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

隨著ADAS普及率的提升，要能夠全方位覆蓋汽車(chē)周?chē)h(huán)境的感測(cè)，一輛汽車(chē)會(huì)裝載“長(zhǎng)+中+短”多顆毫米波雷達(dá)，到了最終L5級(jí)自動(dòng)駕駛階段甚至超過(guò)10顆，預(yù)計(jì)2021年全球毫米波雷達(dá)的出貨量將達(dá)到8400萬(wàn)個(gè)。

在上一篇《毫米波雷達(dá)在ADAS中的應(yīng)用》中，麥姆斯咨詢(xún)提到隨著ADAS普及率的提升，要能夠全方位覆蓋汽車(chē)周?chē)h(huán)境的感測(cè)，一輛汽車(chē)會(huì)裝載“長(zhǎng)+中+短”多顆毫米波雷達(dá)，到了最終L5級(jí)自動(dòng)駕駛階段甚至超過(guò)10顆，預(yù)計(jì)2021年全球毫米波雷達(dá)的出貨量將達(dá)到8400萬(wàn)個(gè)。這是一個(gè)可預(yù)見(jiàn)的龐大市場(chǎng)，所以無(wú)論是傳統(tǒng)的汽車(chē)Tier 1廠商，還是新興的初創(chuàng)企業(yè)，都紛紛加入到汽車(chē)?yán)走_(dá)產(chǎn)業(yè)中來(lái)，希望能分一杯羹!

不過(guò)現(xiàn)實(shí)的競(jìng)爭(zhēng)又是很殘忍的。首先，汽車(chē)的空間容量有限，特別是現(xiàn)在汽車(chē)主流是向輕便、節(jié)能方向發(fā)展，別說(shuō)增加零部件了;其次，精明的消費(fèi)者只接受加量不加價(jià)，性能提高了，價(jià)格還得降低。所以，能不能搶到市場(chǎng)先機(jī)，擺在各家毫米波雷達(dá)廠商面前的主要問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)“更小巧、更便宜、更智能”的毫米波雷達(dá)!帶著這些疑問(wèn)，今天我們來(lái)了解一下車(chē)載毫米波雷達(dá)系統(tǒng)及其核心元器件，探一探毫米波雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

毫米波雷達(dá)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

在《認(rèn)識(shí)毫米波雷達(dá)》文章中，我們知道了毫米波雷達(dá)是基于多普勒原理，根據(jù)回波和發(fā)射波之間的時(shí)間差和頻率差來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體距離、速度以及方位的測(cè)量。根據(jù)輻射電磁波方式不同，毫米波雷達(dá)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(dá)工作方式

FMCW雷達(dá)具有可同時(shí)測(cè)量多個(gè)目標(biāo)、分辨率較高、信號(hào)處理復(fù)雜度低、成本低廉、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，成為目前最常用的車(chē)載毫米波雷達(dá)，德?tīng)柛?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(dá)系統(tǒng)主要包括天線、前端收發(fā)組件、數(shù)字信號(hào)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(dá)的最核心的硬件部分。以下將分別詳細(xì)介紹。

圖2、FMCW雷達(dá)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(chē)毫米波雷達(dá)有效工作的關(guān)鍵設(shè)計(jì)之一，同時(shí)也影響到毫米波雷達(dá)能否贏得市場(chǎng)芳心。如果你路過(guò)雷達(dá)基站，一定對(duì)其龐大的機(jī)械掃描天線印象深刻(圖3)，顯然這些天線對(duì)于外觀和體積要求苛刻的汽車(chē)是不適合的。那么毫米波雷達(dá)的天線要如何設(shè)計(jì)?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(jì)要便于安裝在車(chē)的頭部。同時(shí)，天線必須被集成在車(chē)內(nèi)而不能影響汽車(chē)的外觀。

圖3、不同尺寸與性狀的的雷達(dá)天線

理論和實(shí)踐證明，當(dāng)天線的長(zhǎng)度為無(wú)線電信號(hào)波長(zhǎng)的1/4時(shí)，天線的發(fā)射和接收轉(zhuǎn)換效率最高。因此，天線的長(zhǎng)度將根據(jù)所發(fā)射和接收信號(hào)的頻率或波長(zhǎng)來(lái)決定。幸運(yùn)的是，毫米波的波長(zhǎng)只有幾個(gè)毫米，所以毫米波雷達(dá)的天線可以做的很小，同時(shí)還可以使用多根天線來(lái)構(gòu)成陣列天線，達(dá)到窄波束的目的。目前毫米波雷達(dá)天線的主流方案是微帶陣列，最常見(jiàn)的一種是設(shè)計(jì)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(gè)開(kāi)路的微帶線形成天線。

圖4、24GHz毫米波雷達(dá)PCB天線

相比一般的微波天線，這種微帶天線具有的優(yōu)點(diǎn)：(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(jì)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(diǎn)極大地滿足了車(chē)載雷達(dá)低成本和小體積的需求。

當(dāng)然，由于毫米波的波長(zhǎng)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(dá)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(chē)載毫米波雷達(dá)市場(chǎng)的擴(kuò)大，同樣也驅(qū)動(dòng)著高頻基材及基材生產(chǎn)企業(yè)在此市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)，目前主要的國(guó)內(nèi)外高頻PCB基材廠商有：Rogers(美國(guó))、Taconic(美國(guó))、Isola(德國(guó))、生益科技(中國(guó))、滬士(中國(guó))等。

前端收發(fā)組件

前端收發(fā)組件是毫米波雷達(dá)的核心射頻部分，負(fù)責(zé)毫米波信號(hào)調(diào)制、發(fā)射、接收以及回波信號(hào)的解調(diào)。車(chē)載雷達(dá)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(diǎn)，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(hào)的基片(如藍(lán)寶石、石英等)，再將分立的有源器件連接、組裝起來(lái)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(kāi)關(guān)、MMIC收發(fā)前端，甚至整個(gè)發(fā)射/接收(T/R)組件(收發(fā)系統(tǒng))。相比HMIC，顯然MMIC大大簡(jiǎn)化了雷達(dá)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。化合物半導(dǎo)體具有大的禁帶寬度、高的電子遷移率和擊穿場(chǎng)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是集成度不高且價(jià)格昂貴。所以，近十幾年來(lái)低成本、集成度高的硅基(CMOS、SiGe BiCMOS等)MMIC發(fā)展迅速。圖6對(duì)這幾種MMIC工藝技術(shù)的性能進(jìn)行了對(duì)比。

圖6、不同工藝技術(shù)的MMIC性能對(duì)比

目前大多數(shù)毫米波雷達(dá)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(shì)。不過(guò)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(dú)立單元，這使得其設(shè)計(jì)過(guò)程十分復(fù)雜，并且整體方案體積龐大。正如文章開(kāi)頭所說(shuō)，一輛自動(dòng)駕駛汽車(chē)最終需要有10多個(gè)雷達(dá)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(hào)處理(DSP)集成在一起，實(shí)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(dá)面臨速度和低頻噪聲等問(wèn)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(zhǎng)的縮短彌補(bǔ)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(dá)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(dá)芯片，其中NXP率先將MCU集成進(jìn)入了其RF CMOS收發(fā)器中。在今年德州儀器(TI)宣稱(chēng)其集成前端MMIC、DSP和MCU單芯片雷達(dá)解決方案(AWR1642)已實(shí)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(dá)芯片的高級(jí)架構(gòu)框圖

目前MMIC技術(shù)主要由國(guó)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(guó)內(nèi)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)廠商逐漸增長(zhǎng)，如廈門(mén)意行、加特蘭、清能華波、矽杰微電子等，國(guó)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(dá)射頻前端MMIC套片，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域零的突破，打破國(guó)外壟斷，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)和供貨。去年，加特蘭也發(fā)布了其國(guó)內(nèi)首款77GHz CMOS車(chē)載毫米波雷達(dá)收發(fā)芯片。

數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)

數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)也是雷達(dá)重要的組成部分，通過(guò)嵌入不同的信號(hào)處理算法，提取從前端采集得到的中頻信號(hào)，獲得特定類(lèi)型的目標(biāo)信息。毫米波雷達(dá)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(hào)預(yù)調(diào)理、雜波處理算法、目標(biāo)檢測(cè)/測(cè)量的算法、目標(biāo)分類(lèi)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(dá)穩(wěn)定性、可靠性的核心。

數(shù)字信號(hào)處理可以通過(guò)DSP芯片或FPGA芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。DSP芯片即指能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)專(zhuān)用集成電路。DSP芯片是一種快速?gòu)?qiáng)大的微處理器，獨(dú)特之處在于它能即時(shí)處理資料。DSP芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開(kāi)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專(zhuān)門(mén)的硬件乘法器，可以用來(lái)快速的實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。FPGA即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是作為專(zhuān)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(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

FPGA芯片與DSP芯片是有區(qū)別的。DSP是專(zhuān)門(mén)的微處理器，適用于條件進(jìn)程，特別是較復(fù)雜的多算法任務(wù)。FPGA包含有大量實(shí)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(jì)，同時(shí)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(shí)序邏輯功能。在雷達(dá)信號(hào)處理、數(shù)字圖像處理等領(lǐng)域中，信號(hào)處理的實(shí)時(shí)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(shì)及DSP芯片在復(fù)雜算法處理上的優(yōu)勢(shì)，融合DSP+FPGA的實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

目前高端DSP芯片和FPGA芯片主要被國(guó)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(chǎng)的主要廠商有賽靈思(Xilinx)、阿爾特拉(Altera，被Intel收購(gòu))、美高森美(Microsemi)以及萊迪思(Lattice)。

控制電路

控制電路是汽車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)主動(dòng)安全控制執(zhí)行的最后一環(huán)，根據(jù)信號(hào)處理器獲得的目標(biāo)信息，結(jié)合車(chē)身動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，最終通過(guò)主處理器進(jìn)行智能處理，對(duì)車(chē)輛前方出現(xiàn)的障礙物進(jìn)行分析判斷，并迅速做出處理和發(fā)出指令，及時(shí)傳輸給報(bào)警顯示系統(tǒng)和制動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)。當(dāng)前方車(chē)輛或物體距離過(guò)近超警戒設(shè)置時(shí)，報(bào)警顯示系統(tǒng)能以聲、光及觸覺(jué)等多種方式告知或警告駕駛員，前方有危險(xiǎn)需要謹(jǐn)慎駕駛。如遇危險(xiǎn)時(shí)啟動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)迅速根據(jù)險(xiǎn)情對(duì)車(chē)輛做出包括減速、重剎、停車(chē)等主動(dòng)干預(yù)動(dòng)作，從而保證駕駛過(guò)程的安全性和舒適性，減少事故發(fā)生幾率。

毫米波雷達(dá)發(fā)展趨勢(shì)

綜上分析，毫米波雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是朝著體積更小、功耗更低、集成度更高和多項(xiàng)技術(shù)共存融合(性?xún)r(jià)比更高)方向發(fā)展。

從頻段上，由于77GHz比24GHz具有更小的波長(zhǎng)，可進(jìn)一步縮減天線尺寸，更便于安裝部署。同時(shí)77GHz頻段帶寬更大、探測(cè)距離更遠(yuǎn)、精度更高，正逐漸成為主流。不過(guò)24GHz在短程BSD/LCA等應(yīng)用成本優(yōu)勢(shì)明顯，將長(zhǎng)期與77GHz互補(bǔ)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(diǎn)，在超高速、超高頻領(lǐng)域，CMOS目前還是比不上GaAs，市場(chǎng)上同時(shí)對(duì)于幾種工藝都有需求。

對(duì)于汽車(chē)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，不僅要考慮毫米波雷達(dá)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(shì)來(lái)看，一種是傳感器本身的融合或高度集成，如將毫米波雷達(dá)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(hào)處理器”，未來(lái)的爭(zhēng)奪戰(zhàn)也將圍繞這兩方面展開(kāi)，當(dāng)然性?xún)r(jià)比是前提。在市場(chǎng)需求層面，既需要有雷達(dá)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(shí)現(xiàn)“更小巧、更便宜、更智能”的毫米波雷達(dá)，為ADAS、自動(dòng)駕駛和終極的無(wú)人駕駛服務(wù)!