Высокоселективный полосовой фильтр SIW–DGS–CPW на 24 ГГц с широкой заграждающей полосой для автомобильного радара и ADAS

Более четкий «взор» для более безопасных автомобилей

Современные автомобили полагаются на радар, чтобы заметить то, что водитель может упустить: ребёнка, вышедшего на проезжую часть, резкую остановку в потоке или мотоцикл в «слепой» зоне. Чтобы радар работал надёжно, ему нужно принимать только ту часть радиоспектра, которая важна, и игнорировать всё остальное. В этой статье представлен компактный, тщательно настроенный «радиостойкий пропускатель», разработанный специально для автомобильных радаров и систем помощи водителю (ADAS) на частоте 24 ГГц. Комбинируя несколько продуманных микроволновых структур в одном небольшом элементе, авторы создают фильтр, который чисто пропускает нужные радарные сигналы и эффективно подавляет помехи и ненужный фон, даже при суровых температурах, характерных для моторного отсека.

Почему важны чистые радарные сигналы

Радар в автомобилях работает, посылая высокочастотные радиоволны и затем измеряя слабые эхо‑сигналы, отражённые от транспортных средств, пешеходов и препятствий. Если побочная электроника или соседние диапазоны связи проникают в приёмный диапазон радара, эти эхо‑сигналы могут замазываться, уменьшая дальность обнаружения или вызывая ложные срабатывания. Полосовой фильтр — это компонент, который вырезает узкое, хорошо определённое частотное окно, чтобы радар «слышал» преимущественно собственные отражения. На 24 ГГц — популярной полосе для ближнего и средне­го радиуса действия автомобильных радаров — такой фильтр должен быть одновременно очень селективным и очень компактным, чтобы встраиваться в плотные модули без лишних потерь или нагрева. Существующие решения зачастую жертвуют остротой селекции ради минимального размера или не проходят тщательные проверки при реальных температурных условиях.

Компактный «пропускатель» на одном слое

Исследователи решают эту задачу, интегрируя три микроволновых блока на одном плоском печатном субстрате. Во‑первых, они используют субстратно-интегрированные волноводные полости (SIW) — прямоугольные области, ограниченные рядами металлических отверстий, которые захватывают и направляют нужную радарную частоту с высоким качеством. Во‑вторых, в нижнем металле платы вырезают специальные формы, известные как дефектные структуры земли (DGS). Они действуют как точно размещённые вырезы, создающие глубокие «мертвые зоны» для нежелательных частот около рабочей полосы, заостряя отклик фильтра. В‑третьих, структуру запитывают коаксиально на плоскости — копланарной волновой дорожкой (CPW), типом поверхностной линии передачи, упрощающей стыковку с другими микросхемами и платами. Взаимодействие этих трёх элементов обеспечивает узкий проход для целевой полосы и блокировку широкого диапазона соседних сигналов, всё это в площадке 18 × 36 мм — достаточно компактно для плотных радиолокационных передних модулей.

От настроек проекта до реального изделия

Для улучшения характеристик команда проводит обширные моделирования, показывающие, как изменение геометрии влияет на поведение. Регулировка расстояния между ключевыми щелями меняет силу взаимодействия двух SIW‑полостей, что, в свою очередь, настраивает полосу пропускания и крутизну спада отклика фильтра. Изменение толщины платы выявляет оптимальную величину, при которой электрическая и магнитная энергия сбалансированы для чистой, стабильной полосы на 24 ГГц. Авторы также создают простую «сосредоточенную» модель с индуктивностями и ёмкостями, имитирующую полную трёхмерную структуру; её предсказания согласуются с детальными электромагнитными моделями, давая разработчикам интуитивное представление о вкладе каждой особенности — полостей, разрезов DGS и CPW‑запитки — в итоговый отклик.

Устойчивость при нагреве

Поскольку автомобильная электроника должна выдерживать зной моторного отсека и холодные утренние температуры, термостабильность фильтра имеет решающее значение. Команда подвергает проект в моделировании и измерениях воздействиям от 25 °C до 105 °C. По мере небольшого расширения металла и субстрата центральная частота смещается вниз примерно на 30 МГц — примерно одна восьмая от полезной полосы в 450 МГц — при этом затухание в полосе и коэффициент отражения остаются практически неизменными. В лаборатории изготовленный прототип, измеренный на анализаторе цепей высоких частот, подтверждает прогнозы: фильтр центрируется около 24 ГГц, демонстрирует потерю в полосе порядка 1,6–2,0 дБ и подавляет нежелательные сигналы на 30–40 дБ в широком диапазоне соседних частот.

Что это значит для будущих систем помощи водителю

Для неспециалиста вывод прост: авторы спроектировали небольшой, эффективный и надёжный «частотный ворота», адаптированный для автомобильного радара на 24 ГГц. Тщательно формируя прохождение ради энергии через однослойную схему, они добиваются более чёткого разделения между нужными эхо‑сигналами и шумом по сравнению со многими аналогичными решениями, не жертвуя размерами или устойчивостью к нагреву. Такие фильтры помогают радарам видеть яснее и стабильнее, что в свою очередь поддерживает более безопасные функции автоматического торможения, удержания полосы и предотвращения столкновений в автомобилях следующего поколения.

Цитирование: Abada, A.M., El-Hameed, A.S.A., Eldamak, A.R. et al. A high-selectivity 24-GHz SIW–DGS–CPW bandpass filter with wide stopband rejection for automotive radar and ADAS. Sci Rep 16, 9810 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41312-w

Ключевые слова: автомобильный радар, ADAS, полосовой фильтр 24 ГГц, субстратно-интегрированная волноводная структура, дефектная структура земли