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設計參考/Design Reference

基于英飛凌24GHz收發一體芯片的雷達方案實現精準定位

-----2015-03-18

在多數人的眼里,雷達與軍事相關,是軍事科學的一部分,不過在今天雷達的應用已經日益進入尋常生活?;蛟S,您家的智能馬桶就采用了24GHz雷達傳感器;而在汽車中,使用24GHz的防撞雷達已經在歐美國家最先普及;在工業領域,儲罐液位計、路燈系統、入侵報警系統、警用測速儀、智能開門器、動作檢測器和智能停車場等民用場合也都是雷達的用武之地。

 

為什么是微波雷達?

 

為什么這些場合必須要用到雷達而不是其他的探測方式?或許您可以從蝙蝠的身上尋找答案。蝙蝠是“瞎子”,但卻可以在夜間出沒,相當精準的探測障礙物。人們受到啟發于是發明了雷達。所以,在汽車,工業等領域中,在視覺條件很差的情況下還要求精確地探測物體時,雷達就被派上了用場。

 

目前在對汽車先進駕駛輔助系統(ADAS)的大部分討論都集中在使用可見波長攝像機的被動視覺系統上。知名的技術型電子元器件分銷商世強產品經理宋斌在一次相關會議上就曾表示:“重要的一點是,‘ADAS傳感技術’只有雷達是與天氣無關的。而攝像機在識別目標上有優勢,雷達更善于探測物體,測量其速度。” 宋斌解釋到,出于這些原因,很多重視探測和風險分類評估的早期系統會選擇雷達。他指出:“在歐洲,對卡車緊急剎車系統有很大的需求。它是基于雷達的。”

 

雖然光學視覺系統非常成熟了,而雷達系統的優勢會使其更加完善。宋斌預測,在不久的將來,具有目標識別的多攝像機復雜系統能夠融合視頻和雷達數據,對周圍的世界建立動態模型。

 

“而相比成本更低的超聲波雷達,微波雷達一定是汽車ADAS系統的趨勢。因為相比超聲波雷達,微波雷達受的干擾要小很多,如其不受大霧天氣及溫度等的影響,檢測距離大于100m,而超聲波雷達受到的干擾則較多,檢測距離小于1m。雖然微波雷達的成本要高一些,但是真正能夠滿足汽車嚴酷環境安全要求的,還是要選‘攝像頭+微波雷達’的方案。”宋斌表示。

 

24GHz收發一體FMCW的高集成度方案

 

不過微波雷達系統高昂的成本及復雜的高頻設計一直使得其難以廣泛投入商用。“英飛凌適用于商業級和汽車級傳感應用的單片24GHz雷達芯片解決了這一難題。”宋斌進一步指出:“作為英飛凌的增值服務分銷商,我們代理的英飛凌24GHz收發一體芯片BGT24Mxx系列堪稱是目前市場上集成度最高的24GHz的ISM波段雷達收發器系列。該解決方案具備設計緊湊、系統靈活和成本效益的特點,在汽車和工業領域的優勢非常明顯。”

 

 

世強基于英飛凌24GHz收發一體芯片的雷達方案實現精準定位(電子工程專輯)
圖1. 英飛凌24GHz收發一體芯片。

 

BGT24Mxx系列工作在24GHz ISM頻段,采用頻率調制的連續波(FMCW)設計。配備了一個具有業界最高集成度的片上雷達收發器和一個僅用于接收的輔助芯片,使系統設計師能靈活實現多種應用的低成本和高性能的設計目標。

 

全新系列的三款器件分別為BGT24MTR11(單發射單接收通道)、BGT24MTR12 (單發射雙接收通道)和BGTMR2 (雙接收器)。由一個接收器發展到兩個或更多個接收通道,這可使系統在更廣的角度內更精確地進行目標感測。電壓為3.3V的BGT24MTR11在500mW功耗下感測距離達到160米。其在近場傳感應用中的感測精度達到毫米級別。

 

采用行業標準QFN封裝的這種單片解決方案相對于市場上的分立式解決方案,可使占板空間降低30%。BGTMTRxx器件通過取消外置組件匹配和占用板卡空間的射頻傳輸線,簡化了產品設計和縮短產品上市時間。

 

24GHz單片雷達方案推動汽車和工業應用率先普及

 

“將發射通道和接收通道集成在一顆芯片上,節省了寶貴的電路板空間,較之于分立器件方案,其占板面積節省了30%左右。并且令設計簡單的如同不需要24GHz RF匹配/RF傳輸線一樣。工業標準VQFN封裝可以在標準SMD生產線上進行貼裝。以上的這些特性都使得它成為汽車防撞雷達的不二之選。” 宋斌指出。

 

英飛凌雷達芯片采用基于鍺硅(SiGe)的制造工藝。鍺硅工藝研發項目得到了德國聯邦教育與研究部(BMBF)的支持。該工藝經過專門設計,尤其適用于汽車應用。與目前使用的砷化鎵(GaAs)組件不同,SiGe工藝可制造出更加小巧且經濟實惠的雷達傳感器。

 

“汽車毫米波雷達是汽車主動安全產品的關鍵部件,目前國際上幾乎所有的汽車均開始配備汽車毫米波雷達,其中包括汽車防撞雷達、汽車盲區檢測雷達等。目前,國產還沒有開發出可商業化的汽車毫米波雷達產品,而國外同類產品價格昂貴,如凱美瑞的汽車防撞雷達就高達1.9萬人民幣/個。所以市場急需此類產品。”宋斌指出。

 

國內估計最先使用起來的是24GHz微波雷達,用來做短距離探測。宋斌進一步指出:“現在我們價格已經做到很便宜,批量化后價格會更加便宜,加上24GHz周邊的元器件設計更加簡單,我們已經有汽車行業客戶商業化了。至于77GHz,價格太貴,后端開發技術難度大,相關儀器都很難搞到,要想大量普及短時間還是很難的。還有關鍵一點:國家工信部已經出臺政策‘24GHz頻段短距離車載雷達設備使用頻率規劃’。”

 

 

世強基于英飛凌24GHz收發一體芯片的雷達方案實現精準定位(電子工程專輯)
圖2. 工業和信息化部關于發布24GHz頻段短距離車載雷達設備使用頻率的通知。

 

雷達技術是設計創新的ADAS系統、避免交通事故發生的關鍵所在。英飛凌的雷達芯片無論在何種天氣條件下(包括霧天、雨天和雪天),都能讓汽車看清前方道路。正是有了這款芯片,未來,中遠距離雷達系統將成為中級車標配設備。

 

此外,BGT24Mxx系列的潛在應用范圍還包括儲罐(固體和液體)的液位/料位監測、照明控制、安防系統和智能門控系統應用以及工業車輛的防撞監測等。

 

例如,對于節能照明應用而言,24GHz雷達系統非常適用于通過感測指定區域的運動物體或人,調節街道照明、工業照明和辦公照明的照明強度水平。BGT24MTxxx的高分辨率使儲罐液位測量系統變得更加精確,因為該系統不受潑濺液體或灰塵的影響。開門系統也可輕而易舉地區分進門人和過路人。另一種應用是防盜報警器,例如監獄的安防系統。24GHz雷達可覆蓋270平米的范圍,而常用的紅外(IR)系統只能覆蓋10平米。

 

Rogers高性能微波板材——24G雷達的最佳配套選擇

 

大功率、復雜的射頻、微波系統同樣給高頻線路板材帶來了挑戰。好馬還需配好鞍,羅杰斯(Rogers)高性能微波板材是英飛凌24G雷達方案的最佳選擇。

 

世強微波產品經理陽忠提醒工程師們:“高性能的射頻、微波系統對相關的功率器件以及無源器件具有近乎苛刻的要求,因此目前能進入該領域的半導體和無源器件提供商屈指可數。另外,在相關材料上也具有極高的要求,系統電路板材以及相關物料的特性同樣十分關鍵。為了能夠勝任應用的操作環境,在選材時需要依據電氣、機械和熱性能挑選合適的材料。”

 

Rogers 的RO4000系列是目前市場上性價比最優的射頻/微波板材,RO4350(R) 提供最高性價比;RO4350 LOPRO(R) 提供更低的導體損耗;RO4835(R) 提供高溫抗氧化板材。

 

RO4000系列的DK、DS特性在24G頻段非常穩定,并且采用碳氫樹脂及陶瓷填料層壓板和半固化片可以提供出色的高頻性能以及低廉的線路加工成本。是一款可以用標準的環氧樹脂/玻璃布(FR-4)加工工藝進行加工的低損耗材料。以下優點都使其成為了24GHz雷達的最佳拍檔:

 

●性價比最優的射頻/微波板材

●類似于FR4的加工流程,加工成本更加低廉,

●3倍于PTFE材料的導熱系數

●低的Z軸熱膨脹率,可以更好的保證通孔可靠性,更適合與多層板的壓合

●介電常數2.55-6.15

 

RO4000材料還擁有微波射頻電路、匹配網絡以及特定阻抗傳輸線的設計者所需要的特性。而且有符合UL 94V-0防火等級的版本。“RO4350和RO4835最適于應用于汽車中。其中RO4835還采用了高溫抗氧化板材,即使汽車在高溫環境下工作,板子也不會氧化。” 陽忠強調。

 

本文小結

 

如前所述,英飛凌24GHz單芯片雷達解決方案具備如下三大優勢:

 

1、高度集成:一顆芯片上集成了發射和接收功能,比分立器件節省占比30%占比空間;

2、電路設計簡單,電路板上不需要24GHz RF匹配/RF傳輸線;

3、工業標準QFN式封裝可以在標準SMD生產線上進行貼裝。

 

世強同時作為全球領先的功率器件提供商英飛凌、全球領先的板材提供商ROGERS 的中國分銷商,有能力為國內微波、射頻系統相關廠商和工程師提供一攬子的解決方案和一站式系統設計咨詢。“上述三大優勢無疑也是你選擇世強雷達方案的三大理由。我們可以提供整套的24GHz雷達方案的支持,與第三方公司合作幫助客戶開發方案,更重要的,如果客戶打包購買我們的產品,在成本上會有優勢。” 陽忠指出。

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