強化射頻與MCU性能　車用77GHz雷達性價比攀升

　　過往雷達（RADAR）系統(tǒng)大多應用在航空設(shè)備，但業(yè)界也發(fā)現(xiàn)雷達在汽車應用中極具發(fā)展?jié)摿?，因而紛紛投入設(shè)計。特別是以毫米波段中77GHz頻率實現(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)汽車雷達元件和短距離雷達（相對航空航天而言）。

　　盡管大多數(shù)短距離雷達仍在24GHz頻段上運行，但長期來看，該頻段無法保證全球通用性，77GHz雷達將有一定的發(fā)揮空間。目前，77GHz雷達感應技術(shù)在先進駕駛輔助系統(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)計成本，應用設(shè)計師須了解發(fā)送和接收雷達波所需的77GHz射頻 （RF）技術(shù)、具備基頻信號處理功能的雷達感應器，以及雷達系統(tǒng)功能安全等設(shè)計方式。

　　提升雷達RF元件性價比　硅鍺碳BiCMOS制程崛起

　　毫米波雷達系統(tǒng)相當依賴III-V半導體元件，現(xiàn)大多汽車雷達系統(tǒng)均使用砷化鎵（GaAs）技術(shù)實現(xiàn)RF前端電路；然而，用于制造手機元件的硅鍺碳 （SiGe:C）技術(shù)，亦能以極低成本打造媲美砷化鎵的RF功能，讓消費者以合理價格安裝汽車ADAS。此外，透過快速、高性能的互補式金屬氧化物半導體 （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，每個芯片可實現(xiàn)較高的電路密度，然而，可達成的邏輯密度（用于控制電路）卻非常低；再者，與主流芯片技術(shù)實現(xiàn)的高效率相比，GaAs晶圓材料仍較為昂貴。

　　事實上，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，至于進入處理設(shè)施的砷化鎵晶片成本也會高出十到二十倍，但在經(jīng)過制造、封裝和測試后成本差異將縮小。

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

　　至于硅鍺碳技術(shù)選項對雷達元件而言并沒有嚴重缺點，使用經(jīng)毫米波製程模組增強的傳統(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)，達到更高的電子移動性，以轉(zhuǎn)化為更快的運行速度。

　　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的功率等級支援發(fā)射電路，同時提供足夠的隔離，以便在一個芯片上整合多個接收器通道。

　　采用FMCW機制　雷達系統(tǒng)設(shè)計大幅簡化

　　在汽車雷達信號調(diào)變方面，大多數(shù)方案采調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）機制，進而簡化系統(tǒng)復雜度并提高效能。使用連續(xù)載波信號，其頻率將根據(jù)預定義調(diào)度表變化，例如時間斜坡等，該頻率變化發(fā)生的范圍定義雷達系統(tǒng)的頻寬。對于普通77GHz雷達來說，有一個圍繞著76.5GHz分配的1GHz時隙，以及一個圍繞著 79GHz的4GHz時隙。通常，77GHz頻率范圍對應長距離雷達感應器；79GHz頻率范圍則與短距離雷達系統(tǒng)有關(guān)。

　　雷達發(fā)射器通常搭載一個可通過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感應器架構(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，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，高頻率掃描速率對實現(xiàn)高目標速度精度非常重要。

　　圖1 雷達感應器設(shè)計架構(gòu)圖