封裝集成天線技術 - 簡化汽車座艙內雷達傳感器設計！
發布時間：2021-02-04 來源：TI 責任編輯：wenwei
【導讀】毫米波(mmWave)雷達為汽車和工業應用提供了一種新的感應方式，即使在惡劣的環境條件下，它也能夠遠距離、以出色的角度和速度精度檢測距離為幾厘米至幾百米的物體。
典型的雷達傳感器包含一個雷達收發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），所有這些都裝配在一個PCB上。發射天線和接收天線通常也在PCB上實現，但要提高天線性能，則需要使用高頻基板材料（例如Rogers的RO3003），而這會增加PCB的成本和複雜性。此外，天線可能會占用多達30%的布板空間（圖1）。
圖1 PCB上的雷達傳感器天線占用約30%的布板空間。
封裝集成天線技術
可以設計天線元件並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並降低傳感器設計的複雜性。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。通過在器件的封裝中布置多個上述天線元件，可以創建一個多輸入多輸出(MIMO)陣列，該陣列能夠感應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汽車雷達傳感器上三個發射器天線元件和四個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現寬視場(FoV)。
圖3具有封裝天線元件的AWR6843AOP器件形成MIMO陣列。
封裝天線技術可以為開發人員帶來以下好處：
● 較小的尺寸可實現超小型傳感器設計。具有封裝天線的雷達傳感器比在PCB上裝配天線的傳感器尺寸小約30%。
● 由於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。
● 由於不需要天線工程師設計天線、通過仿真軟件獲得理想的天線性能和設計實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。
● 由於從矽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。
對於MIMO係統而言，在小型且經濟高效的封裝解決方案中實現高性能天線非常具有挑戰性。現有的解決方案是在塑封的頂部或底部布置天線元件；輻射信號穿過這種塑封材料時會產生損耗，這會降低效率並激發由基材模式(substrate modes)導致雜散輻射。另一方麵，利用Flip-chip倒裝芯片式封裝技術，可以將天線放置在無塑封的基板上。此外，天線和矽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現車內感應
歐洲新車評價項目(Euro NCAP)等監管機構正在試圖解決兒童因被誤留在車內而中暑身亡的問題。汽車製造商和一級製造商致力於60GHz毫米波傳感器的研究，這種傳感器可用於在惡劣環境條件下準確檢測汽車內的兒童和寵物。
鑒於車輛的內部設計迥異，為了實現無縫集成，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頂中；相反，必須將其集成在空間受限的位置，例如後視鏡周圍的頂部控製台或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比。
傳感器上的單陣子寬FoV天線非常適合放置在車輛的頂篷內襯下方，甚至是A柱或者B柱的正麵位置。該天線支持各種車內感應用例，例如對車內相隔兩排座椅（包括腳坑位置）的兒童、寵物或乘客進行檢測和定位。該傳感器以低功耗模式運行，還可以在環境條件比較複雜時進行入侵檢測。
開發人員還能夠從集成DSP、MCU、雷達硬件加速器和片上存儲器中受益。通過將射頻、數字和天線元件集成在單個芯片上，可以顯著降低設計複雜性，從而更快、更簡單地進行設計。
車內兒童和乘員檢測參考設計采用的是60GHz封裝集成天線的毫米波傳感器，無論兒童和成人采用何種坐姿，均能獲得檢測結果。該傳感器放置於車頂位置。圖5-7顯示了上述測試結果。
圖5 這是使用洋娃娃模擬汽車後排座椅上正在呼吸的嬰兒的測試結果。
圖6 該測試檢測並定位了四個乘員：駕駛員、乘客以及位於後排座椅上的一名成人和一名兒童。
圖7 該測試檢測到車輛附近的入侵者。
封裝天線技術可幫助雷達傳感器設計人員設計外形尺寸超小的傳感器，不僅減少了工作量、縮短了產品上市時間，同時還實現了係統級成本優勢。通過集成車內兒童檢測、安全帶提醒裝置、駕駛員生命體征檢測和手勢控製等多種應用，德州儀器的60GHz AWR6843AOP傳感器可簡化車內感應的係統方案。
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