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      車用超聲波和毫米波雷達代表產品解析

      發布時間:2021-05-08 責任編輯:lina

      【導讀】雷達系統通常與飛機等軍事項目有關,但是它們如今已迅速進入包括商用汽車在內的民用領域。作為高級駕駛員輔助系統(ADAS)電子設備的一部分,毫米波(mmWave)雷達系統正在集成到新車輛中,以提供更安全的駕駛體驗。
        
      雷達系統通常與飛機等軍事項目有關,但是它們如今已迅速進入包括商用汽車在內的民用領域。作為高級駕駛員輔助系統(ADAS)電子設備的一部分,毫米波(mmWave)雷達系統正在集成到新車輛中,以提供更安全的駕駛體驗。完全自動駕駛的“自動駕駛”汽車可能還有數年之遙,而盲點檢測和避免碰撞等ADAS功能現在可以保護駕駛員。低功率,高頻雷達檢測對于實現所有目標檢測至關重要,最終可以創造更安全的駕駛體驗。
       
      毫米波雷達技術,激光雷達技術以及攝像頭,是提高ADAS功能的三項重要傳感器技術。汽車雷達頻率主要依然集中在24 GHz,但是77 GHz才是如今各大廠商重點關注的技術。正在推出基于毫米波頻率上的調頻連續波(FMCW)雷達集成電路(IC)。雷達可以區分靜止目標和運動目標,并同時檢測多個目標,甚至可以通過其多普勒頻移計算出被檢測車輛的相對速度。
       
      在白天和黑夜的各種光照和天氣條件下,以及在很寬的溫度范圍內,雷達都能以穩定的精度運行。 ADAS處理器進行的傳感器融合可以使用來自三種類型傳感器的數據來創建檢測到的目標的3D圖像。傳感器融合技術的發展,尤其是在兩個頻率范圍內利用雷達,正在為產生基于4D雷達的數據掃清道路,這些數據可用于未來自動駕駛控制所需的目標范圍,角度,速度和仰角。
       
      ADAS的雷達接收器、發射器和收發器通常使用硅鍺(SiGe)或硅(Si) BiCMOS等高頻/高速半導體技術實現高度集成的單片微波集成電路(MMIC)。MMIC通常支持模塊化功能,具有用于發送和接收功能的單獨MMIC,或者作為收發器,每個芯片具有單個或多個發送和接收通道。
       
      無論是在24 GHz或77 GHz頻率下,ADAS雷達電路和系統設計人員都可以將主要的系統功能模塊(例如微處理器,數字信號處理(DSP)和電源)封裝在同一個IC中,以節省空間。中央ADAS處理器通過將雷達數據與LiDAR和相機成像數據相結合來進行傳感器融合,以創建360度的圖像。
       
      車用超聲波和毫米波雷達代表產品解析
       
      1.配備ADAS的車輛依靠來自雷達,LiDAR和基于攝像頭的系統的傳感器數據融合來創建360度角。目標檢測領域。 (由Xilinx提供)
       
      ADAS 毫米波雷達的MMIC適用于24 GHz和77 GHz的短程雷達(SRR),可檢測約20 m,中程雷達(MRR)約60 m,遠距離雷達(LRR)約200 m或更遠。當前的24 GHz雷達MMIC在24.00至24.25 GHz的工業,科學和醫學(ISM)頻段內運行,已用于非汽車工業和醫學應用,包括倉庫中的入侵者檢測和心率檢測器等。
       
      現在,包括美國聯邦通信委員會(FCC)和歐洲電信標準協會(ETSI)在內的政府頻譜監管機構計劃為超寬帶(UWB)雷達釋放更多的24 GHz左右帶寬,與目前相比,其目標分辨率有所提高。
       
      隨著大多數駕駛員期望新車提供ADAS電子解決方案以提高安全性,對汽車毫米波雷達解決方案的需求正在不斷增加。更多的半導體供應商,包括一些已經在生產的24 GHz ADAS雷達IC,正在為SRR,MRR和LRR ADAS應用開發用于77 GHz(76至81 GHz),5 GHz帶寬的雷達IC。
       
      掃描雷達解決方案
       
      面向24 GHz ISM頻段系統的汽車雷達高度集成IC,比如英飛凌的BGT24A系列ADAS雷達收發器和接收器IC。
       
      BGT24A系列的成員包括BGT24ATR11,這是一種具有一個發送通道和一個接收通道的24 GHz雷達收發器。 BGT24ATR12具有一個發送通道和兩個接收通道; BGT24AR2和BGT24AR4分別具有兩個和四個接收通道; BGT24AT2具有兩個發送通道,可以添加到任一收發器中,以增強態勢感知能力。這些IC采用VQFN封裝(圖2),輕松安裝在PCB上。
       
      車用超聲波和毫米波雷達代表產品解析
       
      2. BGT24A系列的24 GHz雷達傳感器是MMIC收發器,具有不同的發射器和接收器組合。 (由英飛凌科技提供)
       
      BGT24ATR11具有單個接收和發送通道的MMIC收發器,設計用于24.00至24.25 GHz的頻率。它通過了AEC-Q100認證,并且已在許多工業和醫療中應用。MMIC基于0.18μm 雙極SiG工藝,具有200 GHz的上限頻率,以低噪聲,24 GHz壓控振蕩器(VCO)為中心。VCO的相位噪聲從載波偏移100 kHz時為-85 dBc / Hz。
       
      MMIC收發器包含一個具有1.5 GHz和23 kHz輸出的可切換預分頻器。它還提供通常為0 dBm的24 GHz本地振蕩器(LO)輸出信號,以驅動其他功能。 MMIC的發射部分會向天線產生+9 dBm的典型功率;輸出功率可以控制在3到9 dB之間。
       
      發射器具有雷達使用所需的快速開/關切換功能,通常為500 ns,并在關閉模式下將雜散輸出控制在-30 dBm或更低。零差型接收機支持許多不同的24 GHz ADAS雷達系統配置,其中頻(dc)范圍從dc到10 MHz。 24 GHz雷達收發器采用符合RoHS的緊湊型VQFN封裝提供,并且僅通過+3.3 V直流電源消耗500 mW的功率。
       
      STMicroelectronics的STRADA431具有一個發送通道和三個單端接收器通道,每個通道都有其自己的可變增益放大器(VGA),是符合AEC-Q100要求的24 GHz ADAS收發器,它也圍繞低噪聲的24 GHz VCO構建。典型的相位噪聲是相對于載波的−75 dBc / Hz偏移100 kHz。它采用6×6mm QFN封裝,采用+ 3.3V直流電源供電,并由四引腳SPI接口控制。 MMIC具有板載功率和溫度傳感器,其單通道收發器在24 GHz時可提供+13 dBm的差分輸出功率。它具有可切換/可選的IF濾波器,并具有高達60dB的接收器轉換增益。
       
      長期的IC供應商ADI公司為商業和工業安全系統提供24 GHz IC,這些系統也可用于ADAS雷達。與許多半導體供應商一樣,該公司也提供評估板來簡化雷達芯片的初始測試。
       
      EV-TINYRAD24G雷達評估模塊和EV-RADAR-MMIC2評估板上安裝了ADF5901 24-GHz發送IC和ADF5904 24-GHz接收IC以及ADF4159鎖相環(PLL)IC。 IC可以一起與不同的mmWave天線工作。評估模塊(圖3)配備了具有多輸入多輸出(MIMO)配置的相控陣天線,該相控陣天線允許使用陣列中的多個小天線元件來形成天線輻射圖,以進行發射和接收功能。
       
      車用超聲波和毫米波雷達代表產品解析
       
      3.為了便于評估,將單獨的24 GHz發送和接收IC安裝在緊湊型EV-TINYRAD24G PCB上。 (由Analog Devices提供)
       
      這些高度集成的設備在5×5 mm LFCSF小型封裝中實現了有效的雷達功能。例如,ADF5901通過板載功率放大器和24 GHz VCO提供雙24 GHz雷達發射通道。 VCO還為其他接收器功能提供LO信號。該IC包含各種數字電路,例如輔助模數轉換器(ADC),以及每個發射通道的溫度傳感器和功率控制電路。一個簡單的四線接口控制所有片上寄存器。
       
      更高頻率
       
      由于目前24 GHz的可用ISM帶寬目前限制為250 MHz,因此許多電路和系統開發人員發現77 GHz附近的更大可用帶寬(以及較小波長的高分辨率)對于ADAS雷達具有吸引力。用于24 GHz ADAS雷達芯片的許多半導體工藝都支持具有類似發射器、接收器和收發器架構的77 GHz設備。
       
      例如,STMicroelectronics在SiGe BiCMOS上制造其雙頻段,76至77 GHz和77至81 GHz的STRADA770M ADAS雷達收發器。微型收發器集成了四個單端50Ω接收器通道(每個通道都具有高分辨率ADC)和三個單端50Ω發射器通道。發送器通道包括線性調頻調制器和線性調頻器,以及集成的多種功能都包含在尺寸僅為9×9 mm的單個晶圓級BGA封裝中。
       
      STRADA770M雷達收發器包括一個集成的低相位噪聲振蕩器,該振蕩器設計用于40或50MHz的晶體基準。典型的相位噪聲是從77 GHz載波偏移1 MHz時的−95 dBc / Hz。收發器在76至77 GHz范圍內通常提供+13 dBm的發射功率,在77至81 GHz范圍內通常提供+10 dBm的發射功率。它可實現高達75dB的接收器轉換增益,可在30dB的范圍內以3dB的階梯進行調節。密集封裝的IC具有板載線性調頻定序器和FMCW線性調頻調制器,以及可設置為SPI或I2C操作的數字從接口。MMIC使用+ 3.3V直流單電源供電。
       
      恩智浦半導體的TEF8102 ADAS雷達收發器MMIC(圖4)是在公司的20納米RF CMOS工藝上制造的。MMIC包含三個具有二進制控制和輸出電平穩定功能的發送通道,以及四個接收通道。每個接收通道都有一個專用的12位ADC。板載波形發生器在76至78 GHz范圍內實現+12 dBm的典型發射功率,在78至81 GHz范圍內實現+13 dBm的典型發射功率。 FMCW收發器的四個接收通道可提供串行輸出數據,這得益于波形發生器的低噪聲。當從76至81 GHz的任何頻率偏移1 MHz時,典型的相位噪聲為−86 dBc / Hz或更高。
       
      車用超聲波和毫米波雷達代表產品解析
       
      4.TEF8102 MMIC是一種雷達收發器,具有三個發送通道和四個接收通道,掃描范圍為76至81 GHz。 (由恩智浦半導體公司提供)
       
      雷達收發器支持76至81 GHz的SRR,MRR和LRR應用,線性調頻帶寬分別為0.5、1.0和2.0 MHz /μs。它適用于自動緊急制動(AEB),自適應巡航控制(ACC),前交叉交通警報(FCTA),后交叉交通警報(RCTA),停車輔助(PA)和盲點檢測(BSD)。該收發器提供ADAS車輛所需的4D雷達數據。
       
      四個TEF8102雷達收發器MMIC可以為完整的360度檢測提供足夠的數據。該器件可封裝在7.5×7.5 mm嵌入式晶圓級球柵陣列(eWLB)封裝中,并可提供在測試板上(TEF8102型評估板),以簡化系統開發。
       
      德州儀器(TI)的AWR1243單芯片FMCW雷達收發器具有3個單端發送通道和4個單端接收通道,覆蓋76至81 GHz。該公司提供兩種版本的設備:對于AWR1243型號,三個發射通道中的兩個可以同時操作;對于AWR1243P型號,所有三個發射通道都可以同時使用。
       
      雷達MMIC采用45納米RF CMOS工藝制造,具有低功耗,并且符合AEC-Q100標準的收發器可容納+ 3.3V和+ 1.8V直流電源。MMIC的基礎是板載小數N分頻PLL頻率合成器,可命令精確的線性調頻脈沖產生和同步。
       
      當從76-77 GHz載波偏移1 MHz時,AWR1243的波形發生器呈現出-95 dBc / Hz的低典型相位噪聲,而從77-81 GHz載波偏移1 MHz時則呈現-93 dBc / Hz。典型的發射輸出功率為+12 dBm,典型的接收器轉換增益為48 dB,控制范圍為24 dB,可以2 dB的步長進行調節。
       
      77 GHz雷達收發器設計用于與外部40 MHz時鐘源一起使用。它具有內置的溫度和功率監控功能,以及跨頻率和溫度的內置自校準功能。該收發器采用尺寸為10.4×10.4 mm的倒裝芯片球柵陣列(BGA)型封裝。通過執行簡單的編程更改,該收發器可以在76至81 GHz的頻率下用于所有三種主要的汽車應用類型(SRR,MRR和LRR)。
       
      一些24 GHz FMCW雷達MMIC供應商也在開發用于77 GHz ADAS應用的雷達MMIC,例如Analog Devices和Infineon。例如,與其24 GHz器件一樣,英飛凌在SiGe工藝上制造其77 GHz器件。這些雷達MMIC仍處于試生產階段,預計將用于該公司的RASIC產品線。它們包括具有三個發送和四個接收通道的RXS816xPL收發器以及具有兩個發送和四個接收通道的RXS8156PLA收發器。兩種77 GHz雷達MMIC都將采用eWLB封裝。 
       
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