像蝙蝠一样飞,世强24GHz单芯片雷达方案轻松实现精准定位

标签:GaAs24GHzISM
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在多数人的眼里,雷达与军事相关,是军事科学的一部分,不过在今天雷达的应用已经日益进入寻常生活。或许,您家的智能马桶就采用了24GHz雷达传感器;而在汽车中,使用24GHz的防撞雷达已经在欧美国家最先普及;在工业领域,储罐液位计、路灯系统、入侵报警系统、警用测速仪、智能开门器、动作检测器和智能停车场等民用场合也都是雷达的用武之地。

为什么是微波雷达?

为什么这些场合必须要用到雷达而不是其他的探测方式?或许您可以从蝙蝠的身上寻找答案。蝙蝠是“瞎子”,但却可以在夜间出没,相当精准的探测障碍物。人们受到启发于是发明 了雷达。所以,在汽车,工业等领域中,在视觉条件很差的情况下还要求精确地探测物体时,雷达就被派上了用场。

目前在对汽车先进驾驶辅助系统 (ADAS)的大部分讨论都集中在使用可见波长摄像机的被动视觉系统上。知名的技术型电子元器件分销商世强产品经理宋斌在一次相关会议上就曾表示:“重要 的一点是,‘ADAS传感技术’只有雷达是与天气无关的。而摄像机在识别目标上有优势,雷达更善于探测物体,测量其速度。” 宋斌解释到,出于这些原因,很多重视探测和风险分类评估的早期系统会选择雷达。他指出:“在欧洲,对卡车紧急刹车系统有很大的需求。它是基于雷达的。”

虽然光学视觉系统非常成熟了,而雷达系统的优势会使其更加完善。宋斌预测,在不久的将来,具有目标识别的多摄像机复杂系统能够融合视频和雷达数据,对周围的世界建立动态模型。

“而相比成本更低的超声波雷达,微波雷达一定是汽车ADAS系统的趋势。因为相比超声波雷达,微波雷达受的干扰要小很多,如其不受大雾天气及温度等的影响,检测距离大于100m,而超声波雷达受到的干扰则较多,检测距离小于1m。虽然微波雷达的成本要高一些,但是真正能够满足汽车严酷环境安全要求的,还是要选 ‘摄像头+微波雷达’的方案。”宋斌表示。

24GHz收发一体FMCW的高集成度方案

不过微波雷达系统高昂的成本及复杂的高频设计一直使得其难以广泛投入商用。“英飞凌适用于商业级和汽车级传感应用的单片24GHz雷达芯片解决了这一难题。”宋斌进一步指出:“作为英飞凌的增值服务分销商,我们代理的英飞凌24GHz收发一体芯片BGT24Mxx系列堪称是目前市场上集成度最高的 24GHz的ISM波段雷达收发器系列。该解决方案具备设计紧凑、系统灵活和成本效益的特点,在汽车和工业领域的优势非常明显。”

BGT24Mxx系列工作在24GHz ISM频段,采用频率调制的连续波(FMCW)设计。配备了一个具有业界最高集成度的片上雷达收发器和一个仅用于接收的辅助芯片,使系统设计师能灵活实现多种应用的低成本和高性能的设计目标。

全新系列的三款器件分别为BGT24MTR11(单发射单接收通道)、BGT24MTR12 (单发射双接收通道)和BGTMR2 (双接收器)。由一个接收器发展到两个或更多个接收通道,这可使系统在更广的角度内更精确地进行目标感测。电压为3.3V的BGT24MTR11在 500mW功耗下感测距离达到160米。其在近场传感应用中的感测精度达到毫米级别。

采用行业标准QFN封装的这种单片解决方案相对于市场上的分立式解决方案,可使占板空间降低30%。BGTMTRxx器件通过取消外置组件匹配和占用板卡空间的射频传输线,简化了产品设计和缩短产品上市时间。

24GHz单片雷达方案推动汽车和工业应用率先普及

“将发射通道和接收通道集成在一颗芯片上,节省了宝贵的电路板空间,较之于分立器件方案,其占板面积节省了30%左右。并且令设计简单的如同不需要24GHz RF匹配/RF传输线一样。工业标准VQFN封装可以在标准SMD生产线上进行贴装。以上的这些特性都使得它成为汽车防撞雷达的不二之选。” 宋斌指出。

英飞凌雷达芯片采用基于锗硅(SiGe)的制造工艺。锗硅工艺研发项目得到了德国联邦教育与研究部(BMBF)的支持。该工艺经过专门设计,尤其适用于汽车应用。与目前使用的砷化镓(GaAs)组件不同,SiGe工艺可制造出更加小巧且经济实惠的雷达传感器。

“汽车毫米波雷达是汽车主动安全产品的关键部件,目前国际上几乎所有的汽车均开始配备汽车毫米波雷达,其中包括汽车防撞雷达、汽车盲区检测雷达等。目前,国产还没有开发出可商业化的汽车毫米波雷达产品,而国外同类产品价格昂贵,如凯美瑞的汽车防撞雷达就高达1.9万人民币/个。所以市场急需此类产品。”宋斌指出。

国内估计最先使用起来的是24GHz微波雷达,用来做短距离探测。宋斌进一步指出:“现在我们价格已经做到很便宜,批量化后价格会更加便宜,加上24GHz周边的元器件设计更加简单,我们已经有汽车行业客户商业化了。至于77GHz,价格太贵,后端开发技术难度大,相关仪器都很难搞到,要想大量普及短时间还是很难的。还有关键一点:国家工信部已经出台政策‘24GHz频段短距离车载雷达设备使用频率规划’。”

RF社区-24GHz

图2. 工业和信息化部关于发布24GHz频段短距离车载雷达设备使用频率的通知。

雷达技术是设计创新的ADAS系统、避免交通事故发生的关键所在。雷达芯片无论在何种天气条件下(包括雾天、雨天和雪天),都能让汽车看清前方道路。正是有了这款芯片,未来,中远距离雷达系统将成为中级车标配设备。

此外,BGT24Mxx系列的潜在应用范围还包括储罐(固体和液体)的液位/料位监测、照明控制、安防系统和智能门控系统应用以及工业车辆的防撞监测等。

例如,对于节能照明应用而言,24GHz雷达系统非常适用于通过感测指定区域的运动物体或人,调节街道照明、工业照明和办公照明的照明强度水平。 BGT24MTxxx的高分辨率使储罐液位测量系统变得更加精确,因为该系统不受泼溅液体或灰尘的影响。开门系统也可轻而易举地区分进门人和过路人。另一种应用是防盗报警器,例如监狱的安防系统。24GHz雷达可覆盖270平米的范围,而常用的红外(IR)系统只能覆盖10平米。

Rogers高性能微波板材——24G雷达的最佳配套选择

大功率、复杂的射频、微波系统同样给高频线路板材带来了挑战。好马还需配好鞍,罗杰斯(Rogers)高性能微波板材是英飞凌24G雷达方案的最佳选择。

阳忠提醒工程师们:“高性能的射频、微波系统对相关的功率器件以及无源器件具有近乎苛刻的要求,因此目前能进入该领域的半导体和无源器件提供商屈指可数。另外,在相关材料上也具有极高的要求,系统电路板材以及相关物料的特性同样十分关键。为了能够胜任应用的操作环境,在选材时需要依据电气、 机械和热性能挑选合适的材料。”

Rogers 的RO4000系列是目前市场上性价比最优的射频/微波板材,RO4350(R) 提供最高性价比;RO4350 LOPRO(R) 提供更低的导体损耗;RO4835(R) 提供高温抗氧化板材。

RO4000 系列的DK、DS特性在24G频段非常稳定,并且采用碳氢树脂及陶瓷填料层压板和半固化片可以提供出色的高频性能以及低廉的线路加工成本。是一款可以用标 准的环氧树脂/玻璃布(FR-4)加工工艺进行加工的低损耗材料。以下优点都使其成为了24GHz雷达的最佳拍档:

•   性价比最优的射频/微波板材
•   类似于FR4的加工流程,加工成本更加低廉,
•   3倍于PTFE材料的导热系数
•   低的Z轴热膨胀率,可以更好的保证通孔可靠性,更适合与多层板的压合
•   介电常数2.55-6.15          

RO4000 材料还拥有微波射频电路、匹配网络以及特定阻抗传输线的设计者所需要的特性。而且有符合UL 94V-0防火等级的版本。“RO4350和RO4835最适于应用于汽车中。其中RO4835还采用了高温抗氧化板材,即使汽车在高温环境下工作,板子也不会氧化。” 阳忠强调。

本文小结

如前所述,24GHz单芯片雷达解决方案具备如下三大优势:

1、高度集成:一颗芯片上集成了发射和接收功能,比分立器件节省占比30%占比空间;
2、电路设计简单,电路板上不需要24GHz RF匹配/RF传输线;
3、工业标准QFN式封装可以在标准SMD生产线上进行贴装。
 

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