适用于高级驾驶辅助系统的雷达和功能安全技术

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         在不久的将来,汽车雷达系统会越来越普及,它们提供很多舒适安全的应用。短距离雷达范围从几厘米到30米,可用于盲点探测、倒车辅助或车位测量,以引导汽车自助泊车。长距离雷达可达到250米,用于启动自适应巡航控制,使汽车与前车速度保持一致。此外,它还可以启动更多重要的功能,如碰撞告警、紧急制动,甚至撞击预警侦测系统等,这些可能触发安全带张力计或其它主动或被动安全功能。显而易见,凭借后面这些功能,电子控制系统需要达到最高的功能安全等级,因为此系统无需驾驶员干预,最终都会转向或制动汽车。

这种雷达技术的发展创新不断应用在移动工控机、起重机、工厂安全设备等其他应用中,而这一应用领域都需要严密地安全保护。耦合雷达与机器视觉也可以创建一个强大的组合,这两种技术相辅相成,可创建更准确和更可靠的系统。当机器视觉被遮挡时,雷达可在雨水、雾气和污垢环境下运行。此外,雷达还可以进一步延伸其探测距离以及探测到非直接视线中的事件。一个结合了机器视觉与雷达及一些智能传感器融合算法的系统,可以充分利用这两种传感技术带来的好处。



图1: 汽车雷达应用

77 GHz雷达技术

在碰撞告警系统中,77 GHz发射器发出的信号将被车身前方的物体反射,然后由分布在车身各处的多个接收器捕获。该发射器发出频率调制的连续波信号,即在一个固定时段中,频率随着典型的三角波信号而上下变化。由于无线电波是以恒定的光速进行传播的,因此测量发射波和接收波之间的频率差异(即随时间而变化的频率斜率)就可以计算出传播距离。速度测量采用多普勒效应,即所观察到的反射信号频率与发出的频率不同。

雷达系统并不是新亮点。而新亮点是汽车制造商想在最近几年内将这个系统内置在中型汽车中,因此该系统必须是低成本、高质量的。这意味着从昂贵的专业雷达系统向标准汽车设备类型的一个很大转变。面临的挑战是降低成本的同时,实际提高产品质量及减少每百万件的瑕疵部件。这种转变如“质量与成本营销价值图”所示。



图2:营销价值图

这个营销价值图显示了从高成本、良好质量系统向中低成本、更高质量系统的转变。为了实现这一目标,我们必须应对很多挑战。

雷达成本和质量的挑战

传统雷达采用旋转天线。这也是物体空间映射的原理。这可能适合具有昂贵控制系统的大型系统,但肯定不适用于汽车批量生产。消除旋转天线的一个解决方案就是,将相控阵列或接线天线用于多通道发射和接收通道。空分天线将接收有轻微时差的反射信号。这种差别随后用于重建物体位置,而无需移动天线。这种接线天线的缺点是,需要多个发射和接收通道来连接天线。典型系统将采用类似4个发射天线和16个接收天线。但从经济角度来说,重复16次接收电路和4次发射电路并不可行。

这时另一个创新就派上用场了。飞思卡尔没有采用射频差分电路,而是开发了一个专用射频BiCMOS工艺,它的性能足以将77 GHz射频电路整合到单芯片上。飞思卡尔从开发高性能SiGe:C(硅锗碳)180纳米工艺开始,还开发了专用的300GHz Fmax射频晶体管,能够在芯片上处理77GHz雷达信号。结合模拟和数字CMOS电路,这一工艺支持全面集成多通道77GHz片上系统。因此片上集成可抵消多通道开销成本。

高级封装技术

具备77GHz固态硅工艺是一笔巨大财富,但在印刷电路板上处理和报告它又是另一个挑战。传统封装寄生阻抗在高频率时会破坏信号信息。应对这个问题的一种方法就是采用精密引线焊接技术将裸芯片焊接在专用PCB上,而不是采用典型封装和更高成本的波峰焊接技术。这时名为“RCP (重分配芯片封装)”的全新先进封装技术就派上用场了。



图3:RCP封装中的各层

RCP采用粗光刻技术而不是PCB型材料将铜互连层装配在芯片或多芯片系统上。这种无基板的封装技术具有更低的电容和电感寄生行为。与裸芯片焊接工艺相比,通过具有合格性能的这一封装,可以在77GHz时路由高频率信号。它的优点是,传统PCB的整套工具可用于焊接这个部件,这意味着低成本的处理。

凭借这种工艺和封装技术,飞思卡尔不断设计出集成的发射器和接收器雷达电路。



图4:77 GHz雷达发射器裸芯片

此发射器集成了77GHz频率合成器、半频率时的压控振荡器、10GHz分频锁相环、功率放大器和一个28位Σ-Δ调制器。这通过SPI接口可附带特定ESD保护(RF和DC)和数字控制。

在接收端,我们在38GHz时集成了典型的4个接收通道和一个本地振荡器,以及输出差分中频。无需低噪声放大器就能实现13dB的典型噪声系数。这有助于保持低功耗、高线性度。



图5:RCP封装雷达芯片组

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