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PCB資訊

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從自動駕駛看汽車雷達天線設計的PCB材料及加工考量
2022-12-09
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       蔚來汽車在2021年1月9日的NIO Day 2020(蔚來日)上正式發佈了首款智能電動旗艦轎車ET7。作為蔚來最新首款量產轎車,ET7的發佈備受行業矚目。而該本次發佈最大的亮點大概就是ET7配備的自動駕駛技術。蔚來首次在發佈會中明確地提到了要落地高速、城區、泊車、換電四個場景的自動駕駛,建立全棧的自動駕駛開發能力。
蔚來超感系統 AQUILA 的配置配備了多種高性能感知硬體,其中包括: 1個超遠距離高精度雷射雷達,5個毫米波雷達,多個高清攝像頭,以及其他多種感知硬體。
相對於雷射雷達或攝像頭,毫米波雷達憑藉其在惡劣天氣情況下仍保持可靠的性能,對汽車ADAS的各種功能實現不可或缺。而PCB材料是毫米波雷達中的關鍵材料和部件,PCB材料的性能決定了毫米波雷達感測器的性能。羅傑斯的RO3003™材料,憑藉出色的性能成為蔚來ET7毫米波雷達解決方案中的一部分。
毫米波雷達感測器正逐步從24GHz向77GHz過渡,更多的前向雷達,角雷達均採用77GHz的方案。對於電路工程師來說,選擇合適的PCB材料是對於毫米波雷達設計至關重要。總的來說,在選擇時需要考慮選擇較薄的PCB電路板材料、較好的介電常數一致性、較小的介質損耗等;同時,也要考慮材料隨時間、溫度,濕度等外界工作環境而具有可靠的電氣性能和機械特性等。
介電常數一致性
      在毫米波雷達的陣列天線設計中,包括不同類型傳輸線的電路結構尺寸、不同傳輸線的相位差或時延,以及實現各單元天線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導致汽車雷達特別是毫米波汽車雷達的收發之間存在某一相位差,影響對車輛或速度的檢測精度,造成對其定位產生偏差。同時,材料不同批次的介電常數的變化更會引起不同毫米波雷達系統存在差異,影響系統的一致性。因此所使用PCB材料的介電常數的一致性,穩定性至關重要。同時,電路最終呈現的介電常數(設計Dk)不僅與材料介質的過程Dk相關,還與所使用銅箔的粗糙度、電路的加工等密切相關。對於要確保天線的相位一致性和系統的性能一致性,電路上所呈現的介電常數(設計Dk)對於實際雷達天線性能評估更為全面、更應該值得考慮。
銅箔粗糙度
      眾所周知,材料所使用銅箔的表面粗糙度對會對電路的介電常數產生影響。由於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,相對於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。選擇越光滑的銅箔有利於減小銅箔粗糙度帶來的對設計Dk的影響,從而有利於保持電路性能的一致性。比如羅傑斯公司的RO3003G2™材料,就採用了更光滑的銅箔,更小的填料系統,進而進一步提高介電常數的一致性,提高電路性能的一致性。
介電常數隨溫度變化(TCDk)
       電路材料的介電常數會隨溫度變化而發生變化,這種隨溫度變化的參數有助於工程師瞭解電路材料可能會發生的性能上的改變。通常把材料介電常數隨溫度的變化定義為TCDk,其變化越小表示材料(在溫度上)性能越穩定。理想電路材料的TCDk值,即使溫度發生變化也會保持固定的Dk值,其TCDk的值為0ppm/℃。然而,在現實世界中,Dk值是會隨著電路材料溫度的變化而變化的。只有TCDk值非常低的電路材料才能被認為是具有隨溫度穩定Dk的材料,通常TCDk的絕對值要小於50ppm/℃。當某一應用要求電路需要經受較大的工作溫度範圍,並且需要始終保持穩定的性能時---如汽車雷達感測器的應用,它就需要始終保持精確的測量精度,且可能工作於不同的工作溫度下---材料的TCDk參數就是需要考慮的關鍵參數之一。
       通過設計一組實驗,比較了高TCDk材料與RO3003™材料的不同TCDk值帶來的影響。測試基於相同設計的一組50Ω微帶線電路來觀察設計Dk和相位在不同溫度下的變化情況。測試結果如圖所示:
羅傑斯RO3003™材料由於其具有非常小的TCDk值,在77GHz時其Dk和電路的相位角幾乎沒有任何變化。而高TCDk材料在77GHz時的Dk變化達0.031,相位變化達到17度。當使用高TCDk材料的毫米波汽車雷達感測器應用在不同的溫度環境時,如此高的Dk和相位變化就會嚴重影響系統的一致性。
 

毫米波雷達的陣列天線設計

材料的吸濕性
      汽車毫米波雷達感測器相對於其他類型感測器的優勢在於可以全天候工作在各種惡劣天氣條件下。因此環境的變化不僅僅是溫度的變化,還可能工作在不同的濕度環境中。設計工程師在選擇電路材料時常常忽略了材料的吸濕性,而事實上材料的吸濕性對於電路的性能和系統的一致性也是至關重要的。材料較低的吸濕性可以減小電路中介電常數及損耗的變化,從而使電路保持幾乎相同的電路性能,確保雷達感測器的定位不會出現偏差。
羅傑斯的RO3003™材料能廣泛應用於77GHz汽車毫米波雷達中,低的吸濕性也是其中的一個重要原因。
加工的影響
       電路設計完成後需要加工成雷達天線電路。毫米波雷達天線的增益受到電路的插入損耗影響。其中電路的不同表面處理會對電路產生不同的損耗影響。電路的表面處理對PCB電路板加工是非常必要的,它不僅能夠為焊接提供光滑可焊的表面,同時也為PCB的銅導體提供了保護。然而,大部分PCB表面處理材料的導電性都比銅箔的導電性差。導電性越差產生的導體損耗越高,從而電路的插入損耗也越大,特別是對毫米波電路更加明顯。為更好理解表面處理對損耗性能的影響,基於相同的電路材料使用不同表面處理的情況下加工了多組傳輸線進行損耗的對比。
77GHz毫米波雷達感測器的獨特優勢使其成為自動駕駛汽車不可缺少的部件。PCB電路板材料決定著毫米波雷達感測器天線的性能,選擇具有穩定介電常數、低損耗特性的材料是成功設計毫米波雷達感測器的關鍵。為了使雷達傳感器具有穩定一致的電路性能,材料所使用銅箔及其表面粗糙度、介電常數隨溫度的變化、材料的吸濕性等參數都需要考慮。同時,在加工中的過程中的一些因素也會影響雷達感測器的性能。總的來說,在設計之初以及加工過程中可以與材料供應商和加工工程師做好溝通,從而提高77GHz雷達感測器的性能一致性,增加成品率和降低成本。