塑料在ADAS感知硬件—毫米波雷达中的应用

摘要：近年来，随着自动驾驶及ADAS（高级驾驶辅助系统）感知硬件——毫米波雷达等的快速发展，在自动驾驶辅助驾驶系统中配合毫米波雷达参与工作的相关型材，如雷达罩、天线等其它零部件材料也需要满足更高的性能要求。本文主要介绍塑料作为毫米波雷达保护材料的理化特性，以及塑料在毫米波雷达保护罩、高频高速线路板材料、车标以及格栅等方面应用的工程实例，并对塑料在ADAS感知硬件方面的应用前景进行展望。

关键词：塑料；自动驾驶；ADAS；毫米波雷达


引言：随着5G进入大众视野，在汽车行业中，“自动驾驶”、“轻量化”等技术掀起一股热潮。业界认为，未来伴随着人工智能、大数据、云计算等技术的综合应用、汽车智能程度提升、5G网络逐步普及以及车路协同设备与技术进一步成熟，自动驾驶将逐级走向成熟。自动驾驶作为一种融合多种学科和技术的复杂应用，有望成为开启一个新时代的核心应用场景。

备受关注的是，塑料改善了汽车的性能、结构和安全性，是实现汽车轻量化的主要途径之一，对提高燃油经济性、减少温室气体排放具有重大作用。因此，汽车塑料市场已成为一个重要的商业空间。汽车塑料广泛用于各种汽车车身、底盘、动力传动系统、引擎盖下的电子部件、外内饰件以及燃料系统等。

而且，得益于塑料特有的化学稳定性和可加工性，使得它在车载环境中具有较高的耐用性，还具有作为稳定外壳和连接器形状的能力，近年来，塑料还越来越多地用于需要阻燃的汽车零部件中。目前国内外碳纤维、PP、聚氨酯PU等相关的材料厂家在开发满足毫米波雷达等ADAS感知硬件型材（雷达罩、天线、其他零部件）性能的材料，随着未来ADAS的普及，毫米波雷达市场将进入快速增长期，塑料等新材料的开发和应用也将同步发展。

1、ADAS系统及毫米波雷达
1.1 自动驾驶及ADAS系统

自动驾驶汽车是通过搭载先进的车载传感器、控制器和数据处理器、执行机构等装置，借助车联网、5G和V2X等现代移动通信与网络技术实现交通参与物彼此间的信息互换与共享，从而具备在复杂环境下的传感感知、决策规划、控制执行等功能。驾驶系统基于环境感知技术对车辆周围环境进行感知，并根据感知所获得的信息，通过车载中心电脑自主控制车辆的转向和速度，使车辆能够安全可靠地行驶，并达到预定目的地。
自动驾驶车辆的整个工作流程首先是通过毫米波雷达、激光雷达、摄像头、车载网联系统等对外界的环境进行感知识别；然后，在融合多方面感知信息的基础上，通过智能算法学习外界场景信息，预测场景中交通参与者的轨迹，规划车辆运行轨迹；最后跟踪决策规划的轨迹目标，控制车辆的油门（电门）、刹车和转向等驾驶动作，调节车辆行驶速度、位置和方向等状态，以保证汽车的安全性、操纵性和稳定性。
ADAS高级驾驶辅助系统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，有效增加汽车驾驶的舒适性和安全性。

ADAS中感知硬件—— 毫米波雷达传感器尤为重要，现阶段主流的焦点聚集在77GHz前向长距雷达上，最初使用于自适应巡航系统(ACC)，故市场上普遍称之为ACC雷达。

1.2 毫米波雷达

毫米波雷达即工作在毫米波波段（millimeter wave）探测的雷达。工作频段一般为30GHz ~ 300 GHz，波长1~10mm，介于微波和厘米波之间，兼具有微波雷达和光电雷达的一些优点。毫米波雷达相比厘米波雷达具有体积小、易集成和空间分辨率高的特点。车载毫米波雷达的工作频率一般为 24 GHz和77 GHz；硬件核心主要包括MMIC芯片和天线PCB板，以FMCW车载雷达系统为例，主要包括：天线、收发模块、信号处理模块。


毫米波雷达工作状态
1.2.1毫米波雷达基本工作原理

利用高频电路产生特定调制频率（FMCW）的电磁波，并通过天线发送电磁波和接收从目标反射回来的电磁波，通过发送和接收电磁波的参数来计算目标的各个参数。可以同时对多个目标进行测距、测速以及方位测量；测速是根据多普勒效应，而方位测量（包括水平角度和垂直角度）是通过天线的阵列方式来实现的。测距（TOF）：通过给目标连续发送毫米波信号，然后用传感器接收从物体返回的毫米波，通过探测毫米波的飞行（往返）时间来得到目标物距离。测速：根据多普勒效应，通过计算返回接收天线的雷达波的频率变化就可以得到目标相对于雷达的运动速度，简单地说就是相对速度正比于频率变化量。测方位角：通过并列的接收天线收到同一目标反射的雷达波的相位差计算得到目标的方位角。
1.2.2 毫米波雷达目标特性

毫米波雷达目标特性的优势体现在纵向目标探测距离与速度探测能力强，可实现远距离感知与探测，对于静态和动态目标均能做出高精度测量。其劣势包括：1）无法成像，无法进行图像颜色识别；2）对横向目标敏感度低，例如：对横穿车辆检测效果不佳；3）行人反射波较弱，对行人分辨率不高，探测距离近；4）对高处物体以及小物体检测效果不佳。


车载毫米波雷达识别行人
相比于摄像头和激光雷达，毫米波雷达的优势：1）全天候、全天时工作特性，不受昼夜，光照及不同天气状况限制；2）环境适应性强，穿透能力强，雨、雾、灰尘等对毫米波雷达干扰较小；3）测速、测距能力强。
1.3 塑料与毫米波雷达

可能很少有人会将毫米波雷达与塑料联系到一起。实际上，塑料恰恰是实现ADAS的每一个传感器（包括雷达、激光雷达和红外摄像头等）的保护壳。在环境感知系统中，为了保证各种传感器在各种工况中都能达到稳定可靠的表现，对材料的耐候性、尺寸稳定性、耐化学性以及电磁兼容性都有更高的要求。

2、毫米波雷达中塑料的应用特性
2.1 低介电常数

介电常数，用于衡量绝缘体存储电能的性能。它是两块金属板之间以绝缘材料为介质时的电容量与同样的两块板之间以空气为介质或真空时的电容量之比。它与塑料作为电介质制品时，在电场作用下可储存电能大小、发热量有关。介电常数也代表了电介质的极化程度，也就是对电荷的束缚能力，介电常数越大，对电荷的束缚能力越强。对于介电材料，介电常数越大，电容越大。
影响介电常数的因素包括材料的极性、电场频率、环境温度及相对湿度等。常用塑料在固定温度和频率下的介电常数一般在1.5-3.8之间，而在材料性能上需要满足雷达发出的电波充分穿透，且状态稳定。目前探讨比较多的是5G工程塑料，主要分为薄膜产品（LCP、PI等用于线路板和天线）、还有结构件（注塑成型），如低介电LCP、PBT、PPO、PPS等选材中既要满足介电常数低又要满足力学性能、化学性能、电性能等因素。改性塑料的电常数跟基材的分子结构有关，同时也跟增强、填充材料的介电常数有关。

2.2 可加工性

塑料成型加工是将合成树脂或塑料转化为塑料制品的各种工艺的总称，是塑料工业中一个较大的生产部门。塑料加工一般包括塑料的配料、成型、机械加工、接合、修饰和装配等。其中，后四个工序是在塑料已成型为制品或半制品后进行的，又称为塑料二次加工。
塑料易于加工、成型，即使制品的几何形状相当复杂，只要能从模具中脱模，都比较容易制作。因而其效率远胜于金属加工，特别是注塑成型制品，经过一道工序，即可制造出很复杂的成品。同时，塑料可根据需要随意着色，或制成透明制品。利用塑料可制作五光十色、透明美丽的制品，尚可任意着色的特性，可提高其商品价值，并给人明快的感觉。另外，塑料可制作轻质高强度的产品，与金属、陶瓷制品相比，质量轻、机械性能好、比强度（强度与密度的比值）高，故可制作轻质高强度制品，特别是填充玻璃纤维后，更可提高其强度。而且，由于塑料质量轻，可节约能源，故其制品亦日趋轻量化。

2.3 耐热性

塑料制品抵抗热引起的形变、软化、强度下降、尺寸变化、老化和分解的能力或性质称为塑料的耐热性。塑料的耐热性可分为表示维持形状之性能的物理耐热性和表示分子键热稳定性的化学热稳定性，多以发生热引起之规定变化时的温度表示，如马丁耐热、热变形温度等。
毫米波雷达等感知硬件由于暴露在太阳光及发动机舱的热环境下，对耐热性要求高。目前工程塑料具有优良的综合性能，机械强度高、耐热性好，可在较苛刻的化学、物理环境中长期使用。目前常见的有五大工程塑料：PA（聚酰胺）、POM（聚甲醛）、PBT（聚对苯二甲酸丁二醇酯）、PC（聚碳酸酯）和PPO（聚苯醚），通过改性后广泛应用于智能汽车的零部件中。

2.4 耐化学性

塑料耐化学性是指塑料对于各种化学物质的抵抗能力。包括对各种酸、碱、盐的溶液、有机溶剂的抵抗能力。主要决定于塑料中聚合物的性质与组成。大部分聚合物对酸、碱、盐溶液有很好的抵抗性，部分主链上含C-O、C-N等键的高分子易受酸碱的影响发生水解、胺解而引起降解。各种聚合物对有机溶剂的抵抗性不同。结晶的非极性聚合物耐溶剂性最好，如聚乙烯在室温时几乎耐一切溶剂；极性的无定形聚合物较易被溶解度参数相近的极性溶剂溶解。塑料中有的填料和颜料会受酸碱的侵蚀。评定塑料耐化学性时，可将试样浸泡于各种化学物质中，然后测定有关的物理机械性能以及随浸泡时间性能和外观等的变化。
对于毫米波雷达等自动驾驶感知硬件的PCB板来说，其保护材料还需要满足低传输损失、低传输延迟以及高特性阻抗等高精度控制的要求。目前常用的工程塑料通过改性后具有优异的强度、阻燃、电绝缘性等特性，广泛应用于汽车、电子电器、家电等领域。

3、塑料在毫米波雷达上的工程应用
3.1 雷达保护罩材料

由于暴露在太阳光及发动机舱的热环境下，因此采用机箱将雷达的心脏部件即“天线”包起来。毫米波雷达整流罩可谓是电磁波的窗口、保护罩，不仅需要有保护内部高频PCB天线、芯片的强度，还需要保证穿透电波性不受其影响。因此，材料特性要求如下：1）介电常数要低，需要雷达发出的电波充分穿透，且状态稳定；2）可加工性要强，成型性较好；3）耐热性要好，由于暴露在太阳光及发动机舱的热环境下，对耐热性要求高；4）化学性要稳定，对于PCB板还需要低传输损失、低传输延迟以及高特性阻抗的高精度控制的要求。


车载毫米波及毫米波雷达单元
除了满足以上特性，同时还需要提供更大的自由度来设计复杂、小型化和薄壁零件将毫米波雷达嵌入车标或散热格栅中，对于金属材料是难以实现的。为此很多厂家开发出一系列具有非线性光学系数大、响应速度快、损伤阀值高、介电常数低、良好的可加工性等优点的塑料。如下图所示，百度Apollo 2.0 的毫米波雷达Continental的ARS-408被安装在汽车保险杠的正中间，面向汽车的前进方向。


百度Apollo 2.0 的毫米波雷达安装示意图

日本宝理开发了一种能够平衡各项性能的PPS。DENSO的毫米波雷达就采用了宝理塑料的DURAFIDE®PPS。日本东丽开发了适用于5G通信中使用的电子组件和毫米波雷达的聚酰亚胺（PI）材料。这种新材料具有PI树脂特有的耐热性、机械特性和粘合特性，并具有低介电损耗性能。
SABIC有不少材料应用在毫米波雷达上，如PBT材料经过相关处理可制作出满足汽车毫米波雷达的系列配件要求，甚至经过改性、添加玻纤的方式可制造出可透过雷达波的材料。目前针对高级驾驶辅助系统，SABIC推出了有助于工程师改进车载雷达传感器技术的专用热塑性塑料产品LNP系列，这些材料有利于实现轻量化，满足利于优化设计的灵活性，同时也能减少潜在的系统成本。


SABIC研发的LNP系列材料应用于毫米波雷达


3.2 高频高速线路基板材料

77GHz车载毫米波雷达多为多层板（4L-6L）结构设计，这种新需求给过去多用于单双面高频PCB上的高频基板材料带来了巨大挑战。它具体表现在：目前市场的主流基材——TPFE树脂类基板材料需要在多层板加工性上得到改善，本身在加工性表现好的非TPFE树脂型基板材料在此市场竞争中获得了更多的机遇。

世界第二大高频基板材料生产厂Taconic（泰康利）公司在近期的技术报告中提出：对于毫米波频段的PCB材料选择主要遵循三点：低并且稳定的介电常数，使用超光滑的铜箔，能够进行复杂结构PCB加工（多层和密集PTH孔）。以此可见，车载毫米波雷达用基板材料的多层板PCB加工性相当重要。

生产线路板基材的罗杰斯和生益科技已在毫米波雷达上布局。为满足毫米波雷达天线高频高速的需求，以及解决毫米波穿透力差、衰减速度快的问题，5G通信PCB需满足低传输损失、低传输延迟以及高特性阻抗等高精度控制的要求。目前生益科技已开发出应用于汽车毫米波雷达覆铜板相关的系列材料。


毫米波雷达及其基板

此外，长期以来，罗杰斯公司的高频层压板提供了PCB贴片天线所需的射频性能和高可靠性，为这些天线应用于汽车雷达提供了关键性的安全保障。其中，RO4000®系列材料（例如RO4835TM层压板）广泛用于24GHz毫米波雷达的应用。对于77/79GHz的汽车雷达应用，RO3003TM层压板由于拥有优异的射频性能和热机械性能而处于行业领先地位。此外，为了满足汽车雷达天线设计工程师提出的更高要求，罗杰斯持续投入研发，并不断推出新产品，使得汽车雷达设计工程师、雷达芯片组供应商、PCB制造商能进一步优化其汽车雷达应用的成本和性能。与第一代RO3003层压板相比，新一代RO3003G2TM层压板具有更低的插入损耗、更稳定的介电常数以及更优的PCB制造性能。罗杰斯RO4830TM层压板采用了LoPro®铜箔，在射频性能和成本之间实现了平衡。RO4830热固性层压板是一款十分具有竞争力的射频层压板材料，它在降低PCB制造成本的同时，还具有类似RO3003层压板的低插入损耗，它的另一个优点是即使长期工作于室外环境中，也具有稳定的介电常数。

3.3 车标以及格栅
为了更好地探测车辆前方目标，车辆正前部散热隔栅的正中间是提供最佳探测范围的位置。然而这个最佳的雷达传感器安装位置通常是整车厂车标不可替代的安装位置。为解决这一难点，目前有很多厂家开始研发将雷达、摄像头、传感器结合在一起的车标。


雷达、摄像头、传感器结合在一起的车标

为了解决自动驾驶汽车对传感器性能需求增加的问题，巴斯夫研发出改性聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）Ultradur® RX专门应用于车辆的雷达传感器。由于该材料对飞溅的水、油或盐等介质具有良好的耐性，Ultradur®可为传感器外壳提供高效防护。此外，这种新材料还为外壳中的敏感电子元件提供了保护屏障，使其免受来自其他车辆的电磁波干扰。
在道路交通领域，电磁干扰问题日益严重，为使传感器发挥最佳功能，必须通过吸收电磁干扰来降低信号噪声。而在这方面 Ultradur®是理想的材料。通过抑制雷达辐射干扰，可以更好地分配接收信号，这同时意味着安全性能的提高。作为一种功能性塑料，Ultradur® RX 是金属外壳的绝佳替代品，有助于减轻重量并提高车辆效率。由于噪声吸收性能取决于几何形状，因此必须为每种应用选择合适的材料——巴斯夫全新上市的 Ultradur® RX 产品组合，可提供适用于任何使用环境下的理想解决方案。


Ultradur® RX应用于车辆的雷达传感器
通常电镀会导致毫米波无法透过，日本丰田合成公司发明了能够让毫米波通过的结构，该公司在毫米波器件工艺及新材料的研究和开发再一次有了较大的进展，使得毫米波技术在短距离传感和通信系统中得到了新的应用。


雷克萨斯毫米波雷达车标
科思创在2019年也展示出聚碳酸酯格栅，PC具有高透光率、高折射率、高抗冲性、尺寸稳定性及易加工成型等特点，是目前航空、汽车相关配件的重要材料，可以制作出不影响雷达信号的透明结构。


聚碳酸酯前格栅

4、塑料在ADAS感知硬件中的应用前景

随着汽车行业向电动汽车的强劲转变，宝理塑料有限公司认为其创新树脂产品在实现自动驾驶的高级驾驶员辅助系统（ADAS）部件方面具有强大的潜力。该公司的PBT材料具有很强的耐用性、耐碱性、耐水解性和耐热冲击性。在线控系统中，随着ADAS部件的日益复杂化和电子控制系统自动化程度的提高，制动器需要更高的可靠性。车底零件暴露在路面的水、融雪剂、机油和其他物质中。这些部件靠近发动机、电机和其他发热部件，还会受热。因此，宝理公司的PBT因其高耐热性、优异的耐化学性和低吸水率，能在恶劣环境下持续工作，在许多致动器部件中被选用。PBT 330HR、531HS和532AR具有优异的耐久性（耐水解性），能够承受此类环境条件。532AR具有耐碱性，即使与金属锈液接触，也不容易产生应力开裂，这使其成为汽车底部零件的最佳选择。在通信设备中，阻燃PBT树脂也在涉及高压、电池和充电部件的电机中得到应用。而750AM是UL V-0级产品，在车载环境中具有较高的耐用性。

由于塑料还具有稳定外壳和连接器形状的能力，近年来，这种材料越来越多地用于需要阻燃的汽车零部件中。除此之外，还有碳纤维、PP、聚氨酯PU等相关的材料厂家也在开发满足毫米波雷达性能（雷达罩、天线、其他零部件）的材料。随着未来ADAS的普及，毫米波雷达市场将进入快速增长期，加之科技创新能力的不断提高，未来有更丰富的新材料将会应用在毫米波雷达上。

（原载2021.01期《西南汽车信息》）