影響毫米波雷達傳感器穩(wěn)定性和一致性的關鍵參數

毫米波雷達傳感器在眾多傳感器中具有全天候工作的獨特特點，使其在成為汽車主動安全系統(tǒng)（ADAS）中的關鍵核心部件。毫米波雷達傳感器的性能受多個因素的影響，而PCB電路材料就是影響傳感器電路性能的關鍵因素之一。為確保毫米波傳感器具有較高的穩(wěn)定性和性能一致性，就需要考慮PCB電路材料中的諸多關鍵參數。本文就PCB電路材料中影響汽車毫米波雷達傳感器穩(wěn)定性和一致性的多個關鍵參數進行了討論，分析了這些參數如何影響傳感器的性能，從而更好的選擇適合于汽車毫米波雷達的電路材料。

1. ADAS系統(tǒng)中的毫米波雷達

當前，汽車自動駕駛已成為全球業(yè)界的一個熱門話題。各大汽車制造商及其供應商、科技巨頭公司等紛紛注目并摩拳擦掌進入輔助及自動駕駛汽車市場。各國政府也對自動駕駛汽車陸續(xù)出臺了相應的法規(guī)和標準，以促進其快速健康發(fā)展。2017年7月，全新奧迪A8在巴塞羅那的首發(fā)，是全球首款具備了L3級自動駕駛功能的量產車型。

圖1、全球汽車出貨量的自動化程度趨勢

在自動駕駛汽車的不斷發(fā)展過程中，汽車的安全性是一切發(fā)展的前提，是真正實現(xiàn)汽車自動駕駛的關鍵。各種傳感器需要協(xié)同工作來實現(xiàn)車輛對周圍環(huán)境高精度低延時的監(jiān)控，而毫米波雷達憑借其可靠的表現(xiàn)(如應對惡劣天氣條件)使能汽車先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)的各種功能。這些雷達傳感器幾乎是所有現(xiàn)在正在使用的汽車先進駕駛輔助系統(tǒng)技術的基礎。

汽車雷達傳感器主要有短距離和中遠距離雷達傳感器，它們的工作頻率分別是24GHz和77GHz/79GHz。24GHz雷達傳感器的探測距離約50m左右，距離相對較短，主要用于盲點監(jiān)測（BSD），變道輔助（LCA）等。77GHz雷達傳感器的的探測距離更長，可達到160m到230m。相比于24GHz，77GHz雷達傳感器的頻率更高、波長變短、系統(tǒng)帶寬更寬，從而提高了距離和速度測量的精度和準確度，主要用于自動緊急制動（AEB）、汽車自適應巡航控制（ACC）和前向防撞預警（FCW）等。77GHz汽車雷達的應用對應于汽車自動化程度的高級階段，隨著自動駕駛汽車的發(fā)展，77GHz汽車雷達傳感器的需求和應用逐漸呈上升趨勢。

圖2、24GHz頻段與77GHz頻段汽車雷達傳感器的趨勢

對于諸如工作在77GHz/79GHz頻段的毫米波汽車雷達傳感器，由于其信號的波長很短，其電路性能和一致性非常容易受到多方面因素的影響。如何考慮和減小這些因素帶來的影響，確保雷達傳感器的性能具有較好的一致性就變得非常重要。對雷達傳感器的PCB電路來講，就需要理解并考慮PCB電路材料的諸多參數以及PCB加工等帶來的對一致性的影響，從而更好的進行電路材料的選擇和電路設計。

2.電路材料的考慮

汽車雷達傳感器在毫米波頻段的應用，對于電路設計工程師來說，如何選擇正確的PCB材料是設計電路一開始就要面臨的挑戰(zhàn)。毫米波頻段下由于其波長較小，電路極易容易發(fā)生色散和產生高次模，因此通常考慮選擇較薄的PCB電路材料；而電路材料的介電常數和損耗隨頻率的增加也變化非常明顯，因此需要選擇在高頻時具有穩(wěn)定介電常數和具有極低損耗的電路材料。而介電常數值的值的選擇不宜較大，較大的介電常數會使設計的導體線寬較窄，不但增加了電路的導體損耗，而且增加了加工難度。

圖3、普通介質材料的Dk/Df隨頻率的變化特性

以上的幾個考慮因素僅僅是毫米波電路設計的開始，這些因素的考慮可以使電路能夠具有較好的性能特性。然而要使成多個相同的電路都具有一致的和穩(wěn)定的電路性能，還需要考慮材料的其他多個因素。

2.1介電常數一致性

介電常數（Dk）是電路材料最重要的參數之一，也是電路設計者的一個設計出發(fā)點。在汽車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(xiàn)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(fā)之間存在某一相位差，影響交通中對其他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(tǒng)存在差異，影響系統(tǒng)的一致性。

介電常數（Dk）通?？梢苑譃椴牧辖橘|的Dk和實際電路所呈現(xiàn)的介電常數。通常我們把材料介質的介電常數稱為過程Dk，而實際電路所呈現(xiàn)的介電常數稱之為設計Dk。選擇過程Dk容差控制較小的電路材料有利于減小系統(tǒng)性能的差異和變化。然而，對于系統(tǒng)的性能一致性，電路所呈現(xiàn)的總的介電常數（設計Dk）更應該值得考慮。

2.2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。由于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，相對于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(xiàn)的介電常數增加。越粗糙的銅箔表面使電路所呈現(xiàn)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。同時，不同厚度的材料，即使選用相同銅箔，越薄的材料上銅箔表面粗糙度對電路介電常數的影響越大，而越厚的材料其影響越小。圖4就顯示了基于相同銅箔下的RO3003TM材料，不同材料厚度所呈現(xiàn)出的不同的電路介電常數（設計Dk）值。

圖4、相同銅箔材料不同厚度的電路介電常數（設計Dk）

大多數的PCB基材都會壓合幾種不同形式的銅箔，如標準電解銅（Electro Deposited copper），反轉銅（Reverse Treated copper）或壓延銅（Rolled copper）。標準ED銅是通過電解的方式，在鈦鼓上逐漸電解沉積成不同厚度的銅箔，通常與鈦鼓接觸面較為光滑，而電解液面較為粗糙。RT銅箔也屬于電解銅，只是將與鈦鼓面相接觸銅箔表面經過處理后與基材壓合形成。壓延銅箔是通過輥軋機碾壓銅塊而得，連續(xù)的輥軸碾壓可以得到厚度一致性很好且表面光滑的銅箔。

由于現(xiàn)實的銅箔生產工藝，銅箔的表面粗糙度值不可能固定不變的，銅箔表面形態(tài)總是以不同的高低起伏展現(xiàn)，如圖5所示。因此對于任何銅箔類型，銅箔的粗糙度都存在一定的變化范圍。對于射頻微波應用，Rq或者RMS（均方根）值通常被認為較合理的銅箔粗糙度表征方式。羅杰斯公司的RO3003TM材料是被廣泛應用于77GHz汽車毫米波雷達的電路材料，對于RO3003TM材料的ED銅箔，其典型的銅箔表面粗糙度的RMS值是 2.0um，銅箔粗糙度變化的典型值約為0.25um。越光滑的銅箔其粗糙度變化的值也就越小。

圖5、銅箔表面形態(tài)圖及不同銅箔粗糙度容差

實際應用中電路所呈現(xiàn)出的Dk值（設計Dk）不僅需要考慮材料過程Dk的變化，同時需要考慮銅箔粗糙度變化帶來的影響。而常常被大多數工程師所忽略的電路加工過程也會造成設計Dk的變化。通常，設計工程師為了更為準確的設計電路而想知道設計Dk值的變化大小，最好的方法就是選取多個不同批次材料，制作并測試多個相同電路來評估其變化。為了更好的說明這種變化情況，仍然選取了5mil RO3003TM材料，其時間跨度達4年的多個批次制作成50Ω微帶線測試電路的設計Dk。從圖6可以看到，使用銅箔粗糙度RMS值為2.0um的ED銅箔的5mil RO3003TM材料，其在77GHz時電路的設計Dk的典型值是3.16，變化約0.126；而使用光滑的壓延銅的5mil RO3003TM材料在77GHz是電路的設計Dk典型值是3.055，變化約0.096。這也進一步證實了，材料過程Dk的容差越小，所使用銅箔的表面越光滑，其最后成品電路的設計Dk值變化越小，電路性能一致性也越好。

圖6、厚度5mil RO3003TM材料不同銅箔下電路Dk值的變化

2.3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(fā)生變化，這種隨溫度變化的參數有助于工程師了解電路材料可能會發(fā)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(wěn)定。理想電路材料的TCDk值，即使溫度發(fā)生變化也會保持固定的Dk值，其TCDk的值為0ppm/℃。然而，在現(xiàn)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(wěn)定Dk的材料，通常TCDk的絕對值要小于50ppm/℃。當某一應用要求電路需要經受較大的工作溫度范圍，并且需要始終保持穩(wěn)定的性能時---如汽車雷達傳感器的應用，它就需要始終保持精確的測量精度，且可能工作于不同的工作溫度下---材料的TCDk參數就是需要考慮的關鍵參數之一。

同一樹脂體系的兩種材料并不會具有相同的TCDk特性，例如，雖然PTFE是性能優(yōu)異、低損耗的高頻電路材料，但是基于PTFE的不同電路材料，它的TCDk特性可能就會有很大差異。一些基于PTFE的電路材料的Dk隨溫度的變化很大，TCDk值達200ppm/℃甚至更高。同時，一些基于PTFE的線路板材料可以提供接近理想狀態(tài)的TCDk特性。圖7比較了不同種類的電路材料的TCDk曲線，明顯看到環(huán)氧樹脂體系材料具有非常差的TCDk性能；而某些基于特殊陶瓷填充的PTFE材料，就具有較好的TCDk性能。77GHz汽車毫米波雷達廣泛使用的RO3003TM材料的TCDk值是-3ppm/℃。

圖7、不同種類材料的TCDk曲線

通過設計一組實驗，比較了高TCDk材料與RO3003TM材料的不同TCDk值帶來的影響。測試基于設計的長度不同的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8所示，RO3003TM材料由于其具有非常小的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傳感器應用在不同的溫度環(huán)境時，如此高的Dk和相位變化就會嚴重影響系統(tǒng)的一致性。

圖8、實際電路中RO3003TM材料與高TCDk材料的性能比較

2.4材料的吸濕性

汽車雷達傳感器相對于其他類型傳感器的優(yōu)勢在于可以全天候工作在各種惡劣天氣條件下。因此環(huán)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(huán)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于電路的性能和系統(tǒng)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，確保雷達傳感器的定位不會出現(xiàn)偏差。

羅杰斯的RO3003TM材料能廣泛應用于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。這里同樣以5mil RO3003TM材料為例來比較材料吸濕性對于電路設計Dk和損耗的影響。在基于IPC-TM-650 2.6.2.1國際標準測得的RO3003TM材料的吸濕率僅為0.04%，而所比較的另外一種材料的吸濕率是0.3%。通過長度不同的50Ω微帶線的方式測試電路的介電常數Dk和損耗，可以看到RO3003TM材料在70GHz頻率下時的Dk和損耗分別僅變化0.005和0.13dB/inch；而具有0.3%高吸濕率的材料的電路Dk和損耗變化達到0.04和0.81dB/inch。如此高的Dk和損耗的變化自然會引起雷達傳感器性能的不一致性，在實際應用中造成偏差。

圖9、實際50Ω微帶電路中RO3003TM材料與高吸水率材料的性能比較

2.5玻璃布纖維效應

在電路材料中通常會添加玻璃布來增加材料的結構強度，這樣有助于提高材料的機械穩(wěn)定性。但是電路材料中的玻璃布會影響該材料的介電常數（Dk）隨著位置的變化。這種Dk的變化是由玻璃布特有的物理交織結構造成的，發(fā)生在非常小的區(qū)域且以周期性的方式呈現(xiàn)。也就是說，玻璃布中玻璃纖維編織形的交疊處及小的開口空隙區(qū)域的Dk值會有不同，如圖10示例。通常，玻璃布或玻璃纖維的Dk約為6，而開口空隙區(qū)域的Dk由材料樹脂體系的Dk值決定，比如3。當存在兩束玻璃纖維相互交疊時，此時的Dk值最大；而開口空隙區(qū)域沒有玻璃纖維的存在，此時的Dk最?。粌H有單束玻璃纖維是Dk值居中。

圖10、玻璃布纖維相互交疊形成的不同Dk值

當含有此類玻璃布的材料僅應用于較低頻率時，由于信號波長較長，幾乎對電路性能不會造成影響。而當材料應用于高頻毫米波頻率時，電路性能就會受到一定的影響。以介電常數Dk為3.0、厚度5mil的電路材料為例，當材料應用于77GHz毫米波電路時，所設計的50歐姆微帶線的寬度是12mil。常見電路材料中大于12mil的玻璃布的交疊與空隙開口是非常常見的。在實際電路中，如圖12左所示，當微帶線分別處于玻璃纖維束或空隙上方時，由于Dk的不同此時同一設計的不同電路的阻抗就存在一定差異，從而影響電路的一致性；同樣，即使處于圖11右所示情況，Dk也存在周期的變化，導致同一微帶線電路的阻抗也會周期的變化，進而影響電路的相位，影響系統(tǒng)的一致性。

圖11、線路經過不同區(qū)域的Dk的變化

正因為玻璃布帶來的這種高頻的玻纖效應，為了盡可能減小這種影響，在考慮應用于如77GHz汽車毫米波雷達的材料時，應選擇不含有玻璃布的電路材料。

3.結論

自動駕駛汽車將成為汽車行業(yè)未來發(fā)展的重點和方向，而毫米波雷達傳感器的獨特優(yōu)勢使其成為自動駕駛汽車不可缺少的部件，且有助于自動駕駛汽車成為可能。PCB電路材料是毫米波雷達傳感器的基礎，選擇穩(wěn)定介電常數、低損耗特性的材料是設計毫米波雷達傳感器的出發(fā)點。然而為了使雷達傳感器具有穩(wěn)定一致的電路性能，材料所使用銅箔類型及銅箔的表面粗糙度、介電常數隨溫度的變化、材料的吸濕性、以及材料是否含有玻璃布而帶來玻纖效應等都需要考慮，從而確保傳感器對物體和速度的精確檢測和定位。