作者：Habeeb Ur Rahman Mohammed, Ph.D., Systems and Applications Manager EP Radar
说明：在不改变文章原意的情况下，对于部分文字和结构做了适当调整，原文链接见文章末尾。
汽车雷达技术的格局已经发生了重大变革，尤其是在毫米波雷达半导体封装技术和3D波导天线领域。从最初使用的微带贴片天线，发展到3D波导天线，人们一直在坚持不懈地追求性能和效率的提升。
TI的封装上装载（Launch On Package，LoP）技术可以通过PCB内的波导，将信号从MMIC直接传输到 3D天线，从而实现高效的电磁信号传输。
在如今车载毫米波雷达领域，LoP技术成为关注的焦点，其搭配先进的3D波导天线，可以提供更出色的距离和物体检测。
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TI雷达封装技术演进
几年前，车载毫米波雷达主要采用微带贴片天线，微带贴片天线虽然有效，但在波束形成和方向性方面存在限制。为了满足市场对更高性能和适应性的需求，目前许多车载毫米波雷达正在从微带贴片天线的封装形式，发展到采用3D波导天线的先进LoP封装，以实现更高精度操控雷达波束的改进能力。
多年来，TI一直致力于毫米波雷达封装技术的创新，历程如下图所示：
其中，主要经历了3个阶段：
- 早期的TI毫米波雷达集成电路，通过BGA焊球路由来自FCCSP封装（非LoP）的信号，其中，信号必须通过“裸片→封装基板→BGA→PCB→天线”的四次射频转换。
- 在随后几代产品中，毫米波雷达的尺寸成为了一个重要的考虑因素，例如在用于障碍物检测的门雷达等应用中，TI创新设计了封装天线（Antenna In Package，AoP）技术，其中天线元件集成在封装内。
- 最新TI产品采用了LoP技术，该技术发明了一种将射频信号连接到3D天线的新方法。该连接技术使得电磁信号只需“裸片→封装基板→3D天线”的两次射频转换，电磁信号通过PCB波导，将射频信号直接馈送到3D天线。LoP技术减少了信号损失，并提高了整体SNR。
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TI LoP技术简介
LoP是毫米波雷达封装技术的最新创新，LoP技术将MMIC与3D天线进行无缝集成，在设计和功能方面呈现出了范式转变。LoP技术可以优化性能、减少辐射和散热问题、保持信号完整性和优化雷达系统整体性能。
TI LoP技术如下图所示：
在TI的LoP封装技术中，硅片位于封装塑封材料内，而射频信号从芯片凸点通过封装基板传播到辐射元件。辐射元件通过PCB的波导，直接将射频信号发射到3D天线中。
TI LoP技术支持将信号直接从封装传输到天线，这与传统的封装形成了鲜明的对比，后者要首先将信号传输到PCB，然后再传输到天线。采用LoP技术之后，发射元件嵌入到封装底层，而发射元件周围的BGA焊球，会在信号通过PCB波导孔传播到3D天线时，提供射频屏蔽。
（绿色板是TI DCA1000数采板）
03
TI LoP技术的主要优势
采用TI LoP技术具有多个优势，包括：
- SNR性能更好：TI LoP可以实现较低的转换功率损耗，因为从MMIC到天线的转换是通过PCB波导进行的。与传统封装相比，这在传感器层面上具有SNR优势，可以在相同的角分辨率和FOV下，实现更远的最大检测距离。此外，与微带贴片天线相比，采用LoP技术的3D天线信道间性能更加稳定。非LoP与TI LoP技术的射频转换和SNR性能对比如下图所示：
- 热管理更容易：采用TI LoP技术时，发射元件位于封装的底部，因此可在顶部放置散热器，可以更容易的实现热管理。
- 辐射隔离性能更好：采用TI LoP技术时，3D天线放置在PCB的一侧，MMIC位于PCB的另一侧，从而增强从MMIC到3D天线的隔离，降低EMI/EMC问题。
- 成本更低：微带贴片天线需要高质量、低损耗的昂贵PCB材料。然而，对于LoP 3D天线，PCB可以使用较为便宜的基板制成。因此，TI LoP技术可以在传感器级别带来成本优势，节省PCB成本。同时，由于无需微孔以及减少PCB接地层的潜在数量，可以进一步减少PCB总层数，节省PCB成本。
- 灵活性更高：采用外部3D天线的LoP技术时，可在多个不同的毫米波雷达之间，实现PCB的复用。即仅通过更换波导天线，就可以实现不同视场角的毫米波雷达（例如，前雷达和角雷达共用一块PCB设计）。PCB版本数量的减少，将减少物料管理费用，提升单个PCB板的产量并降低成本。此外，由于采用非优质射频基板，市场上有更多的PCB供应商可供选择。
因此，通过更大限度地减少信号损失并优化集成，TI的LoP技术能够显著提高毫米波雷达的性能和灵活性，同时降低成本。
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TI LoP技术的改进
设计77GHz毫米波雷达集成电路和封装时，需要考虑一系列挑战和注意事项。这一频率的复杂性要求对细节保持密切关注，以实现最佳性能。设计工程师必须考虑信号传播、阻抗匹配、干扰和天线增益等因素，以确保雷达系统在77GHz频谱范围内以最高效率运行。
在毫米波雷达工作的频率下，从功率放大器输出到封装基板，以及从射频BGA到天线的信号转换中，保持低损耗和高信号完整性非常重要。
下图显示了TI在LoP技术上所做的改进：将“矩形波导发射”变成“双脊波导发射”。在使用矩形波导发射完成了概念验证后，TI开发了一款双脊波导发射器件，从而实现更小的尺寸和更好的性能。AWR2544器件是一款由FMCW收发器组成的76GHz至81GHz单芯片毫米波传感器，其采用了LoP封装的双脊波导结构。
LoP技术（3D天线）与非LoP技术（微带天线）之间的性能比较，如下图所示：
- 绿色：采用3D波导天线（LoP）的AWR2544评估模块（EVM）的性能
- 黄色：采用封装微带贴片天线（非LoP）的AWR2944评估模块（EVM）的性能
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LoP技术的设计挑战
虽然TI LoP技术取得了可喜的进步，但也存在一些设计挑战，例如：
- 发射元件必须设计为可将最大功率从MMIC传输到3D天线，从而尽可能地减少回波损耗和信号泄漏。
- 设计必须可靠，能够确保3D天线和LoP的机械稳定性，以承受不利的温度变化和环境应力。
- 需要进一步改进高精度制造和组装工艺，从而更好地对齐PCB和天线，以尽可能地减少电磁信号的泄漏，并优化成本。
- 更高级别的自动驾驶需要更高的角分辨率，这一需求导致发射器和接收器通道数量的增加。因此，设计集成大量通道，但尺寸减小、隔离和成本降低的LoP封装是一项挑战。
- 3D天线要比微带贴片天线的尺寸更大，因此会增加整体传感器的尺寸。
TI正在努力研发，旨在克服这些挑战，引领汽车雷达毫米波半导体和天线技术的下一波创新。
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结语
将LoP技术与3D波导天线进行集成，是车载毫米波雷达发展过程中的一个重要里程碑。这些77GHz毫米波雷达技术的进步，为实现更安全、更复杂的自动驾驶系统铺平了道路。
随着挑战的解决和技术的不断发展，汽车雷达技术领域未来有望迎来更多突破性的发展。