毫米波雷达天线综述

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笔者就目前毫米波雷达市场端产品分类，通过文献和产业链梳理，汇总了和毫米波天线的相关技术供读者朋友们参考。主要包括雷达所采用的天线形式、天线表面处理工艺，并罗列射频芯片选型及一些关键性问题如天线罩设计等。欢迎大家指正和补充。

Part 1、天线形式

结合车载、工业、康养以及气象和航空等领域的民用雷达现状，毫米波雷达天线的主要形式有微带阵列天线（包括方形串馈阵列和梳状阵列）、金属腔体天线（包括波导缝隙阵列和基片集成波导天线）以及主打小体积高性能的片上天线（AoP或AiP）。

1.1 串馈阵天线

串馈阵列天线通常用于24GHz、60GHz和77GHz等无线通信频段。阵列的增益范围在7dBi~20dBi之间，极化形式为线性极化，端口阻抗范围在50Ω~300Ω之间。串馈阵列天线和基本微带天线单元一样，优势主要在于小尺寸和加工工艺成熟这两点。在天线设计好后，PCB板厂对关键尺寸及介质基板的介电常数进行管控，通常仿真和实测结果是比较吻合的。

串馈阵列天线可以分为两种类型，一种是谐振式阵列天线，另一种是行波阵列天线。考虑到辐射效率，目前大多数雷达应用还是以谐振式阵列天线。因为对于行波阵列而言，由于接了负载，从馈电端口进入天线的幅度是不断衰减的，且最后剩余的功率会被负载完全吸收，从而降低辐射效率。同时阵元之间的渐进相位累积会使得天线最大辐射方向产生偏转，和法线形成一定夹角，当工作频率变化时，夹角也随着变化，实现频扫功能。

对谐振式阵列而言，阵元由微带传输线连接，且终端开路。对阵元做不同程度的分布锥削就能实现特定旁瓣电平的辐射性能。由于每个阵列单元的相位相同，同相辐射的情况下方向图是不会产生偏转的。但通常谐振式阵列的带宽很窄，且增益强度正比于阵列单元数量，因此要增强天线增益应该增加阵元数量，对于带宽，可以从基材高度、阵列单元着手。不过值得注意的是，理论上当天线阵元数量增加一倍时，阵列增益强度增加3dB，但实际上微带天线阵列能实现的最强增益强度约为20dBi。

图1：不同频率的串馈阵

图2：60G串馈阵3D方向图和2D平面图

天线性能参数主要关注端口散射参数、VSWR、波束宽度、增强强度以及旁瓣电平等。这些参数有时是两两制约的，比如要想实现较强的增益强度同时实现宽角度辐射，在无源的条件下是难以实现的。

图3:77G 串馈阵天线

1.2 梳状天线

梳状天线也常用于雷达通信，本质上也是微带天线，在车载领域应用居多。车载雷达按照工作距离分为 3 种不同类型；远程雷达 (LRR)、中程雷达 (MRR)和短程雷达 (SRR)。LRR 系统通常安装在车辆前部，用于检测前方 250 m 以内的物体，而 SRR 系统则用于检测 30 m 以内的物体。LRR 需要窄波束，而 SRR 需要更宽的波束。MRR 介于 LRR 和 SRR 之间，可用于多种应用。梳状天线可以作为实现远程雷达的备选微带天线方案之一。作为微带天线的一种，其典型结构如图4所示。

图4：梳状天线及其辐射示意图

中心有一条长馈线，馈线上连接有多个短截线。一般来说，短截线的长度和间距设计为波导波长的一半（λg/2），和串馈阵的主要区别在于极化方式，且梳状阵列在大角度时，能有效减小天线罩及保险杠对天线性能的影响。其中大陆ARS系列以及特斯拉雷达天线均采用梳状阵列天线设计。可以用和串馈阵一样的微带馈电，也可以使用同轴线缆馈电。由于阵列末端开路，是谐振式阵列天线。

图5：特拉斯雷达PCB

图6：7阵元梳状阵列方向图

和串馈阵一样，也主要关注端口散射参数、VSWR、波束宽度、增强强度以及旁瓣电平等参数。

1.3 波导缝隙阵列天线

波导缝隙列通常用于微波频率，并且在雷达应用中也特别广泛。金属表面具有更高的硬度，同时由于没有使用介质，因此损耗低且能承受高功率。和微带天线一样，线性波导阵列也分为谐振式和行波阵列。行波阵列的从馈源发射的电磁波的幅度向负载衰减，其中少量剩余功率被匹配负载吸收。行波和辐射缝隙之间的耦合朝着负载方向增加，使得来自阵列的后半部分的辐射强度与来自前半部分的辐射强度相当。这些缝隙间隔开，使得相邻缝隙之间存在渐进的相移。随着工作频率的变化，主瓣方向发射偏转，也是一种频扫天线。

谐振式波导阵列天线由于波导末端以短路终止，因此叠加反射波，将在波导内形成驻波，并且缝隙的中心处具有相同的场最大值。每个缝隙的辐射相位在中心频率处是相同的。

波导缝隙天线的优势在于可以容易地改变缝隙和波导传输线之间的耦合。根据开缝位置（宽边和窄边）以及不同缝隙旋转度可以设计不同形式的阵列。在目前车载毫米波雷达的设计中，在保证辐射性能的前提下，宽边开缝是比较容易实现的方法。

图7：波导缝隙阵列天线的方向图

从等效电路的角度来看，天线中邻缝隙中心之间的波导部分是传输线，缝隙是与传输线并联的有损谐振元件。在缝隙的谐振频率（选择与中心频率相同）下，缝隙导纳几乎是纯实数，并且可以用电导 G 表示。该缝隙电导以及与波导场的耦合，随着缝隙远离波导中心而增加。将波导末端的短路放置在最后一个缝隙中心以外 n/4 λg 处（其中 λg 是波导中的波长，n = 1, 3, 5...），此时对中心频率处的天线输入导纳没有影响。由于每个并联元件沿传输线间隔 λg/2，因此第一个缝隙处的输入导纳是所有缝隙电导的总和。此外，这种间距可确保缝隙激励同相，从而保证天线的辐射方向。

在阵列的中心频率处，缝隙电导简单地在馈电端口处加在一起，从而获得极其良好的匹配。然而，当缝隙尺寸及短路壁位置设计不恰当时，会存在一定的相位累积误差。同时这种相位误差随着阵列长度的增加而变得越来越严重，对于较大的阵列，阻抗带宽主要由波导的长度决定。对于小型阵列，带宽可能受到各个缝隙工作带宽的限制。

以图7阵列为例，天线 E 平面的方向图非常宽，本质上是单个缝隙的方向图。H面波束宽度由缝隙数量决定。在常规波导缝隙阵列的过程中，缝隙尺寸决定谐振频率及带宽，于中心轴的偏移量类似于微带阵列天线中的幅度锥削，实现不同旁瓣电平的阵列设计，同时需要保持波导缝隙的间距为导波波长的一半，并确保最后一个缝隙与波导短路之间的距离为波导四分之一波长的奇数倍，即λg/4、3λg/4、5λg/4等。加大缝隙偏移量，可以增加缝隙与波导之间的耦合（从而增加缝隙的电导）。

1.4 AOP天线

封装天线 (AiP 或者AOP天线)是当下毫米波领域的主流封装技术，如60 GHz短距离通信和手势识别雷达、79 GHz汽车雷达（BSD）、94 GHz 相控阵、122GHz、145 GHz 和 160 GHz 传感器以及300 GHz无线通信。为实现小尺寸、低功耗和低成本的毫米波产品奠定了基础。AiP技术是一种天线封装解决方案，在可承载射频芯片（收发器）的IC封装中实现一个或多个天线。可以进一步与前端组件（例如功率放大器 (PA) 或低噪声放大器 (LNA)、开关、滤波器甚至电源管理集成电路 (PMIC)）集成，以使用系统级 (System-in-Package) 形成天线模块封装（SiP）技术：

图8：Antenna on package From ASE technology

AOP上辐射天线单元的选择通常基于那些形式简单的基础天线，见下图：

图9：不同类型辐射单元及优劣势对比[1]

更全面的介绍请阅南洋理工大学张跃平教授的综述论文。“封装填写技术发展历程回顾”。

图10：加特兰77G_AOP SOC

[1] "An Overview of the Development of Antennain-Package Technology forHighly Integrated Wireless Devices By YUEPING ZHANG , Fellow IEEE, AND JUNFAMAO , Fellow IEEE.

Part 2、表面处理工艺

表面处理最基本的目的是保证良好的可焊性或电性能。由于自然界的铜在空气中倾向于以氧化物的形式存在，不大可能长期保持为原铜，因此需要对铜进行其他处理。印制电路板的表面处理可保护下方的铜不被氧化。此外，其可通过焊接，涂胶和粘结工艺，确保组件和逻辑芯片之间牢固连接。最常使用的化学处理工艺有化锡，化镍镀金，化镍钯金。如果需要更加坚固（例如：滑动触点和插头触点）或对腐蚀反应有更高要求，则往往使用电镀工艺，例如镀金。这些通电工艺的特点是，具有更高的 Au（金）层厚度；[2]

2.1 沉银

通过让PCB完成沉浸到一种银离子溶液中，使银附着到铜的表面。沉银工艺介于有机涂覆和化学镀镍/沉金之间，工艺比较简单、快速；即使暴露在热、湿和污染的环境中，银仍然能够保持良好的可焊性，但会失去光泽。由于银层下面没有镍，因此沉银不具备化学镀镍/沉金所具有的好的物理强度。

2.2 沉锡

由于目前所有的焊料都是以锡为基础的，所以锡层能与任何类型的焊料相匹配。化学沉锡工艺通过一个包含多个步骤的过程在导体表面上形成一个薄锡镀层，包括清理、微蚀刻、酸性溶液预浸、沉浸非电解浸锡溶液和最后清理等。化锡处理可以为铜和导体提供良好保护，有助于HSD电路的低损耗性能。遗憾的是，由于随着时间推移，锡会对铜产生影响（即一种金属扩散到另一种金属中，会降低电路导体的长期性能），所以化学沉锡不属于使用寿命最长的导体表面处理方式。沉锡工艺可以形成平坦的铜锡金属间化合物，这个特性使得沉锡具有和热风整平一样的好的可焊性而没有平坦性问题。

2.3 沉金

沉金是在铜面上包裹一层厚厚的、电性良好的镍金合金，这可以长期保护天线本体；另外它也具有其它表面处理工艺所不具备的对环境的忍耐性。此外沉金也可以阻止铜的溶解，这将有益于无铅组装。

2.4 化学镍钯金

化学镍钯金与沉金相比是在镍和金之间多了一层钯，钯可以防止出现置换反应导致的腐蚀现象，为沉金做好充分准备。金则紧密覆盖在钯上面，提供良好的接触面。

2.5 OSP

OSP是印刷电路板（FPC）铜箔表面处理的符合RoHS指令要求的一种工艺。OSP是Organic Solderability Preservatives的简称，中译为有机保焊膜，又称护铜剂，英文亦称之Preflux。简单地说，OSP就是在洁净的裸铜表面上，以化学的方法长出一层有机皮膜。这层膜具有防氧化，耐热冲击，耐湿性，用以保护铜表面于常态环境中不再继续生锈（氧化或硫化等）；但在后续的焊接高温中，此种保护膜又必须很容易被助焊剂所迅速清除，如此方可使露出的干净铜表面得以在极短的时间内与熔融焊锡立即结合成为牢固的焊点。OSP本身是绝缘的，不导电，会影响电气测试，且容易受酸性物质及温度影响，因此在进行二次回流焊时，需要控制过炉时间。

[2] 微波杂志：“选择合适PCB表面处理以获得更长使用寿命”罗杰斯公司，John Connrod.

2.6 塑料金属化技术（metallizedplastic technology）

在采用金属腔体作为毫米波频段天线辐射体时，重量和加工精度往往是各大厂商比较关注的参数，尤其成本较高。从天线的工程角度来看，如果塑料金属化能解决金属波导天线的加工成本及良率问题，那么在雷达行业，可以等同于适用于低频段的LDS技术，将迎来井喷式增长。网络上有HUBER+SUHNER的塑料金属化波导腔体天线及相应的论文，这也是目前第一梯队的玩家：

https://www.hubersuhner.com/de/documents-repository/markets/pdf/automotive/mwr-8928-h-s-reprint。

通常出于美观和机械硬度目的，塑料部件可以在金属化工艺（例如真空金属化或电镀塑料）中涂上金属。从视觉上看，镀有金属的塑料件具有更高的光泽度和反射率以及更好的耐磨性和导电性能。金属化塑料部件的应用与镀金属部件类似，但往往重量更轻，并且具有更高的耐腐蚀性。此外，金属化塑料部件的电导率可以控制，而且制造成本低廉。要对一块塑料进行金属化，可以使用几种常见的方法：VacuumMetallizing、Arc and Flame Spraying或Electroless Plating Plastic。

对真空镀而言，在开始之前，塑料部件经过清洗并涂有底漆，以使金属层光滑且均匀。接下来，在真空室中蒸发金属（通常是铝）。然后蒸气凝结在基材表面，留下一层薄薄的金属涂层。整个过程在真空室内进行，以防止氧化。该沉积过程通常也称为物理气相沉积physical vapor deposition.。根据组件的应用，可以在沉积后涂覆面漆以提高耐磨性等性能。通过这种工艺获得涂层的金属化塑料部件有多种应用，从汽车内饰件到某些类型的箔片。

在基本喷涂中，在基材上喷涂一层金属涂层。在喷涂中，金属粉末被加热并熔化，燃烧火焰加速混合物并以喷雾形式释放。该工艺具有高沉积速率并产生非常厚的层，但涂层往往是多孔的并且有些粗糙。由于应用过程的性质，金属化涂层可以应用于组件的特定区域，这在处理复杂或异常形状的组件时非常有用。

化学镀塑料根据电流的存在，电镀通常分为两类。在化学镀中，不使用电流；在电镀中，使用电流。这两种工艺在生产具有强附着力的金属涂层方面往往比真空金属化更有效，尽管电镀往往更危险。

化学镀通常用于将镍或铜金属沉积到塑料基材上。首先，使用氧化溶液蚀刻掉塑料表面。由于氧化溶液的作用，表面变得极其容易受到氢键的影响，通常在涂层施工过程中氢键会增加。当塑料部件（蚀刻后）浸入含有金属（镍或铜）离子的溶液中时，就会发生涂层，然后金属离子结合到塑料表面，形成金属涂层。

为了使电镀（或电解电镀）成功，首先必须使塑料表面导电，这可以通过基本化学镀来实现。一旦塑料表面导电，将基材浸入溶液中。溶液中有金属盐，连接到正极电流源（阴极）。阳极（带负电）导体也放置在电镀池中，与带正电的盐一起形成电路。金属盐被电吸引到基材上，并在基材上形成金属涂层。当这个过程发生时，阳极导体（通常由与金属盐相同类型的金属制成）溶解到溶液中并取代在沉积过程中耗尽的金属盐源。

以上是一些塑料金属化的工艺的简介，但非专业人士，如有错误或有更好的文献，欢迎指正和分享。

Part 3、芯片选型

目前市面上毫米波雷达，不论是车载应用市场，还是工业控制领域，基本被恩智浦（NXP）、英飞凌、德州仪器（TI）等芯片设计公司占据。国产替代部分由上海加特兰微电子占据大部分市场份额。

根据市场应用及产品定位，本文将更新TI和加特兰主要芯片型号、关键特性和应用场景。TI芯片阵容比较庞大，其中细分AWR和IWR，且都包含60G和77G两种频率的芯片。AWR1243 、AWR1443均采用 TI 的低功耗 45nm RFCMOS 工艺构建，其中AWR1243具有一个集成式 ARM R4F 处理器和一个硬件加速器，用于进行雷达数据处理。AWR1443 是适用于汽车领域中的低功耗、自监控、超精确雷达系统的理想解决方案。内置PLL 和 ADC 转换器的单片3TX、4RX 。支持各种传感器模式（近距离、中距离和远距离），并且能够进行动态重新配置，从而实现多模式传感器。

AWR1642 是一款2T4R芯片，集成了DSP子系统用于雷达信号处理的高性能 C674x DSP。同时基于ARM R4F 的处理器子系统，负责无线电配置、控制和校准，支持多模传输。

AWR1843 为3T4R_12通道的单芯片系统。也集成了DSP子系统用于雷达信号处理。同时包含一个BIST处理器子系统，该子系统负责无线电配置、控制和校准。此外，支持用于汽车连接的用户可编程ARM R4F。硬件加速器区块 (HWA) 可执行雷达处理，并且有助于以更高级的算法在 DSP 上节省 MIPS。

AWR2243、AWR294x适用于汽车领域中低功耗、自监控、超精确雷达系统解决方案。

AWR6443、 AWR6843的工作频率均为60GHz 至 64GHz且基于FMCW 雷达技术的集成式单芯片毫米波芯片。适用于汽车领域低功耗、自监控、超精确雷达系统的理想解决方案。当前提供多种符合汽车标准的型号，包括功能安全合规型器件和非功能安全器件。

AWRL6432能够在 57GHz 至 64GHz 频段内运行，专为汽车领域的低功耗、自监控、超精确雷达系统而设计，适用于车内儿童检测、入侵监测、手势检测和占位检测等应用。