集成天线封装的毫米波雷达有什么好处

毫米波雷达是汽车和工业应用的主要传感方式之一，因为即使在恶劣的环境条件下，它也能够以高精度的距离，角度和速度精度检测从几厘米到几百米的物体。

典型的雷达传感器包括雷达芯片组以及其他电子组件，例如电源管理电路，闪存和组装在PCB上的外围接口器件。发送和接收天线也通常在PCB上实现，但是要实现高天线性能，需要使用高频基板材料，例如Rogers的RO3003，这会增加PCB的成本和复杂性。此外，天线最多可占用电路板空间的30％（图1）。

图1 PCB上的雷达传感器天线约占板级空间的30％。资料来源：德州仪器

天线封装技术

可以设计将毫米波传感器直接集成到封装基板中的毫米波传感器，从而减小传感器的尺寸和传感器设计的复杂性。图2描绘了一个背腔的E形贴片天线元件，将60或77 GHz的毫米波辐射到自由空间。在器件的封装上安排几个这样的天线元件会创建一个多输入多输出（MIMO）阵列，该阵列可以感应3D空间中的物体和人。

图2背腔E形贴片天线元件向自由空间辐射毫米波。资料来源：德州仪器

图3显示了AWR6843AOP汽车雷达传感器上三个发射器天线元件和四个接收器天线元件的布置。该天线可以在方位角和仰角方向上实现宽可视范围。

图3封装上带有天线元件的AWR6843AOP器件形成MIMO阵列。资料来源：德州仪器

天线封装技术为开发人员带来以下好处：

较小的尺寸可以设计极小外形的传感器。带有天线封装的雷达传感器比PCB传感器的天线小约30％。

通过绕过PCB中对昂贵的高频基板材料的需求，可以降低BOM成本。

由于不需要天线工程师来设计天线，通过工具模拟性能以及设计实际电路板来表征不同参数的性能，因此可以降低工程成本。

由于从硅芯片到天线的路径更短，因此可以实现更高的效率和更低的功耗。

对于MIMO系统，在小型且经济高效的封装解决方案中实现高性能天线是非常具有挑战性的。现有的解决方案在芯片顶侧或底侧实现天线元件。辐射信号穿过这种有损耗的模具材料传播，这降低了效率并导致杂散辐射。而倒装芯片封装技术可以将天线放置在无需模具的基板上。此外，天线和硅芯片可支持多层基板上堆叠，从而带来更紧凑的解决方案。

叠装天线如何帮助车内感测

诸如“欧洲新车评估计划”之类的监管机构正在解决因丢在车中而导致儿童死亡的问题。汽车制造商和Tier1制造商正在转向60 GHz毫米波传感器，以在恶劣的环境条件下准确检测汽车内的儿童和宠物。

鉴于车辆的内部设计可能非常不同，对于无缝集成，传感器的外形尺寸必须非常小。例如，可能很难将传感器集成到具有全景天窗的车顶上。相反，它必须集成在空间有限的位置，例如后视镜周围的高架控制台或支柱中。

图4 PCB板载天线与芯片集成天线的对比 资料来源：德州仪器

传感器上的单个贴片式FoV天线非常适合放置在车顶篷甚至车头下方的正面位置。它启用了车厢内感测用例，例如检测和定位汽车，车内空间中的儿童，宠物或乘员。该传感器在低功率操作模式下，还可以在具有挑战性的环境条件下检测入侵者。

开发人员还可以受益于集成的DSP，MCU，雷达硬件加速器和片上存储器。将RF，数字技术和天线组件集成在单个芯片上可消除许多复杂性，并使设计更简单，更快捷。

使用60 GHz封装天线的儿童存在和乘员检测参考设计通过毫米波雷达捕获测试结果，以检测各种座位位置的儿童和成人。传感器放置在汽车前上方的位置。

图5这是一个模拟婴儿在汽车后座呼吸的测试结果。资料来源：德州仪器

图6该测试检测到了四名乘员：驾驶员，乘客，一名成人和一名儿童。资料来源：德州仪器

图7该测试检测到车辆附近的入侵者。资料来源：德州仪器

堆叠天线技术可帮助雷达传感器设计人员以较小的工作量和更快的上市时间创建非常小尺寸传感器，同时还提供系统级的成本优势。TI的60 GHz AWR6843AOP传感器通过启用多种应用程序（例如儿童在场检测，安全带提醒，驾驶员生命体征检测和手势控制）来简化车内感测。

作者: Kishore Ramaiah是德州仪器（TI）毫米波雷达市场经理

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