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如何利用封裝天線技術(shù)簡化60GHz汽車車內(nèi)雷達(dá)傳感器設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2021-12-27 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】毫米波雷達(dá)為汽車和工業(yè)應(yīng)用提供了一種主要的感應(yīng)方式,即使在惡劣的環(huán)境條件下,它也能夠遠(yuǎn)距離、以出色的角度和速度精度檢測距離為幾厘米至幾百米的物體。


毫米波雷達(dá)為汽車和工業(yè)應(yīng)用提供了一種主要的感應(yīng)方式,即使在惡劣的環(huán)境條件下,它也能夠遠(yuǎn)距離、以出色的角度和速度精度檢測距離為幾厘米至幾百米的物體。


典型的雷達(dá)傳感器包含一個(gè)雷達(dá)芯片組以及其他電子元件,例如電源管理電路、閃存和接口外設(shè),所有這些都裝配在一個(gè)印刷電路板(PCB)上。發(fā)送天線和接收天線通常也在PCB上實(shí)現(xiàn),但要提高天線性能,則需要使用高頻基板材料(例如Rogers RO3003),而這會(huì)增加PCB的成本和復(fù)雜性。此外,天線可能會(huì)占用多達(dá)30%的布板空間(圖1)。


如何利用封裝天線技術(shù)簡化60GHz汽車車內(nèi)雷達(dá)傳感器設(shè)計(jì)

圖1:PCB上的雷達(dá)傳感器天線占用約30%的布板空間


封裝天線技術(shù)


可以設(shè)計(jì)天線元件直接集成到封裝基板中的毫米波傳感器,從而減小傳感器的尺寸并降低傳感器設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。圖2展示了一種背腔式E形貼片天線元件,該元件將60GHz或77GHz的毫米波輻射到自由空間中。通過在器件的封裝中布置多個(gè)上述天線元件,可以創(chuàng)建一個(gè)多輸入多輸出(MIMO)陣列,該陣列能夠感應(yīng)三維空間中的物體和人。


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圖2:背腔式E形貼片天線元件


圖3顯示了AWR6843AOP器件上三個(gè)發(fā)射器天線元件和四個(gè)接收器天線元件的布置情況。該天線可以在方位角和仰角方向上實(shí)現(xiàn)寬視野。


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圖3:具有封裝天線元件的AWR6843AOP器件形成MIMO陣列


下表顯示了天線陣列的主要規(guī)格。


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表1:天線元件性能數(shù)據(jù)


封裝天線技術(shù)可以為開發(fā)人員帶來以下優(yōu)勢:


·較小的尺寸,可實(shí)現(xiàn)超小型傳感器設(shè)計(jì)。采用TI封裝天線技術(shù)的雷達(dá)傳感器比在PCB上裝配天線的傳感器尺寸小約30%。


·由于PCB層疊不需要昂貴的高頻基板材料(例如Rogers RO3003),因此可以降低物料清單成本。


·由于不再需要天線工程師設(shè)計(jì)天線、通過工具仿真性能和設(shè)計(jì)實(shí)際電路板來表征不同參數(shù)的性能,因此可以降低設(shè)計(jì)成本。


·由于從硅片到天線的布線更短,因此可以提高效率和降低功率損耗。


對(duì)于MIMO系統(tǒng)而言,在小型且經(jīng)濟(jì)高效的封裝解決方案中實(shí)現(xiàn)高性能天線非常具有挑戰(zhàn)性?,F(xiàn)有的解決方案是在塑封的頂部或底部布置天線元件;輻射信號(hào)穿過這種塑封材料時(shí)會(huì)產(chǎn)生損耗,從而降低效率并觸發(fā)產(chǎn)生雜散輻射的基板模式。另一方面,利用倒裝芯片封裝技術(shù),可以將天線放置在無塑封的基板上。此外,天線和硅片可以在多層基板上重疊,從而使解決方案更加緊湊。


封裝天線技術(shù)如何幫助實(shí)現(xiàn)車內(nèi)感應(yīng)


隨著歐洲新車安全評(píng)鑒協(xié)會(huì)等全球監(jiān)管機(jī)構(gòu)致力于解決兒童因遺留在車內(nèi)而中暑身亡的問題,汽車制造商和一級(jí)制造商開始使用60GHz毫米波傳感器,用于準(zhǔn)確檢測車內(nèi)、甚至處于惡劣環(huán)境條件下的兒童和寵物。


鑒于車輛的內(nèi)部設(shè)計(jì)迥異,為了實(shí)現(xiàn)無縫集成,傳感器的外形尺寸必須非常小。例如,可能很難將傳感器集成到具有全景天窗的車頂中;相反,必須將其集成在空間受限的位置,例如后視鏡周圍的頂部控制臺(tái)或柱子上。


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圖4:傳感器中PCB板載天線與封裝天線的對(duì)比


傳感器上的單貼片寬視野天線非常適于放置在車輛的頂篷內(nèi)襯下方,甚至是柱的正面位置。該天線支持各種車內(nèi)感應(yīng)用例,例如對(duì)車內(nèi)兩排座椅(包括擱腳空間)之間的兒童、寵物或乘客進(jìn)行檢測和定位。該傳感器以低功耗模式運(yùn)行,還可以在惡劣的環(huán)境條件下進(jìn)行入侵檢測。


開發(fā)人員還能夠從集成式數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、微控制器單元(MCU)、雷達(dá)硬件加速器和片上存儲(chǔ)器中受益。通過將射頻、數(shù)字和天線元件集成在單個(gè)芯片上,可以顯著降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性,有助于更快、更簡單地進(jìn)行設(shè)計(jì)。


使用60GHz封裝天線毫米波傳感器的車內(nèi)兒童和乘員檢測參考設(shè)計(jì)可提供對(duì)車內(nèi)任何座椅位置兒童和成人的檢測結(jié)果。該傳感器放置于車頂位置。下方的圖5、6和7展示了相關(guān)結(jié)果。觀看視頻了解更多詳情。


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圖5:檢測汽車后排座椅上的兒童(使用洋娃娃模擬正在呼吸的嬰兒)(視頻)


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圖6:檢測并定位四個(gè)乘員:駕駛員、乘客以及位于后排座椅上的一名成人和一名兒童(視頻)


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圖7:檢測車輛附近的入侵者(視頻)


封裝天線技術(shù)可幫助雷達(dá)傳感器設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建和設(shè)計(jì)外形尺寸超小的傳感器,不僅減少了工作量、縮短了上市時(shí)間,同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)級(jí)成本優(yōu)勢。通過實(shí)現(xiàn)車內(nèi)兒童檢測、安全帶提醒裝置、駕駛員生命體征檢測和手勢控制等多種應(yīng)用,TI的60GHz AWR6843AOP傳感器可簡化車內(nèi)感應(yīng)。

(來源:德州儀器)


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