24 GHz vs. 77 GHz Radar-PCB-Materialauswahl: Was ändert sich im Millimeterwellenbereich?

77-GHz-Radar ist eine hochfrequente Sensorik im Millimeterwellenbereich (mmWave), die heute breit in Automotive-ADAS-Systemen und industriellen Erfassungsanwendungen eingesetzt wird. Im Vergleich zu älteren 24-GHz-Radarsystemen bietet 77 GHz eine höhere Auflösung, kleinere Antennen und eine bessere Gesamtleistung für moderne Sensorik.

Für PCB-Designer bedeutet dieser Wechsel deutlich mehr als nur eine höhere Frequenz. Er verändert direkt, wie die Leiterplatte ausgelegt werden muss – insbesondere bei:

• Materialverlusten
• Stackup-Struktur
• Routing-Verhalten
• Fertigungstoleranzen

Deshalb reicht eine PCB-Materialstrategie, die bei 24 GHz funktioniert, bei 77 GHz oft nicht mehr aus. Je stärker sich Radardesigns in den Millimeterwellenbereich bewegen, desto kritischer wird die Materialauswahl für die Gesamtleistung des Systems.

Dieser Beitrag erklärt, wie sich 24-GHz- und 77-GHz-Radardesigns unterscheiden und was diese Unterschiede konkret für die Auswahl von Radar-PCB-Materialien bedeuten.

Kurzfassung

Wer nur die wichtigsten Punkte braucht, findet hier die kompakten Kernaussagen:

• 24-GHz-Radar bietet in der Regel mehr Designspielraum und ermöglicht mehr Abwägungen zwischen Kosten und Performance.
• 77-GHz-Radar verlangt eine deutlich strengere Kontrolle bei Verlusten, der dielektrischen Stabilität, der Kupferrauheit, der Routing-Geometrie und des Stackups.
• Bei 77 GHz ist die Leiterplatte nicht mehr nur eine Trägerstruktur, sondern Teil des HF-Systems selbst.
• Eine gute Materialauswahl für Radar-PCBs basiert nicht nur auf Dk und Df, sondern auch auf:
• Kupferprofil
• Dickenkontrolle
• Phasenstabilität
• Umweltbeständigkeit
• Fertigbarkeit

24 GHz vs. 77 GHz Radar auf einen Blick

24-GHz-Radar

• Typischer Einsatz: ältere Radarsysteme, einfachere Kurzstreckenanwendungen
• Bandbreitenpotenzial: geringer
• Entfernungsauflösung: geringer
• Antennengröße: größer
• Empfindlichkeit gegenüber PCB-Verlusten: moderat
• Empfindlichkeit gegenüber Toleranzen: geringer
• Materialanforderungen: flexibler
• Stackup-Komplexität: meist geringer

77-GHz-Radar

• Typischer Einsatz: moderne ADAS-Systeme, Corner Radar, Long-Range Radar, Imaging Radar
• Bandbreitenpotenzial: deutlich höher
• Entfernungsauflösung: höher
• Antennengröße: kleiner
• Empfindlichkeit gegenüber PCB-Verlusten: hoch
• Empfindlichkeit gegenüber Toleranzen: deutlich höher
• Materialanforderungen: deutlich strenger
• Stackup-Komplexität: meist höher oder hybrid

Was 77-GHz-Radar für PCB-Designer bedeutet

Moderne 77-GHz-Radarsysteme bestehen in der Regel nicht nur aus einem einzelnen HF-Pfad auf einer Leiterplatte. Meist handelt es sich um ein kompaktes, mehrkanaliges und phasensensitives System.

Das ist relevant, weil heutige Radarmodule Funktionen unterstützen wie:

• adaptive Geschwindigkeitsregelung
• automatisches Notbremsen
• Totwinkelüberwachung
• Querverkehrswarnung
• Parkassistenz
• hochauflösendes Imaging Radar

Mit steigender Systemkomplexität muss die Leiterplatte mehr leisten als nur Signale zu führen. Sie muss auch Folgendes unterstützen:

• verlustarme HF-Übertragung
• stabiles Phasenverhalten
• reproduzierbare Antennenperformance
• enge Maßhaltigkeit
• konsistentes Verhalten über mehrere Kanäle

Bei 24 GHz kann ein Design elektrische und fertigungstechnische Abweichungen oft noch besser tolerieren. Bei 77 GHz wird dieser Spielraum deutlich kleiner.

Warum die Industrie von 24 GHz auf 77 GHz umgestiegen ist

Der Wechsel von 24 GHz auf 77 GHz hatte gute technische Gründe.

Höhere Auflösung

Eine größere verfügbare Bandbreite ermöglicht dem Radar, Objekte präziser voneinander zu unterscheiden. Das verbessert:

• die Distanzauflösung
• die Zieltrennung

Kleinere Antennen

Die kürzere Wellenlänge bei 77 GHz ermöglicht kleinere Antennen mit vergleichbarem Sichtfeld und vergleichbarem Gewinn.

Bessere Eignung für moderne ADAS-Systeme

Mit der Weiterentwicklung von Fahrerassistenzsystemen wurde 77 GHz zur besseren Wahl für:

• Front-Radar mit großer Reichweite
• Corner Radar
• Imaging Radar
• Systeme mit höherer Winkelauflösung

Warum 24 GHz und 77 GHz nicht nach derselben Materiallogik ausgelegt werden

Hier bleiben viele Beiträge zu allgemein.

Oft wird angenommen, dass die Auswahl eines Radar-PCB-Materials lediglich darin besteht, ein „besseres“ Hochfrequenzlaminat zu wählen. In der Praxis gilt jedoch: 24 GHz und 77 GHz folgen häufig unterschiedlichen Auswahlkriterien.

Bei 24 GHz

Die Materialwahl ist oft ein Kompromiss zwischen:

• akzeptablen HF-Verlusten
• einfacher Fertigung
• Kostenkontrolle
• ausreichend stabilen elektrischen Eigenschaften

Für kürzere HF-Pfade oder weniger komplexe Designs kann eine pragmatische Low-Loss-Lösung ausreichen.

Bei 77 GHz

Hier verschiebt sich der Fokus stärker auf:

• geringere Einfügedämpfung
• engere Phasenkonsistenz
• stabileres dielektrisches Verhalten
• glattere Kupferoberflächen
• dünnere und besser kontrollierte HF-Strukturen
• höhere Reproduzierbarkeit in der Fertigung

Mit anderen Worten: 77 GHz ist nicht einfach nur „mehr Hochfrequenz“. Es ist eine andere Designumgebung.

Welche Materialeigenschaften wirklich zählen

Viele Entwickler schauen zuerst auf Dk und Df. Das ist richtig, aber nicht ausreichend.

Im Folgenden die wichtigsten Materialparameter.

1. Dielektrizitätskonstante (Dk)

Dk beeinflusst:

• Abmessungen von Leitungstrukturen
• Impedanz
• Antennengröße
• elektrische Länge
• Phasenverhalten

Bei 77 GHz kann die Stabilität von Dk fast genauso wichtig sein wie der eigentliche Nennwert. Eine gute Dk-Angabe im Datenblatt reicht nicht aus, wenn sich dieser Wert aufgrund von Temperatur oder Frequenz stark verändert.

2. Verlustfaktor (Df)

Df beschreibt die dielektrischen Verluste im Material.

Mit steigender Frequenz nehmen diese Verluste zunehmend an Bedeutung. Bei 77 GHz können bereits kleine Unterschiede spürbare Auswirkungen haben auf:

• Effizienz von Feed Lines
• Empfindlichkeit des Empfängers
• Signalintegrität
• Performance des Antennensystems

Df sollte jedoch nie isoliert betrachtet werden. Ein Material mit niedrigem Df, aber schlechter Reproduzierbarkeit in der Fertigung, kann dennoch die falsche Wahl sein.

3. Kupferrauheit

Die Kupferrauheit gehört zu den am häufigsten unterschätzten Faktoren im Radar-PCB-Design.

Bei 77 GHz spielt die Oberflächenbeschaffenheit des Leiters eine deutlich größere Rolle als viele erwarten. Rauere Kupferoberflächen erhöhen die Leiterverluste – insbesondere in dünnen HF-Strukturen.

Kupferrauheit beeinflusst unter anderem:

• Einfügedämpfung
• Phasenkonsistenz
• effektives Signalverhalten im mmWave-Bereich

Das ist einer der Gründe, warum zwei Leiterplatten mit ähnlichem Dielektrikum in der Praxis unterschiedlich performen können.

4. Dickenkontrolle

Die Gesamtdicke der Leiterplatte sowie die Dicke der Dielektrikumschichten beeinflussen das HF-Routing direkt.

Bei 77 GHz können bereits kleine Schwankungen der Dicke die Impedanz und die Phase deutlich stärker verschieben als bei niedrigeren Frequenzen.

Dickenkontrolle ist besonders wichtig für:

• Microstrip-Abmessungen
• Coplanar-Waveguide-Performance
• Antennen-Feed-Netzwerke
• reproduzierbare HF-Ergebnisse

5. Umweltstabilität

Radar-Leiterplatten arbeiten häufig unter anspruchsvollen Bedingungen, insbesondere in:

• Automotive-Anwendungen
• industriellen Umgebungen
• Verkehrsüberwachung

Daher sollte das PCB-Material oft standhalten gegenüber:

• starken Temperaturschwankungen
• Feuchtigkeit
• lange Betriebsdauer
• wiederholten thermischen Zyklen

Ein Material, das im Labor gut funktioniert, ist nicht automatisch die beste Wahl für den realen Feldeinsatz.

6. Fertigbarkeit

Genau an diesem Punkt sind viele Materialvergleiche zu kurz gedacht.

Ein Radar-PCB-Material wird nicht nur nach elektrischer Leistung ausgewählt. Es muss auch zur realen Serienfertigung passen, zum Beispiel bei:

• Laminierung
• Bohren
• Metallisierung
• Registriergenauigkeit
• Ausbeute in der Produktion
• Skalierbarkeit der Kosten

Das „beste Material auf dem Papier“ ist nicht immer das beste für die praktische Fertigung.

Warum Stackup und Routing genauso wichtig sind wie das Material

Die Materialauswahl kann nicht getrennt von der Routing-Struktur betrachtet werden.

Bei 77 GHz wird die Routing-Geometrie selbst zu einem Teil der Materialentscheidung.

Typische Routing-Strukturen

• Microstrip
• Stripline
• Grounded Coplanar Waveguide (GCPW)

Für viele 77-GHz-Radarsysteme ist GCPW besonders interessant, weil sich damit in kompakten HF-Layouts oft eine bessere Kontrolle erzielen lässt.

Was ein gutes Radar-Stackup berücksichtigen muss

Ein durchdachtes Radar-Stackup sollte Folgendes einbeziehen:

• Lage der Signallayer
• Kontinuität der Bezugsebenen
• Dicke des Dielektrikums
• Routing-Geometrie
• Antennenintegration
• HF-Isolation
• Trennung von Digital- und Power-Bereichen

Warum hybride Stackups so häufig sind

Nicht jede Lage einer Radar-Leiterplatte benötigt dasselbe Material.

In vielen Designs gilt:

• HF- oder Antennenlagen nutzen ein verlustarmes Hochfrequenzlaminat
• digitale, Steuer- oder Versorgungslagen verwenden FR-4 oder ein wirtschaftlicheres Material

Dieser hybride Ansatz schafft ein besseres Gleichgewicht zwischen:

• HF-Performance
• Fertigbarkeit
• Gesamtkosten der Leiterplatte

Oft ist es sinnvoller, als die komplette Leiterplatte auf einem teuren HF-Laminat aufzubauen.

Materialauswahl nach Anwendung

Statt nach dem „besten“ Radar-PCB-Material zu fragen, ist es sinnvoller zu fragen:
Was braucht die jeweilige Anwendung wirklich?

Kostensensitive 24-GHz-Radarmodule

Hier stehen häufig folgende Punkte im Vordergrund:

• beherrschbare Kosten
• gute Prozesskompatibilität
• ausreichende HF-Performance
• geringere Fertigungskomplexität

In solchen Fällen ist eine pragmatische Low-Loss-Lösung oft sinnvoller als das verlustärmste Material am Markt.

77-GHz-Corner-Radar

Corner-Radar stellt typischerweise höhere Anforderungen an:

• kleinere Strukturen
• engere Toleranzen
• bessere Phasenkonsistenz
• präziseres Routing

Die Materialwahl wird hier deutlich anspruchsvoller, insbesondere wenn:

• Antennen direkt auf der Leiterplatte integriert sind
• mehrere HF-Kanäle vorhanden sind

77-GHz-Long-Range-Radar

Long-Range-Radar benötigt in der Regel mehr Leistung bei:

• Link Budget
• Signalkonsistenz
• verlustarmer Übertragung
• hoher Reproduzierbarkeit

Das rechtfertigt oft ein hochwertigeres Materialkonzept und ein präziseres Stackup.

77-/79-GHz-Imaging-Radar

Das ist einer der anspruchsvollsten Anwendungsfälle.

Typisch sind hier:

• MIMO-Architekturen
• hohe Kanalanzahl
• strengere Anforderungen an die Winkelauflösung
• stärkere Abhängigkeit von Phasenabgleich und Kanalgleichheit

In solchen Designs sind sowohl das Materialverhalten als auch die saubere Stackup-Umsetzung entscheidend.

Industrie- und Verkehrsradar

77-GHz-Radar ist nicht auf das Automotive beschränkt. Es wird auch eingesetzt für:

• Verkehrsüberwachung
• Kreuzungserfassung
• industrielle Bewegungserkennung
• Erkennung mobiler Maschinen und Geräte

Diese Anwendungen bringen zusätzliche Anforderungen mit sich, vor allem bei:

• Umweltrobustheit
• Langzeitstabilität

Ein praxisnaher Ablauf zur Materialauswahl

Für die Auswahl von Radar-PCB-Materialien ist ein klarer Entscheidungsprozess meist hilfreicher als der direkte Blick auf Materialnamen.

Schritt 1: Anwendung definieren

Zunächst sollte das reale Systemziel klar sein:

• Automotive oder Industrial
• kurze, mittlere oder große Reichweite
• klassisches Radar oder Imaging Radar
• Board-Antenne oder externe Antenne

Schritt 2: Frequenzbereich und Bandbreite festlegen

Anschließend sollte geklärt werden, ob das Design bei:

• 24 GHz
• 76–77 GHz
• 77–81 GHz

arbeitet. Das bestimmt sowohl die Leistungsziele als auch den Schwierigkeitsgrad des PCB-Designs.

Schritt 3: Board-Architektur festlegen

Frühzeitig sollte entschieden werden, ob das System aufbaut auf:

• einer Ein-Board-Lösung
• einer separaten Antennenplatine
• einem hybriden Stackup
• einer Trennung von RF- und Digitalbereich

Schritt 4: Routing-Geometrie auswählen

Die geeignete Routing-Struktur ergibt sich aus Stackup und Frequenz, zum Beispiel:

• Microstrip
• Stripline
• Grounded Coplanar Waveguide

Schritt 5: Materialeigenschaften an die Systemanforderungen anpassen

Jetzt wird das Material anhand von:

• Dk
• Df
• Kupferrauheit
• Dickenkontrolle
• Umweltstabilität
• Prozesskompatibilität

Schritt 6: Fertigbarkeit vor der Freigabe prüfen

Bevor das Material final festgelegt wird, sollte der PCB-Hersteller bestätigen können, dass er Folgendes zuverlässig beherrscht:

• die geforderten Toleranzen
• die erforderliche Kupferstruktur
• das gewünschte Stackup
• die angestrebte Ausbeute

Dieser Schritt verhindert häufig teure Redesigns.

Häufige Fehler bei der Materialauswahl für 77-GHz-Radar-PCBs

Diese Fehler treten in realen Projekten immer wieder auf.

1. Nur auf Dk und Df schauen

Diese Werte sind wichtig, aber nicht ausreichend.

2. 24 GHz und 77 GHz gleich behandeln

Eine Strategie, die bei 24 GHz funktioniert, kann bei 77 GHz scheitern.

3. Kupferrauheit ignorieren

Im mmWave-Bereich kann das Kupferprofil die Verluste deutlich beeinflussen.

4. Material ohne Berücksichtigung der Routing-Struktur auswählen

Material und Leitungstopologie müssen als Gesamtsystem funktionieren.

5. Dicke und Toleranzempfindlichkeit unterschätzen

Kleine physische Abweichungen wirken sich bei 77 GHz stärker aus.

6. Nur auf Laborergebnisse achten

Im realen Automotive- oder Industrieeinsatz können Probleme sichtbar werden, die im Prototypenstadium noch nicht auffallen.

7. Nach Markenname statt nach Eignung entscheiden

Ein bekanntes Materialsystem ist nicht automatisch die beste Lösung für das konkrete Design.

Prioritäten bei der Materialauswahl: 24 GHz vs. 77 GHz

Bei 24 GHz

• Kostenflexibilität hat eine höhere Priorität
• geringe Verluste sind wichtig
• Dk-Stabilität ist wichtig
• Kontrolle der Kupferrauheit ist nützlich
• Stackup-Komplexität ist meist moderat
• Toleranzempfindlichkeit ist moderat
• hybride Stackups sind manchmal sinnvoll
• Fertigungswiederholbarkeit ist wichtig

Bei 77 GHz

• Kosten bleiben relevant, sind aber weniger dominant
• geringe Verluste werden kritisch
• Dk-Stabilität wird sehr wichtig
• Kontrolle der Kupferrauheit ist hochrelevant
• Stackup-Komplexität ist oft hoch
• Toleranzempfindlichkeit ist deutlich höher
• hybride Stackups sind oft sinnvoll
• Fertigungswiederholbarkeit ist essenziell

Häufig gestellte Fragen

Fazit

Der Wechsel von 24 GHz auf 77 GHz verändert weit mehr als nur die Radarfrequenz. Er erhöht die Anforderungen an:

• PCB-Materialien
• Stackup-Design
• Routing-Kontrolle
• Fertigungskonsistenz

Bei 24 GHz haben Designer meist mehr Spielraum für praktische Kompromisse. Bei 77 GHz können schon kleine Unterschiede bei Verlusten, Kupferprofil, dielektrischer Stabilität und Board-Struktur die Gesamtperformance deutlich beeinflussen.

Deshalb sollte die Auswahl eines Radar-PCB-Materials niemals ausschließlich auf Datenblattwerten beruhen. Die richtige Entscheidung ergibt sich daraus, wie gut Material, Stackup und Routing-Strategie zur tatsächlichen Radararchitektur passen.

FastTurnPCB unterstützt anspruchsvolle RF- und High-Frequency-PCB-Projekte, bei denen elektrische Performance und Fertigbarkeit gemeinsam betrachtet werden müssen.