適用于高級駕駛輔助系統(tǒng)的雷達(dá)和功能安全技術(shù)

在不久的將來，汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)會越來越普及，它們提供很多舒適安全的應(yīng)用。短距離雷達(dá)范圍從幾厘米到30米，可用于盲點(diǎn)探測、倒車輔助或車位測量，以引導(dǎo)汽車自助泊車。長距離雷達(dá)可達(dá)到250米，用于啟動自適應(yīng)巡航控制，使汽車與前車速度保持一致。此外，它還可以啟動更多重要的功能，如碰撞告警、緊急制動，甚至撞擊預(yù)警偵測系統(tǒng)等，這些可能觸發(fā)安全帶張力計(jì)或其它主動或被動安全功能。顯而易見，憑借后面這些功能，電子控制系統(tǒng)需要達(dá)到最高的功能安全等級，因?yàn)榇讼到y(tǒng)無需駕駛員干預(yù)，最終都會轉(zhuǎn)向或制動汽車。

這種雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新不斷應(yīng)用在移動工控機(jī)、起重機(jī)、工廠安全設(shè)備等其他應(yīng)用中，而這一應(yīng)用領(lǐng)域都需要嚴(yán)密地安全保護(hù)。耦合雷達(dá)與機(jī)器視覺也可以創(chuàng)建一個(gè)強(qiáng)大的組合，這兩種技術(shù)相輔相成，可創(chuàng)建更準(zhǔn)確和更可靠的系統(tǒng)。當(dāng)機(jī)器視覺被遮擋時(shí)，雷達(dá)可在雨水、霧氣和污垢環(huán)境下運(yùn)行。此外，雷達(dá)還可以進(jìn)一步延伸其探測距離以及探測到非直接視線中的事件。一個(gè)結(jié)合了機(jī)器視覺與雷達(dá)及一些智能傳感器融合算法的系統(tǒng)，可以充分利用這兩種傳感技術(shù)帶來的好處。



圖1： 汽車?yán)走_(dá)應(yīng)用

77 GHz雷達(dá)技術(shù)

在碰撞告警系統(tǒng)中，77 GHz發(fā)射器發(fā)出的信號將被車身前方的物體反射，然后由分布在車身各處的多個(gè)接收器捕獲。該發(fā)射器發(fā)出頻率調(diào)制的連續(xù)波信號，即在一個(gè)固定時(shí)段中，頻率隨著典型的三角波信號而上下變化。由于無線電波是以恒定的光速進(jìn)行傳播的，因此測量發(fā)射波和接收波之間的頻率差異（即隨時(shí)間而變化的頻率斜率）就可以計(jì)算出傳播距離。速度測量采用多普勒效應(yīng)，即所觀察到的反射信號頻率與發(fā)出的頻率不同。

雷達(dá)系統(tǒng)并不是新亮點(diǎn)。而新亮點(diǎn)是汽車制造商想在最近幾年內(nèi)將這個(gè)系統(tǒng)內(nèi)置在中型汽車中，因此該系統(tǒng)必須是低成本、高質(zhì)量的。這意味著從昂貴的專業(yè)雷達(dá)系統(tǒng)向標(biāo)準(zhǔn)汽車設(shè)備類型的一個(gè)很大轉(zhuǎn)變。面臨的挑戰(zhàn)是降低成本的同時(shí)，實(shí)際提高產(chǎn)品質(zhì)量及減少每百萬件的瑕疵部件。這種轉(zhuǎn)變?nèi)纭百|(zhì)量與成本營銷價(jià)值圖”所示。



圖2：營銷價(jià)值圖

這個(gè)營銷價(jià)值圖顯示了從高成本、良好質(zhì)量系統(tǒng)向中低成本、更高質(zhì)量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們必須應(yīng)對很多挑戰(zhàn)。

雷達(dá)成本和質(zhì)量的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)雷達(dá)采用旋轉(zhuǎn)天線。這也是物體空間映射的原理。這可能適合具有昂貴控制系統(tǒng)的大型系統(tǒng)，但肯定不適用于汽車批量生產(chǎn)。消除旋轉(zhuǎn)天線的一個(gè)解決方案就是，將相控陣列或接線天線用于多通道發(fā)射和接收通道?？辗痔炀€將接收有輕微時(shí)差的反射信號。這種差別隨后用于重建物體位置，而無需移動天線。這種接線天線的缺點(diǎn)是，需要多個(gè)發(fā)射和接收通道來連接天線。典型系統(tǒng)將采用類似4個(gè)發(fā)射天線和16個(gè)接收天線。但從經(jīng)濟(jì)角度來說，重復(fù)16次接收電路和4次發(fā)射電路并不可行。

這時(shí)另一個(gè)創(chuàng)新就派上用場了。飛思卡爾沒有采用射頻差分電路，而是開發(fā)了一個(gè)專用射頻BiCMOS工藝，它的性能足以將77 GHz射頻電路整合到單芯片上。飛思卡爾從開發(fā)高性能SiGe:C（硅鍺碳）180納米工藝開始，還開發(fā)了專用的300GHz Fmax射頻晶體管，能夠在芯片上處理77GHz雷達(dá)信號。結(jié)合模擬和數(shù)字CMOS電路，這一工藝支持全面集成多通道77GHz片上系統(tǒng)。因此片上集成可抵消多通道開銷成本。

高級封裝技術(shù)

具備77GHz固態(tài)硅工藝是一筆巨大財(cái)富，但在印刷電路板上處理和報(bào)告它又是另一個(gè)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)封裝寄生阻抗在高頻率時(shí)會破壞信號信息。應(yīng)對這個(gè)問題的一種方法就是采用精密引線焊接技術(shù)將裸芯片焊接在專用PCB上，而不是采用典型封裝和更高成本的波峰焊接技術(shù)。這時(shí)名為“RCP （重分配芯片封裝）”的全新先進(jìn)封裝技術(shù)就派上用場了。



圖3：RCP封裝中的各層

RCP采用粗光刻技術(shù)而不是PCB型材料將銅互連層裝配在芯片或多芯片系統(tǒng)上。這種無基板的封裝技術(shù)具有更低的電容和電感寄生行為。與裸芯片焊接工藝相比，通過具有合格性能的這一封裝，可以在77GHz時(shí)路由高頻率信號。它的優(yōu)點(diǎn)是，傳統(tǒng)PCB的整套工具可用于焊接這個(gè)部件，這意味著低成本的處理。