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作者:Kishore

 

本文提及其他零件:AWR6843AOP

 

*註:本文最初刊於電子技術設計雜誌《EDN》

 

毫米波(mmWave)雷達可偵測近至數公分、遠達數百公尺的物體,在距離、角度與速度量測上準確度高,因此是汽車及工業應用的首選感測設備。

 

雷達感測器主要由雷達晶片組與印刷電路板(PCB)上的其他電子組成,例如電源管理電路、快閃記憶體、介面周邊設備等。PCB 上通常也會配置發射與接收天線,為了優化天線性能,必須採用如 Rogers RO3003 此類的高頻基板材料,但這麼做也會提高 PCB 成本與複雜度,而且天線佔據電路板的空間可能高達 30%(如圖 1)。

  

1PCB 上具備天線的雷達感測器,佔據電路板面積約30%

 

天線封裝技術

 

設計毫米波感測器時,可以直接將天線元件與封裝基板整合,藉此縮小感測器尺寸、簡化其設計。圖 2 為背腔式 E 型貼片天線元件,可將 60 GHz 或 77 GHz 的毫米波發射到自由空間中。將此種天線元件配置多個在裝置的封裝上,便能打造多輸入多輸出(MIMO)陣列,用以偵測三度空間中的物體與人。

  

2:背腔式 E 型貼片天線元件

 

圖 3 為 AWR6843AOP 裝置上三個發射器與四個接收器天線元件的配置。此天線在方位角與仰角皆可實現寬廣視野。

  

3AWR6843AOP 裝置,其天線元件在封裝上形成 MIMO 陣列

 

下表說明該天線陣列的主要規格。

 

性能參數

性能數值

元件增益

6.5 dBi

頻寬

5 GHz

E 平面波束寬度

144 度

H 平面波束寬度

110 度

方位角解析度

29 度

仰角解析度

29 度

視軸角度估計準確度

3 度

1:天線元件性能規格

 

在設計開發中採用天線封裝技術具有以下優點:

 

  • 尺寸更精巧:有助設計小形狀係數的感測器。與 PCB 感測器上的天線元件相比,配備 TI 封裝天線的雷達感測器體積縮小約 30%。
  • 降低物料成本:PCB 疊構不再需要 Rogers RO3003 此類成本高昂的高頻板材。
  • 降低工程成本:天線工程人員不須設計天線、運用工具模擬性能,或設計實際電路板來分析不同性能參數。
  • 效率更高、功耗更低:矽晶粒到天線的路由更短。

 

MIMO 系統而言,在小型、具成本效益的封裝解決方案上實作高效能天線非常困難。現有解決方案通常將天線元件配置於塑封材料的上端或下端,發射訊號會透過損耗塑封料傳遞,此過程不只會減損效率,也會激發基板模態,產生寄生幅射(spurious radiation)。相較之下,透過覆晶封裝技術,天線便能配置在無塑封基板上。天線與矽晶粒也能在多層基板上重疊,實現更精巧的解決方案。

 

天線封裝技術於車用感測的應用

 

兒童留在車內意外致死的事件層出不窮,也是歐盟新車安全評等計畫(European New Car Assessment Program)等各國監理機關重視的課題。越來越多汽車製造業者與一階供應商也開始研究如何透過 60-GHz 毫米波感測器,準確偵測車內兒童與寵物,更期望開發出耐受嚴苛環境條件的應用。

 

由於汽車內部設計可能存在極大差異,感測器的尺寸規格必須夠小,才能順暢整合。以具備全景式天窗的汽車為例,要將感測器加裝在車頂並不容易;感測器必須配置在空間有限的位置,例如前方後視鏡附近的中控台或車柱。

  

4:天線在 PCB 上與封裝天線的感測器比較

 

感測器上的單一寬視野貼片天線適合以朝前的方向,配置在汽車頂篷或車柱下,提供車內感測功能,例如偵測與定位車輛前後座的孩童、寵物或乘客。在低電力模式下,感測器也能在嚴苛的環境條件下偵測入侵者。

 

開發人員也能考慮採用整合式數位訊號處理器(DSP)、微控制器(MCU)、雷達硬體加速器與晶片內建記憶體。在單晶片上整合 RF、數位與天線元件能大幅降低設計複雜度,打造更精簡、高速的設計。

 

採用 60-GHz 天線封裝毫米波感測器的兒童與乘客偵測參考設計列有在不同座位安排下,車內兒童與成人偵測功能的測試結果。感測器設置於車內頂部,圖 5、6、7 為測試結果,歡迎觀賞影片了解更多細節。

  

5:偵測車輛後座的孩童(以洋娃娃模擬)(影片

  

6:偵測與定位四名乘客,包含駕駛、副駕駛座乘客以及後座的成人與孩童(影片

  

7:偵測靠近車輛的入侵者(影片

 

對雷達感測器設計人員而言,天線封裝技術有助打造外型精巧的感測器,且能簡化設計流程、縮短上市時間,同時讓整體系統更具成本效益。TI 的 60-GHz AWR6843AOP 感測器整合車內兒童偵測、安全帶提示、駕駛生命跡象偵測、手勢控制等多種功能,是車內感測應用的全方位解決方案。

 

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