【導(dǎo)讀】毫米波(mmWave)雷達(dá)為汽車(chē)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(yuǎn)距離、以出色的角度和速度精度檢測(cè)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)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(gè)PCB上。發(fā)射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的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）。
圖1 PCB上的雷達(dá)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(jì)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(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(guò)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)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(chē)?yán)走_(dá)傳感器上三個(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。該天線可以在水平方位角和俯仰角方向上實(shí)現(xiàn)寬視場(chǎng)(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(kāi)發(fā)人員帶來(lái)以下好處：
● 較小的尺寸可實(shí)現(xiàn)超小型傳感器設(shè)計(jì)。具有封裝天線的雷達(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，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(jì)天線、通過(guò)仿真軟件獲得理想的天線性能和設(shè)計(jì)實(shí)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(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。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(hào)穿過(guò)這種塑封材料時(shí)會(huì)產(chǎn)生損耗，這會(huì)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(wú)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(shí)現(xiàn)車(chē)內(nèi)感應(yīng)
歐洲新車(chē)評(píng)價(jià)項(xiàng)目(Euro NCAP)等監(jiān)管機(jī)構(gòu)正在試圖解決兒童因被誤留在車(chē)內(nèi)而中暑身亡的問(wèn)題。汽車(chē)制造商和一級(jí)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(cè)汽車(chē)內(nèi)的兒童和寵物。
鑒于車(chē)輛的內(nèi)部設(shè)計(jì)迥異，為了實(shí)現(xiàn)無(wú)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(chē)頂中；相反，必須將其集成在空間受限的位置，例如后視鏡周?chē)捻敳靠刂婆_(tái)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(duì)比。
傳感器上的單陣子寬FoV天線非常適合放置在車(chē)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(chē)內(nèi)感應(yīng)用例，例如對(duì)車(chē)內(nèi)相隔兩排座椅（包括腳坑位置）的兒童、寵物或乘客進(jìn)行檢測(cè)和定位。該傳感器以低功耗模式運(yùn)行，還可以在環(huán)境條件比較復(fù)雜時(shí)進(jìn)行入侵檢測(cè)。
開(kāi)發(fā)人員還能夠從集成DSP、MCU、雷達(dá)硬件加速器和片上存儲(chǔ)器中受益。通過(guò)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，從而更快、更簡(jiǎn)單地進(jìn)行設(shè)計(jì)。
車(chē)內(nèi)兒童和乘員檢測(cè)參考設(shè)計(jì)采用的是60GHz封裝集成天線的毫米波傳感器，無(wú)論兒童和成人采用何種坐姿，均能獲得檢測(cè)結(jié)果。該傳感器放置于車(chē)頂位置。圖5-7顯示了上述測(cè)試結(jié)果。
圖5 這是使用洋娃娃模擬汽車(chē)后排座椅上正在呼吸的嬰兒的測(cè)試結(jié)果。
圖6 該測(cè)試檢測(cè)并定位了四個(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。
圖7 該測(cè)試檢測(cè)到車(chē)輛附近的入侵者。
封裝天線技術(shù)可幫助雷達(dá)傳感器設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)外形尺寸超小的傳感器，不僅減少了工作量、縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)級(jí)成本優(yōu)勢(shì)。通過(guò)集成車(chē)內(nèi)兒童檢測(cè)、安全帶提醒裝置、駕駛員生命體征檢測(cè)和手勢(shì)控制等多種應(yīng)用，德州儀器的60GHz AWR6843AOP傳感器可簡(jiǎn)化車(chē)內(nèi)感應(yīng)的系統(tǒng)方案。
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