報告它又是另一個(gè)挑戰。傳統封裝寄生阻抗在高頻率時(shí)會(huì )破壞信號信息。應對這個(gè)問(wèn)題的一種方法就是采用精密引線(xiàn)焊接技術(shù)將裸芯片焊接在專(zhuān)用PCB上，而不是采用典型封裝和更高成本的波峰焊接技術(shù)。這時(shí)名為“RCP （重分配芯片封裝）”的全新先進(jìn)封裝技術(shù)就派上用場(chǎng)了。



圖3：RCP封裝中的各層

RCP采用粗光刻技術(shù)而不是PCB型材料將銅互連層裝配在芯片或多芯片系統上。這種無(wú)基板的封裝技術(shù)具有更低的電容和電感寄生行為。與裸芯片焊接工藝相比，通過(guò)具有合格性能的這一封裝，可以在77GHz時(shí)路由高頻率信號。它的優(yōu)點(diǎn)是，傳統PCB的整套工具可用于焊接這個(gè)部件，這意味著(zhù)低成本的處理。