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[導讀]   過往雷達(RADAR)系統(tǒng)大多應用在航空設(shè)備,但業(yè)界也發(fā)現(xiàn)雷達在汽車應用中極具發(fā)展?jié)摿?,因而紛紛投入設(shè)計。特別是以毫米波段中77GHz頻率實現(xiàn)的方案最受青睞,因該頻段可最大限度吸收水分子,已

  過往雷達(RADAR)系統(tǒng)大多應用在航空設(shè)備,但業(yè)界也發(fā)現(xiàn)雷達在汽車應用中極具發(fā)展?jié)摿?,因而紛紛投入設(shè)計。特別是以毫米波段中77GHz頻率實現(xiàn)的方案最受青睞,因該頻段可最大限度吸收水分子,已獲業(yè)界證明適合用于開發(fā)汽車雷達元件和短距離雷達(相對航空航天而言)。

  盡管大多數(shù)短距離雷達仍在24GHz頻段上運行,但長期來看,該頻段無法保證全球通用性,77GHz雷達將有一定的發(fā)揮空間。目前,77GHz雷達感應技術(shù)在先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)中已占有一席之地。為持續(xù)提升ADAS系統(tǒng)品質(zhì)并優(yōu)化設(shè)計成本,應用設(shè)計師須了解發(fā)送和接收雷達波所需的77GHz射頻 (RF)技術(shù)、具備基頻信號處理功能的雷達感應器,以及雷達系統(tǒng)功能安全等設(shè)計方式。

  提升雷達RF元件性價比 硅鍺碳BiCMOS制程崛起

  毫米波雷達系統(tǒng)相當依賴III-V半導體元件,現(xiàn)大多汽車雷達系統(tǒng)均使用砷化鎵(GaAs)技術(shù)實現(xiàn)RF前端電路;然而,用于制造手機元件的硅鍺碳 (SiGe:C)技術(shù),亦能以極低成本打造媲美砷化鎵的RF功能,讓消費者以合理價格安裝汽車ADAS。此外,透過快速、高性能的互補式金屬氧化物半導體 (CMOS)制程,元件性能更可大幅超越以90納米(nm)制程產(chǎn)出的芯片方案。

  表1解析各種雷達元件制程技術(shù)的性能優(yōu)勢。雖然GaAs具有良好的基板隔離效益,每個芯片可實現(xiàn)較高的電路密度,然而,可達成的邏輯密度(用于控制電路)卻非常低;再者,與主流芯片技術(shù)實現(xiàn)的高效率相比,GaAs晶圓材料仍較為昂貴。

  

  事實上,與一般硅晶片相比,III-V材料更加難以處理,III-V晶圓或基板的大小通常不足硅晶圓的一半,至于進入處理設(shè)施的砷化鎵晶片成本也會高出十到二十倍,但在經(jīng)過制造、封裝和測試后成本差異將縮小。

  與此同時,屬于高級技術(shù)節(jié)點的CMOS制程可提供非常好的邏輯密度和成本,但其針對高效能運算而設(shè)計的低擊穿電壓,卻難以符合汽車業(yè)者要求可靠且須支援中長距離運行所需的功率等級。

  至于硅鍺碳技術(shù)選項對雷達元件而言并沒有嚴重缺點,使用經(jīng)毫米波製程模組增強的傳統(tǒng)BiCMOS製程后,即能有效克服上述所有問題。該制程模組通過硅鍺碳材料提供雙載子電晶體(HeterojuncTIon Bipolar Transistor, HBT)結(jié)構(gòu),達到更高的電子移動性,以轉(zhuǎn)化為更快的運行速度。

  BiCMOS制程提供足夠的高效率,可為鎖相回路(PLL)和串列周邊界面(SPI)等數(shù)字控制界面添加經(jīng)濟高效的控制結(jié)構(gòu)。擊穿和功率增益資料以高于13dBm的功率等級支援發(fā)射電路,同時提供足夠的隔離,以便在一個芯片上整合多個接收器通道。

  采用FMCW機制 雷達系統(tǒng)設(shè)計大幅簡化

  在汽車雷達信號調(diào)變方面,大多數(shù)方案采調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)機制,進而簡化系統(tǒng)復雜度并提高效能。使用連續(xù)載波信號,其頻率將根據(jù)預定義調(diào)度表變化,例如時間斜坡等,該頻率變化發(fā)生的范圍定義雷達系統(tǒng)的頻寬。對于普通77GHz雷達來說,有一個圍繞著76.5GHz分配的1GHz時隙,以及一個圍繞著 79GHz的4GHz時隙。通常,77GHz頻率范圍對應長距離雷達感應器;79GHz頻率范圍則與短距離雷達系統(tǒng)有關(guān)。

  雷達發(fā)射器通常搭載一個可通過PLL連續(xù)調(diào)諧的本地振蕩器(LO),由此產(chǎn)生出頻率掃描速率。圖1顯示高度整合的雷達感應器架構(gòu)圖,在發(fā)射器芯片上,壓控振蕩器(VCO)生成傳輸77GHz頻率的信號,并由功率放大器(PA)放大后再送至傳輸天線。VCO的調(diào)諧電壓則由發(fā)射器芯片中的集成PLL電路生成,因此,高頻率掃描速率對實現(xiàn)高目標速度精度非常重要。

  

  圖1 雷達感應器設(shè)計架構(gòu)圖

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