8分鐘就懂的毫米波雷達系統(tǒng)及毫米波技術(shù)發(fā)展趨勢，怎能不讀?

隨著ADAS普及率的提升，要能夠全方位覆蓋汽車周圍環(huán)境的感測，一輛汽車會裝載“長+中+短”多顆毫米波雷達，到了最終L5級自動駕駛階段甚至超過10顆，預(yù)計2021年全球毫米波雷達的出貨量將達到8400萬個。

在上一篇《毫米波雷達在ADAS中的應(yīng)用》中，麥姆斯咨詢提到隨著ADAS普及率的提升，要能夠全方位覆蓋汽車周圍環(huán)境的感測，一輛汽車會裝載“長+中+短”多顆毫米波雷達，到了最終L5級自動駕駛階段甚至超過10顆，預(yù)計2021年全球毫米波雷達的出貨量將達到8400萬個。這是一個可預(yù)見的龐大市場，所以無論是傳統(tǒng)的汽車Tier 1廠商，還是新興的初創(chuàng)企業(yè)，都紛紛加入到汽車?yán)走_產(chǎn)業(yè)中來，希望能分一杯羹!

不過現(xiàn)實的競爭又是很殘忍的。首先，汽車的空間容量有限，特別是現(xiàn)在汽車主流是向輕便、節(jié)能方向發(fā)展，別說增加零部件了;其次，精明的消費者只接受加量不加價，性能提高了，價格還得降低。所以，能不能搶到市場先機，擺在各家毫米波雷達廠商面前的主要問題是如何實現(xiàn)“更小巧、更便宜、更智能”的毫米波雷達!帶著這些疑問，今天我們來了解一下車載毫米波雷達系統(tǒng)及其核心元器件，探一探毫米波雷達技術(shù)的發(fā)展趨勢。

毫米波雷達系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

在《認(rèn)識毫米波雷達》文章中，我們知道了毫米波雷達是基于多普勒原理，根據(jù)回波和發(fā)射波之間的時間差和頻率差來實現(xiàn)對目標(biāo)物體距離、速度以及方位的測量。根據(jù)輻射電磁波方式不同，毫米波雷達主要有脈沖和連續(xù)波兩種工作方式(圖1)。其中連續(xù)波又可以分為FSK(頻移鍵控)、PSK(相移鍵控)、CW(恒頻連續(xù)波)、FMCW(調(diào)頻連續(xù)波)等方式。

圖1、毫米波雷達工作方式

FMCW雷達具有可同時測量多個目標(biāo)、分辨率較高、信號處理復(fù)雜度低、成本低廉、技術(shù)成熟等優(yōu)點，成為目前最常用的車載毫米波雷達，德爾福(Delphi)、電裝(Denso)、博世(Bosch)等Tier 1供應(yīng)商均采用FMCW調(diào)制方式。

以FMCW為例(圖2)，毫米波雷達系統(tǒng)主要包括天線、前端收發(fā)組件、數(shù)字信號處理器(DSP)和控制電路，其中天線和前端收發(fā)組件是毫米波雷達的最核心的硬件部分。以下將分別詳細介紹。

圖2、FMCW雷達系統(tǒng)

天線

天線作為毫米波發(fā)射和接收的重要部件，是汽車毫米波雷達有效工作的關(guān)鍵設(shè)計之一，同時也影響到毫米波雷達能否贏得市場芳心。如果你路過雷達基站，一定對其龐大的機械掃描天線印象深刻(圖3)，顯然這些天線對于外觀和體積要求苛刻的汽車是不適合的。那么毫米波雷達的天線要如何設(shè)計?首先，天線的生產(chǎn)要能夠大批量且低成本。其次，天線的設(shè)計要便于安裝在車的頭部。同時，天線必須被集成在車內(nèi)而不能影響汽車的外觀。

圖3、不同尺寸與性狀的的雷達天線

理論和實踐證明，當(dāng)天線的長度為無線電信號波長的1/4時，天線的發(fā)射和接收轉(zhuǎn)換效率最高。因此，天線的長度將根據(jù)所發(fā)射和接收信號的頻率或波長來決定。幸運的是，毫米波的波長只有幾個毫米，所以毫米波雷達的天線可以做的很小，同時還可以使用多根天線來構(gòu)成陣列天線，達到窄波束的目的。目前毫米波雷達天線的主流方案是微帶陣列，最常見的一種是設(shè)計成可集成在PCB板上的“微帶貼片天線”，如圖4，在PCB板上的ground層上鋪幾個開路的微帶線形成天線。

圖4、24GHz毫米波雷達PCB天線

相比一般的微波天線，這種微帶天線具有的優(yōu)點：(1)體積小，重量輕，低剖面，能與載體(如飛行器)共形;(2)低成本，適合于印刷電路技術(shù)大批量生產(chǎn);(3)電性能多樣化，不同設(shè)計的微帶元，其最大輻射方向可以從邊射到端射范圍內(nèi)調(diào)整，易于得到各種極化;(4)易集成，能和有源器件、電路集成為統(tǒng)一的組件等。上述優(yōu)點極大地滿足了車載雷達低成本和小體積的需求。

當(dāng)然，由于毫米波的波長較短，電路極易發(fā)射色散和產(chǎn)生高次模，而且基板材料的介電常數(shù)和損耗隨頻率的增加也變化非常明顯，為了確保電路性能穩(wěn)定一致，毫米波雷達需要選擇介電常數(shù)穩(wěn)定、損耗特性低等高性能的高頻PCB基材。車載毫米波雷達市場的擴大，同樣也驅(qū)動著高頻基材及基材生產(chǎn)企業(yè)在此市場中的競爭，目前主要的國內(nèi)外高頻PCB基材廠商有：Rogers(美國)、Taconic(美國)、Isola(德國)、生益科技(中國)、滬士(中國)等。

前端收發(fā)組件

前端收發(fā)組件是毫米波雷達的核心射頻部分，負(fù)責(zé)毫米波信號調(diào)制、發(fā)射、接收以及回波信號的解調(diào)。車載雷達要求前端收發(fā)組件具有體積小、成本低、穩(wěn)定性好等特點，最可行方法就是將前端收發(fā)組件集成化。目前前端收發(fā)組件集成的方法主要有混合微波集成電路(HMIC)和單片微波集成電路(MMIC)兩種形式。

HMIC是采用薄膜或厚膜技術(shù)，先將微波電路制作在適合傳輸微波信號的基片(如藍寶石、石英等)，再將分立的有源器件連接、組裝起來的集成電路。而MMIC則是采用平面技術(shù)，將所有的微波功能電路用半導(dǎo)體工藝制造在砷化鎵(GaAs)、鍺硅(SiGe)或硅(Si)等半導(dǎo)體芯片上的集成電路。MMIC集成的功能電路主要包括低噪聲放大器(LNA)、功率放大器、混頻器、上變頻器、檢波器、調(diào)制器、壓控振蕩器(VCO)、移相器、開關(guān)、MMIC收發(fā)前端，甚至整個發(fā)射/接收(T/R)組件(收發(fā)系統(tǒng))。相比HMIC，顯然MMIC大大簡化了雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，集成度高、成本低且成品率高，更適合于大規(guī)模生產(chǎn)。

圖5、MMIC組成

早期的MMIC主要采用化合物半導(dǎo)體工藝，如砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等?；衔锇雽?dǎo)體具有大的禁帶寬度、高的電子遷移率和擊穿場強等優(yōu)點，但缺點是集成度不高且價格昂貴。所以，近十幾年來低成本、集成度高的硅基(CMOS、SiGe BiCMOS等)MMIC發(fā)展迅速。圖6對這幾種MMIC工藝技術(shù)的性能進行了對比。

圖6、不同工藝技術(shù)的MMIC性能對比

目前大多數(shù)毫米波雷達前端MMIC基于SiGe BiCMOS技術(shù)，SiGe高頻特性良好，材料安全性佳，導(dǎo)熱性好，而且制程成熟，整合度較高，成本較低的優(yōu)勢。不過SiGe MMIC大都是分立式的，即發(fā)射器、接收器和處理組件均為獨立單元，這使得其設(shè)計過程十分復(fù)雜，并且整體方案體積龐大。正如文章開頭所說，一輛自動駕駛汽車最終需要有10多個雷達傳感器，如果采用SiGe傳感器，空間上的限制使得其“難堪重任”。所以，成本更低、產(chǎn)業(yè)鏈更成熟的CMOS工藝將成為“中意”的選擇。利用CMOS工藝，不僅可將MMIC做得更小，甚至可以與微控制單元(MCU)和數(shù)字信號處理(DSP)集成在一起，實現(xiàn)更高的集成度。所以這不僅能顯著地降低系統(tǒng)尺寸、功率和成本，還能嵌入更多的功能。

雖然CMOS雷達面臨速度和低頻噪聲等問題，隨著深亞微米和納米工藝的不斷發(fā)展，硅基工藝特征尺寸不斷減小，柵長的縮短彌補了電子遷移率的不足，從而使得晶體管的截止頻率和最大振蕩頻率不斷提高，這使得CMOS工藝在毫米波雷達應(yīng)用方面不斷地取得突破。例如，恩智浦(NXP)和德州儀器(TI)陸續(xù)推出了基于CMOS工藝的毫米波雷達芯片，其中NXP率先將MCU集成進入了其RF CMOS收發(fā)器中。在今年德州儀器(TI)宣稱其集成前端MMIC、DSP和MCU單芯片雷達解決方案(AWR1642)已實現(xiàn)了大規(guī)模量產(chǎn)，相比于傳統(tǒng)的24GHz方案，其外形尺寸縮小33%、功耗減少50%、范圍精度提高10倍以上，且整體方案成本更低。

圖7、德州儀器(TI)AWR1642毫米波雷達芯片的高級架構(gòu)框圖

目前MMIC技術(shù)主要由國外半導(dǎo)體公司掌控，如英飛凌(Infineon)、恩智浦(NXP)、德州儀器(TI)、意法半導(dǎo)體(ST)、亞德諾半導(dǎo)體(ADI)。隨著近些年國內(nèi)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)廠商逐漸增長，如廈門意行、加特蘭、清能華波、矽杰微電子等，國內(nèi)24GHz/77GHz MMIC關(guān)鍵技術(shù)已取得了突破，其中由意行半導(dǎo)體自主研發(fā)的24GHz SiGe雷達射頻前端MMIC套片，實現(xiàn)了國內(nèi)該領(lǐng)域零的突破，打破國外壟斷，現(xiàn)已實現(xiàn)量產(chǎn)和供貨。去年，加特蘭也發(fā)布了其國內(nèi)首款77GHz CMOS車載毫米波雷達收發(fā)芯片。

數(shù)字信號處理器(DSP)

數(shù)字信號處理系統(tǒng)也是雷達重要的組成部分，通過嵌入不同的信號處理算法，提取從前端采集得到的中頻信號，獲得特定類型的目標(biāo)信息。毫米波雷達的數(shù)字處理主要算法包括：陣列天線波速形成和掃描算法、信號預(yù)調(diào)理、雜波處理算法、目標(biāo)檢測/測量的算法、目標(biāo)分類與跟蹤算法以及信息融合算法。數(shù)字信息處理是毫米波雷達穩(wěn)定性、可靠性的核心。

數(shù)字信號處理可以通過DSP芯片或FPGA芯片來實現(xiàn)。DSP芯片即指能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字信號處理技術(shù)專用集成電路。DSP芯片是一種快速強大的微處理器，獨特之處在于它能即時處理資料。DSP芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，可以用來快速的實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。FPGA即現(xiàn)場可編程門陣列，它是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。

FPGA芯片與DSP芯片是有區(qū)別的。DSP是專門的微處理器，適用于條件進程，特別是較復(fù)雜的多算法任務(wù)。FPGA包含有大量實現(xiàn)組合邏輯的資源，可以完成較大規(guī)模的組合邏輯電路設(shè)計，同時還包含有相當(dāng)數(shù)量的觸發(fā)器，借助這些觸發(fā)器，F(xiàn)PGA又能完成復(fù)雜的時序邏輯功能。在雷達信號處理、數(shù)字圖像處理等領(lǐng)域中，信號處理的實時性至關(guān)重要。由于FPGA芯片在大數(shù)據(jù)量的底層算法處理上的優(yōu)勢及DSP芯片在復(fù)雜算法處理上的優(yōu)勢，融合DSP+FPGA的實時信號處理系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛。

目前高端DSP芯片和FPGA芯片主要被國外企業(yè)壟斷，DSP芯片制造商主要有德州儀器(TI)、亞德諾半導(dǎo)體(ADI)、意法半導(dǎo)體(ST)、英飛凌(Infineon)、恩智浦(NXP)等。FPGA市場的主要廠商有賽靈思(Xilinx)、阿爾特拉(Altera，被Intel收購)、美高森美(Microsemi)以及萊迪思(Lattice)。

控制電路

控制電路是汽車?yán)走_系統(tǒng)實現(xiàn)汽車主動安全控制執(zhí)行的最后一環(huán)，根據(jù)信號處理器獲得的目標(biāo)信息，結(jié)合車身動態(tài)信息進行數(shù)據(jù)融合，最終通過主處理器進行智能處理，對車輛前方出現(xiàn)的障礙物進行分析判斷，并迅速做出處理和發(fā)出指令，及時傳輸給報警顯示系統(tǒng)和制動執(zhí)行系統(tǒng)。當(dāng)前方車輛或物體距離過近超警戒設(shè)置時，報警顯示系統(tǒng)能以聲、光及觸覺等多種方式告知或警告駕駛員，前方有危險需要謹(jǐn)慎駕駛。如遇危險時啟動制動系統(tǒng)迅速根據(jù)險情對車輛做出包括減速、重剎、停車等主動干預(yù)動作，從而保證駕駛過程的安全性和舒適性，減少事故發(fā)生幾率。

毫米波雷達發(fā)展趨勢

綜上分析，毫米波雷達技術(shù)的發(fā)展趨勢是朝著體積更小、功耗更低、集成度更高和多項技術(shù)共存融合(性價比更高)方向發(fā)展。

從頻段上，由于77GHz比24GHz具有更小的波長，可進一步縮減天線尺寸，更便于安裝部署。同時77GHz頻段帶寬更大、探測距離更遠、精度更高，正逐漸成為主流。不過24GHz在短程BSD/LCA等應(yīng)用成本優(yōu)勢明顯，將長期與77GHz互補共存。

在前端收發(fā)組件，高集成化的MMIC成為了主流，在工藝上先是SiGe替代了GaAs，當(dāng)前正慢慢朝CMOS方向發(fā)展。由于GaAs、SiGe和CMOS各有優(yōu)缺點，在超高速、超高頻領(lǐng)域，CMOS目前還是比不上GaAs，市場上同時對于幾種工藝都有需求。

對于汽車應(yīng)用來說，不僅要考慮毫米波雷達前端的集成，與其它傳感器的融合，還要考量與主處理器的“合作”，到底是集成還是分立，還是需靈活折中?從產(chǎn)品趨勢來看，一種是傳感器本身的融合或高度集成，如將毫米波雷達前端與攝像頭等其它傳感器集成;另一種是單芯片系統(tǒng)方案，即“多傳感器+主處理器+數(shù)字信號處理器”，未來的爭奪戰(zhàn)也將圍繞這兩方面展開，當(dāng)然性價比是前提。在市場需求層面，既需要有雷達前端集成芯片，亦需要單芯片系統(tǒng)方案，以滿足客戶的差異化需求。

總之，上述技術(shù)發(fā)展最終結(jié)果是要實現(xiàn)“更小巧、更便宜、更智能”的毫米波雷達，為ADAS、自動駕駛和終極的無人駕駛服務(wù)!