利用封装天线技术简化60GHz汽车车内雷达传感器设计

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毫米波雷达为汽车和工业应用提供了一种主要的感应方式,即使在恶劣的环境条件下,它也能够远距离、以出色的角度和速度精度检测距离为几厘米至几百米的物体。

典型的雷达传感器包含一个雷达芯片组以及其他电子元件,例如电源管理电路、闪存和接口外设,所有这些都装配在一个印刷电路板(PCB)上。发送天线和接收天线通常也在PCB上实现,但要提高天线性能,则需要使用高频基板材料(例如Rogers RO3003),而这会增加PCB的成本和复杂性。此外,天线可能会占用多达30%的布板空间(图1)。

图1:PCB上的雷达传感器天线占用约30%的布板空间

图1:PCB上的雷达传感器天线占用约30%的布板空间

封装天线技术

可以设计天线元件直接集成到封装基板中的毫米波传感器,从而减小传感器的尺寸并降低传感器设计的复杂性。图2展示了一种背腔式E形贴片天线元件,该元件将60GHz或77GHz的毫米波辐射到自由空间中。通过在器件的封装中布置多个上述天线元件,可以创建一个多输入多输出(MIMO)阵列,该阵列能够感应三维空间中的物体和人。

背腔式E形贴片天线元件

图2:背腔式E形贴片天线元件

图3显示了AWR6843AOP器件上三个发射器天线元件和四个接收器天线元件的布置情况。该天线可以在方位角和仰角方向上实现宽视野。

具有封装天线元件的AWR6843AOP器件形成MIMO阵列

图3:具有封装天线元件的AWR6843AOP器件形成MIMO阵列

下表显示了天线阵列的主要规格。

性能参数

性能值

元件增益

6.5dBi

带宽

5GHz

E面波束宽度

144

H面波束宽度

110

方位角分辨率

29

仰角分辨率

29

视轴处的角度估算精度

3

表1:天线元件性能数据

封装天线技术可以为开发人员带来以下优势:

  • 较小的尺寸,可实现超小型传感器设计。采用TI封装天线技术的雷达传感器比在PCB上装配天线的传感器尺寸小约30%。
  • 由于PCB层叠不需要昂贵的高频基板材料(例如Rogers RO3003),因此可以降低物料清单成本。
  • 由于不再需要天线工程师设计天线、通过工具仿真性能和设计实际电路板来表征不同参数的性能,因此可以降低设计成本。
  • 由于从硅片到天线的布线更短,因此可以提高效率和降低功率损耗。

对于MIMO系统而言,在小型且经济高效的封装解决方案中实现高性能天线非常具有挑战性。现有的解决方案是在塑封的顶部或底部布置天线元件;辐射信号穿过这种塑封材料时会产生损耗,从而降低效率并触发产生杂散辐射的基板模式。另一方面,利用倒装芯片封装技术,可以将天线放置在无塑封的基板上。此外,天线和硅片可以在多层基板上重叠,从而使解决方案更加紧凑。

封装天线技术如何帮助实现车内感应

随着欧洲新车安全评鉴协会等全球监管机构致力于解决儿童因遗留在车内而中暑身亡的问题,汽车制造商和一级制造商开始使用60GHz毫米波传感器,用于准确检测车内、甚至处于恶劣环境条件下的儿童和宠物。

鉴于车辆的内部设计迥异,为了实现无缝集成,传感器的外形尺寸必须非常小。例如,可能很难将传感器集成到具有全景天窗的车顶中;相反,必须将其集成在空间受限的位置,例如后视镜周围的顶部控制台或柱子上。

传感器中PCB板载天线与封装天线的对比

图4:传感器中PCB板载天线与封装天线的对比

传感器上的单贴片宽视野天线非常适于放置在车辆的顶篷内衬下方,甚至是柱的正面位置。该天线支持各种车内感应用例,例如对车内两排座椅(包括搁脚空间)之间的儿童、宠物或乘客进行检测和定位。该传感器以低功耗模式运行,还可以在恶劣的环境条件下进行入侵检测。

开发人员还能够从集成式数字信号处理器(DSP)、微控制器单元(MCU)、雷达硬件加速器和片上存储器中受益。通过将射频、数字和天线元件集成在单个芯片上,可以显著降低设计复杂性,有助于更快、更简单地进行设计。

使用60GHz封装天线毫米波传感器的车内儿童和乘员检测参考设计可提供对车内任何座椅位置儿童和成人的检测结果。该传感器放置于车顶位置。下方的图5、6和7展示了相关结果。观看视频了解更多详情。

检测汽车后排座椅上的儿童(使用洋娃娃模拟正在呼吸的婴儿)

图5:检测汽车后排座椅上的儿童(使用洋娃娃模拟正在呼吸的婴儿)(视频

检测并定位四个乘员:驾驶员、乘客以及位于后排座椅上的一名成人和一名儿童

图6:检测并定位四个乘员:驾驶员、乘客以及位于后排座椅上的一名成人和一名儿童(视频

检测车辆附近的入侵者

图7:检测车辆附近的入侵者(视频

封装天线技术可帮助雷达传感器设计人员创建和设计外形尺寸超小的传感器,不仅减少了工作量、缩短了上市时间,同时还实现了系统级成本优势。通过实现车内儿童检测、安全带提醒装置、驾驶员生命体征检测和手势控制等多种应用,TI的60GHz AWR6843AOP传感器可简化车内感应。

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