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基板材料在车载毫米波雷达中应用及技术进展
中电材协覆铜板分会顾问 祝大同
摘要：本文对应用于车载毫米波雷达中的高频基板材料在近年的技术发展作为了介绍与分析。
关键词：基板材料 覆铜板 毫米波雷达
Progress of technology and application of substrate material used in
automotive millimeter wave radar
ZHU DATONG
Copper clad laminate branch of Chinese Electronic Material Association
Abstract: In the paper, progress of technology and application of high frequency
substrate material used in automotive millimeter wave radar in recent years were
analyzed and introduced.
Key word: substrate material; copper clad laminate; millimeter wave radar.
1.毫米波及应用概述
1.1 毫米波及其特性
通常把频率高于300MHz的电磁波称为微波。二十世纪50年代创立了微波通信。微波通信是使用波长在1m至1.0mm之间的电磁波。该波长段电磁波所对应的频率范围是300 MHz（0.3 GHz）～300 GHz。微波按波长不同可分为分米波，厘米波、毫米波及亚毫米波，分别对应于特高频UHF、超高频SHF、极高频EHF 2 及至高频THF。其中在极高频EHF（30～300GHz）频段内，波长（λ）为1～10mm的电磁波称为毫米波（millimeter wave ，简称mm Wave）（见图1所示）。毫米波频段为26.5～300GHz，这频段，按照雷达业内习惯划分波段，由四个波段构成，即Ka段、U段、V段、W波段，各波段领域见图1。毫米波位于微波与远红外波相交叠的波长范围（毫米波频段：26.5～300GHz），因而它兼有两种波谱的特点：即是微波向它的高频段区的延伸，又是光波向低频的发展。
图1 在频率在300MHz～300GH的微波频段中的毫米波频段范围及与波长的对应图
毫米波与较低频段的微波相比，其优点是：①具有极宽的带宽（带宽高达273.5GHz），这在频率资源紧张、追求信息容量扩大的今天，无疑极具吸引力。②易实现窄波束和高增益的天线，因而分辨率高，抗干扰性好，可分辨相距更近的小目标或者更为清晰地观察目标的细节，毫米波系统更容易实现小型化。③穿透等离子体的能力强。因此在远程导弹或航天器重返大气层时，可利用能顺利穿透等离子体的毫米波，去实现通信和制导。毫米波的缺点是：①电波在大气中传播衰减严重。②器件加工精度要求高。但是利用电波在大气中衰减较大，适宜于近距离地面保密通信（例如利用60GHz频波进行高度保密性的通信方式目前已得到采用）。
1.2 毫米波应用潜力已日益显著
毫米波（mm Wave）在军事及商业的通信、雷达、制导；遥感技术；射电天文学；临床放射治癌；战场上的军用通信联络及监视侦察；小型无人机定位、采集和跟踪技术等各方面都有重大的应用意义。有关文献提出[1]：“就毫米波的应用历史来说，航天和国防应用一直是射频和毫米波技术发展的根基。但最近几年， 3 它却在商业射频应用领域得到了快速发展。随着无信通信的频谱扩展，商业射频应用迅猛增长，而且朝着更高的频率发展，比如汽车雷达，其工作频率正由K波段向w波段发展(参考图1)。V波段超宽带的室内无线通信、94GHz微波成像以及其它毫米波波段的应用，正得以充分发展。由于环境友好，V波段点对点微波链路比成为光纤到户技术的一种选择方案。”
在短距离通信和高速近场通信（NFC)应用中，近年毫米波波段正被广泛的使用。无论从搭载汽车上的自动转向和防撞等汽车电子系统应用，还是从第五代(5G)无线通信系统中为改善数据吞吐量和视频性能，都共同需求提供信号传输的带宽条件，因此毫米波设备的作用和潜力已日益显著[2]。利用毫米波段为互联网汽车通讯提供所需的更高信号传输速率与准确度，同时提供更精确的车载雷达作业的解析度，使得汽车防撞雷达得到迅速的发展。
2.汽车毫米波雷达及其市场的扩大
汽车防撞雷达和第五代(5G)无线通信系统。是未来发展更具亮点的毫米波两大应用领域。
汽车将不再是代步工具，而将逐渐演化为移动智能终端。这种智能汽车必须配备的高级驾驶辅助系统（Advanced Driver Assistant System，ADAS）是利用安装在车上的各式各样传感器，在汽车行驶过程中随时来感应周围的环境，收集数据，进行静态、动态物体的辨识、侦测与追踪，并结合导航仪地图数据，进行系统的运算与分析，从而预先让驾驶者察觉到可能发生的危险，有效的增加了汽车驾驶的舒适性和安全性。随着汽车智能化趋势加速和安全需求的提升，ADAS未来市场将迎来广阔的增量空间。全球ADAS市场渗透率目前约为5%。其中欧美地区最高，市场渗透率为10%左右，其系统主要装配在奔驰、宝马等豪华品牌汽车上。2015年ADAS的全球市场规模约在33.2亿美元以上，到2020年预测会提高到75亿美元左右（据矢野经济研究所统计）。到2020年，全球ADAS渗透率将达到25 %，全球新车ADAS搭载率有望达到50%（据PR Newswire测算）[3][4]。
ADAS系统由三个模块构成:感知层、认知与判断层和执行层。感知层是实现ADAS系统功能的第一步，它的相关硬件包括雷达和摄像头等传感器。车载毫米波雷达是实现 ADAS功能的重要传感器设备，与普通车载传感器相比，毫米波雷 4 达具有探测性能稳定、探测距离长，以及环境适应性好等优点。它是能够在全天候场景下快速感知0～300米范围内周边环境物体距离、速度、方位角等信息的传感器件（见图1）。有关数据显示，2014年全球汽车毫米波雷达市场出货量为1900万件，预计到2020年，全球车载毫米波雷达将达到7200万件，未来5年的年复合增速将达到24%左右。毫米波雷达在汽车上应用，除汽车防撞雷达外，还正在向巡航控制、汽车无人驾驶等方面延伸。
图1 车载毫米波雷达应用原理示意图
3.车载毫米波雷达用基板材料技术的新发展
3.1 车载毫米波雷达特性要求
一般在市场上崭露头角的汽车毫米波雷达，按采用的毫米波频段不同划分有24GHz和77GHz～79GHz两种。其中以77GHz～79GHz型更受青睐，未来市场的潜力更大。它一般安置在汽车前端的车头、前车灯下侧、以及两侧门等位置，每辆小轿车采用5～7件。
汽车毫米波雷达用PCB受到毫米波雷达系统的要求驱动。系统要求主要包括如系统工作频率、工作环境、功率处理、噪声、尺寸、元器件类型以及产品特性等。汽车毫米波雷达在选择合适PCB材料时，主要出于工作可靠性(耐高温高湿性、耐CAF性等)、介质传输损耗，介电特性（低损耗、可控介电常数等）、热稳定性、热管理要求、模量、基板层数及其加工性（尺寸稳定性等）等。
其中基材对系统毫米波电路性能的插入损耗，色散，杂散波模式抑制，信号的有效过渡以及加工方式等诸多问题会带来的重要影响。
以77GHz毫米波雷达为例，它的设计过程中，主要以非常高的可靠性原则为主导，需要从系统、材料（包括电子电路基板及基板材料）、软硬件、结构、测 5 试验证、生产工艺、一致性、低成本性、小型化等多方面考虑。因此毫米波雷达远高于普通消费级电子产品，也高于电信级产品可靠性要求。由于工作温度范围在-40～125℃，它用几乎所有的物料可靠性都得达到汽车级标准要求。
3.2毫米波雷达用基板材料
当前，汽车防撞毫米波雷达的市场在迅速扩大，普及步伐在加快。这些都驱动着高频基板及其基材生产企业之间此市场争夺的加剧。在这个毫米波应用市场的竞争中，也凸显了世界众多覆铜板生产厂家在毫米波用高频基板材料制造技术上所得到的跨越性进步。
在2016年春召开的“EDI CNO China 2016”(“2016电子设计创新大会”)国际性大型高频/射频技术为主题的展览会上，笔者对生产高频基板材料参展厂商的汽车防撞毫米波雷达用基板材料产品的布局情况作了调查，所了解到的主要三家CCL厂家在24GHz、77～79Hz两类系统对应推出的覆铜板产品牌号及关键性能见表1所示。
表1 各CCL企业推出的适用于汽车防撞雷达用高频基材的牌号及性能
厂家
产品
牌号 树脂组成
类型 Dk
(@10GHz下) Df
(@10GHz下) Dk热变化率,
ppm/℃
对应24GHz系统的高频基材 Rogers RO4835 碳氢化合物 3.48
±0.05 0.OO37 +50（-50～150℃ ）
Taconic TLF-35A PTFE 3.50 0.0016
生益科技 S7136H 碳氢化合物 3.42
±0.05 0.OO30
对应77GHz（或79GHz）系统的高频基材 Rogers RO3003 PTFE+陶瓷（无玻纤） 3.00
±0.04 0.OO10 -3（-50～150℃ ）
Taconic TSM-DS3 PTFE 3.00 0.0011 （Tk）5.4（-30～120℃）
TAL-28
PTFE+纳米填料 2.80 0.0012 （Tk）2.24
（-30～120℃）
生益科技 GF77G PTFE 2.28
±0.04 0.OO12
注：本表中的内容分别逐一的取得厂方的文字回复性的确认
海外一家CCL企业近期在发表的文献中提出：“毫米波频率对PCB材料提出了独特的挑战。”[1] 笔者认为，就具体车载毫米波雷达来讲，对PCB基板材料提 6 出的技术性挑战包括三个方面：高频电路的可靠性与一致性的挑战；基板多层化的挑战；基材用树脂多样化的挑战。本文在以下分别对这三项挑战作以阐述与分析。
3.2 毫米波雷达用基板材料可靠性与一致性的挑战
我国PCB业老前辈林金堵高工在国内较早的发表过对PCB用毫米波基材特性研究的文章[5]。文中特别强调了这种基材的介质层结构均匀性与介质层稳定性的严密要求。
车载毫米波雷达面临着宽温度范围的应用环境，它对所用PCB及其基板材料的要求十分重要一点，就是构成的高频电路的可靠性与一致性。而可靠性与一致性确保，主要来自基板材料的优异PCB加工性和低的且稳定可控的介电常数性。
所有高频电路都需要传输线来实现毫米波集成电路（IC）与供电电源、天线、输入和输出端口及其他电路的信号传输与连接。而在高频电路设计中，多选择
微带线、带状线以及接地共面波导等传输线技术来构成高频电路。通常情况下，微带线和带状线技术只适用30GHz以内的高频电路，而接地共面波导可用30GHz以上的电路。由于微带线电路性能受PCB加工误差的影响比接地共面波导电路更低。考虑到这点，目前77GHz车载雷达一般采用微带传输线结构。PCB加工误差对毫米波电路的性能影响，也是和频率有关的。当频率越提高，对PCB加工尺寸精度就要求高。
在近期Rogers公司研发者发表的文献中[6]提出了一个“有效介电常数”的新概念。文中提出：有效介电常数（指电磁场沿着基底介电材料和周边空气组成的混合空间传播时的介电常数）的差异，会影响电路中的信号相位，造成相位差异。77GHz车载雷达的电路特别注重传输线相位差异的影响，有效介电常数的差异，有效介电常数的差异会影响电路中的信号相位，进一步导致相位差异。
研究Rogers公司在车载毫米波雷达产品用基板材料性能认识与开发技术推进，存在有由低至高的递进变化过程。该公司在2013年左右发放的微波基板材料产品宣传资料中是这提出的[7]：现代汽车“防碰撞、倒车雷达所用频率在24GHz，为此，对于满足此要求的微波基板材料，必须接受长时间和高温氧化作用环境。对于传统微波基板材料而言，长时间的氧化会导致基板材料Dk和Df的微弱增长。