【導(dǎo)讀】毫米波(mmWave)雷達為汽車和工業(yè)應(yīng)用提供了一種新的感應(yīng)方式，即使在惡劣的環(huán)境條件下，它也能夠遠距離、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。
典型的雷達傳感器包含一個雷達收發(fā)組件以及其他電子元件（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PCB上。發(fā)射天線和接收天線通常也在PCB上實現(xiàn)，但要提高天線性能，則需要使用高頻基板材料（例如Rogers的RO3003），而這會增加PCB的成本和復(fù)雜性。此外，天線可能會占用多達30%的布板空間（圖1）。
圖1 PCB上的雷達傳感器天線占用約30%的布板空間。
封裝集成天線技術(shù)
可以設(shè)計天線元件并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上述天線元件，可以創(chuàng)建一個多輸入多輸出(MIMO)陣列，該陣列能夠感應(yīng)3D空間中的物體和人。
圖2背腔式的E形貼片天線元件以向自由空間輻射毫米波。
圖3顯示了AWR6843AOP汽車雷達傳感器上三個發(fā)射器天線元件和四個接收器天線元件的布置情況。該天線可以在水平方位角和俯仰角方向上實現(xiàn)寬視場(FoV)。
圖3具有封裝天線元件的AWR6843AOP器件形成MIMO陣列。
封裝天線技術(shù)可以為開發(fā)人員帶來以下好處：
● 較小的尺寸可實現(xiàn)超小型傳感器設(shè)計。具有封裝天線的雷達傳感器比在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，因此可以降低物料清單(BOM)成本。
● 由于不需要天線工程師設(shè)計天線、通過仿真軟件獲得理想的天線性能和設(shè)計實際的射頻電路以獲得表征的天線性能，因此可以降低工程成本。
● 由于從硅片到天線的射頻走線更短，因此可以提高傳輸效率和降低功率損耗。
對于MIMO系統(tǒng)而言，在小型且經(jīng)濟高效的封裝解決方案中實現(xiàn)高性能天線非常具有挑戰(zhàn)性。現(xiàn)有的解決方案是在塑封的頂部或底部布置天線元件；輻射信號穿過這種塑封材料時會產(chǎn)生損耗，這會降低效率并激發(fā)由基材模式(substrate modes)導(dǎo)致雜散輻射。另一方面，利用Flip-chip倒裝芯片式封裝技術(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3D堆疊，從而使解決方案更加緊湊。
封裝集成天線如何幫助實現(xiàn)車內(nèi)感應(yīng)
歐洲新車評價項目(Euro NCAP)等監(jiān)管機構(gòu)正在試圖解決兒童因被誤留在車內(nèi)而中暑身亡的問題。汽車制造商和一級制造商致力于60GHz毫米波傳感器的研究，這種傳感器可用于在惡劣環(huán)境條件下準(zhǔn)確檢測汽車內(nèi)的兒童和寵物。
鑒于車輛的內(nèi)部設(shè)計迥異，為了實現(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或A柱或者B柱上。
圖4 傳感器中PCB板載天線與封裝天線的對比。
傳感器上的單陣子寬FoV天線非常適合放置在車輛的頂篷內(nèi)襯下方，甚至是A柱或者B柱的正面位置。該天線支持各種車內(nèi)感應(yīng)用例，例如對車內(nèi)相隔兩排座椅（包括腳坑位置）的兒童、寵物或乘客進行檢測和定位。該傳感器以低功耗模式運行，還可以在環(huán)境條件比較復(fù)雜時進行入侵檢測。
開發(fā)人員還能夠從集成DSP、MCU、雷達硬件加速器和片上存儲器中受益。通過將射頻、數(shù)字和天線元件集成在單個芯片上，可以顯著降低設(shè)計復(fù)雜性，從而更快、更簡單地進行設(shè)計。
車內(nèi)兒童和乘員檢測參考設(shè)計采用的是60GHz封裝集成天線的毫米波傳感器，無論兒童和成人采用何種坐姿，均能獲得檢測結(jié)果。該傳感器放置于車頂位置。圖5-7顯示了上述測試結(jié)果。
圖5 這是使用洋娃娃模擬汽車后排座椅上正在呼吸的嬰兒的測試結(jié)果。
圖6 該測試檢測并定位了四個乘員：駕駛員、乘客以及位于后排座椅上的一名成人和一名兒童。
圖7 該測試檢測到車輛附近的入侵者。
封裝天線技術(shù)可幫助雷達傳感器設(shè)計人員設(shè)計外形尺寸超小的傳感器，不僅減少了工作量、縮短了產(chǎn)品上市時間，同時還實現(xiàn)了系統(tǒng)級成本優(yōu)勢。通過集成車內(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，德州儀器的60GHz AWR6843AOP傳感器可簡化車內(nèi)感應(yīng)的系統(tǒng)方案。
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