強(qiáng)化射頻與MCU性能　車用77GHz雷達(dá)性價(jià)比攀升

　　過往雷達(dá)（RADAR）系統(tǒng)大多應(yīng)用在航空設(shè)備，但業(yè)界也發(fā)現(xiàn)雷達(dá)在汽車應(yīng)用中極具發(fā)展?jié)摿?，因而紛紛投入設(shè)計(jì)。特別是以毫米波段中77GHz頻率實(shí)現(xiàn)的方案最受青睞，因該頻段可最大限度吸收水分子，已獲業(yè)界證明適合用于開發(fā)汽車?yán)走_(dá)元件和短距離雷達(dá)（相對(duì)航空航天而言）。

　　盡管大多數(shù)短距離雷達(dá)仍在24GHz頻段上運(yùn)行，但長期來看，該頻段無法保證全球通用性，77GHz雷達(dá)將有一定的發(fā)揮空間。目前，77GHz雷達(dá)感應(yīng)技術(shù)在先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）中已占有一席之地。為持續(xù)提升ADAS系統(tǒng)品質(zhì)并優(yōu)化設(shè)計(jì)成本，應(yīng)用設(shè)計(jì)師須了解發(fā)送和接收雷達(dá)波所需的77GHz射頻 （RF）技術(shù)、具備基頻信號(hào)處理功能的雷達(dá)感應(yīng)器，以及雷達(dá)系統(tǒng)功能安全等設(shè)計(jì)方式。

　　提升雷達(dá)RF元件性價(jià)比　硅鍺碳BiCMOS制程崛起

　　毫米波雷達(dá)系統(tǒng)相當(dāng)依賴III-V半導(dǎo)體元件，現(xiàn)大多汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)均使用砷化鎵（GaAs）技術(shù)實(shí)現(xiàn)RF前端電路；然而，用于制造手機(jī)元件的硅鍺碳 （SiGe:C）技術(shù)，亦能以極低成本打造媲美砷化鎵的RF功能，讓消費(fèi)者以合理價(jià)格安裝汽車ADAS。此外，透過快速、高性能的互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體 （CMOS）制程，元件性能更可大幅超越以90納米（nm）制程產(chǎn)出的芯片方案。

　　表1解析各種雷達(dá)元件制程技術(shù)的性能優(yōu)勢。雖然GaAs具有良好的基板隔離效益，每個(gè)芯片可實(shí)現(xiàn)較高的電路密度，然而，可達(dá)成的邏輯密度（用于控制電路）卻非常低；再者，與主流芯片技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高效率相比，GaAs晶圓材料仍較為昂貴。

　　事實(shí)上，與一般硅晶片相比，III-V材料更加難以處理，III-V晶圓或基板的大小通常不足硅晶圓的一半，至于進(jìn)入處理設(shè)施的砷化鎵晶片成本也會(huì)高出十到二十倍，但在經(jīng)過制造、封裝和測試后成本差異將縮小。

　　與此同時(shí)，屬于高級(jí)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的CMOS制程可提供非常好的邏輯密度和成本，但其針對(duì)高效能運(yùn)算而設(shè)計(jì)的低擊穿電壓，卻難以符合汽車業(yè)者要求可靠且須支援中長距離運(yùn)行所需的功率等級(jí)。

　　至于硅鍺碳技術(shù)選項(xiàng)對(duì)雷達(dá)元件而言并沒有嚴(yán)重缺點(diǎn)，使用經(jīng)毫米波製程模組增強(qiáng)的傳統(tǒng)BiCMOS製程后，即能有效克服上述所有問題。該制程模組通過硅鍺碳材料提供雙載子電晶體（HeterojuncTIon Bipolar Transistor， HBT）結(jié)構(gòu)，達(dá)到更高的電子移動(dòng)性，以轉(zhuǎn)化為更快的運(yùn)行速度。

　　BiCMOS制程提供足夠的高效率，可為鎖相回路（PLL）和串列周邊界面（SPI）等數(shù)字控制界面添加經(jīng)濟(jì)高效的控制結(jié)構(gòu)。擊穿和功率增益資料以高于13dBm的功率等級(jí)支援發(fā)射電路，同時(shí)提供足夠的隔離，以便在一個(gè)芯片上整合多個(gè)接收器通道。

　　采用FMCW機(jī)制　雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)大幅簡化

　　在汽車?yán)走_(dá)信號(hào)調(diào)變方面，大多數(shù)方案采調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）機(jī)制，進(jìn)而簡化系統(tǒng)復(fù)雜度并提高效能。使用連續(xù)載波信號(hào)，其頻率將根據(jù)預(yù)定義調(diào)度表變化，例如時(shí)間斜坡等，該頻率變化發(fā)生的范圍定義雷達(dá)系統(tǒng)的頻寬。對(duì)于普通77GHz雷達(dá)來說，有一個(gè)圍繞著76.5GHz分配的1GHz時(shí)隙，以及一個(gè)圍繞著 79GHz的4GHz時(shí)隙。通常，77GHz頻率范圍對(duì)應(yīng)長距離雷達(dá)感應(yīng)器；79GHz頻率范圍則與短距離雷達(dá)系統(tǒng)有關(guān)。

　　雷達(dá)發(fā)射器通常搭載一個(gè)可通過PLL連續(xù)調(diào)諧的本地振蕩器（LO），由此產(chǎn)生出頻率掃描速率。圖1顯示高度整合的雷達(dá)感應(yīng)器架構(gòu)圖，在發(fā)射器芯片上，壓控振蕩器（VCO）生成傳輸77GHz頻率的信號(hào)，并由功率放大器（PA）放大后再送至傳輸天線。VCO的調(diào)諧電壓則由發(fā)射器芯片中的集成PLL電路生成，因此，高頻率掃描速率對(duì)實(shí)現(xiàn)高目標(biāo)速度精度非常重要。

　　圖1 雷達(dá)感應(yīng)器設(shè)計(jì)架構(gòu)圖