不過(guò)現實(shí)的競爭又是很殘忍的。首先，汽車(chē)的空間容量有限，特別是現在汽車(chē)主流是向輕便、節能方向發(fā)展，別說(shuō)增加零部件了；其次，精明的消費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，擺在各家毫米波雷達廠(chǎng)商面前的主要問(wèn)題是如何實(shí)現“更小巧、更便宜、更智能”的毫米波雷達！帶著(zhù)這些疑問(wèn)，今天我們來(lái)了解一下車(chē)載毫米波雷達系統及其核心元器件，探一探毫米波雷達技術(shù)的發(fā)展趨勢。

 

毫米波雷達系統基本結構

 

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

 

圖1 毫米波雷達工作方式

 

FMCW雷達具有可同時(shí)測量多個(gè)目標、分辨率較高、信號處理復雜度低、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，德?tīng)柛＃―elphi）、電裝（Denso）、博世（Bosch）等Tier 1供應商均采用FMCW調制方式。

 

以FMCW為例（圖2），毫米波雷達系統主要包括天線(xiàn)、前端收發(fā)組件、數字信號處理器（DSP）和控制電路，其中天線(xiàn)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

 

天線(xiàn)

 

天線(xiàn)作為毫米波發(fā)射和接收的重要部件，是汽車(chē)毫米波雷達有效工作的關(guān)鍵設計之一，同時(shí)也影響到毫米波雷達能否贏(yíng)得市場(chǎng)芳心。

如果你路過(guò)雷達基站，一定對其龐大的機械掃描天線(xiàn)印象深刻（圖3），顯然這些天線(xiàn)對于外觀(guān)和體積要求苛刻的汽車(chē)是不適合的。那么毫米波雷達的天線(xiàn)要如何設計？首先，天線(xiàn)的生產(chǎn)要能夠大批量且低成本。其次，天線(xiàn)的設計要便于安裝在車(chē)的頭部。同時(shí)，天線(xiàn)必須被集成在車(chē)內而不能影響汽車(chē)的外觀(guān)。

 

圖3 不同尺寸與性狀的的雷達天線(xiàn)

 

理論和實(shí)踐證明，當天線(xiàn)的長(cháng)度為無(wú)線(xiàn)電信號波長(cháng)的1/4時(shí)，天線(xiàn)的發(fā)射和接收轉換效率最高。因此，天線(xiàn)的長(cháng)度將根據所發(fā)射和接收信號的頻率或波長(cháng)來(lái)決定。幸運的是，毫米波的波長(cháng)只有幾個(gè)毫米，所以毫米波雷達的天線(xiàn)可以做的很小，同時(shí)還可以使用多根天線(xiàn)來(lái)構成陣列天線(xiàn)，達到窄波束的目的。目前毫米波雷達天線(xiàn)的主流方案是微帶陣列，最常見(jiàn)的一種是設計成可集成在PCB板上的“微帶貼片天線(xiàn)”，如圖4，在PCB板上的ground層上鋪幾個(gè)開(kāi)路的微帶線(xiàn)形成天線(xiàn)。

 

圖4 24GHz毫米波雷達PCB天線(xiàn)

 

相比一般的微波天線(xiàn)，這種微帶天線(xiàn)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，不同設計的微帶元，其最大輻射方向可以從邊射到端射范圍內調整，易于得到各種極化；（4）易集成，能和有源器件、電路集成為統一的組件等。上述優(yōu)點(diǎn)極大地滿(mǎn)足了車(chē)載雷達低成本和小體積的需求。

 

當然，由于毫米波的波長(cháng)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定一致，毫米波雷達需要選擇介電常數穩定、損耗特性低等高性能的高頻PCB基材。車(chē)載毫米波雷達市場(chǎng)的擴大，同樣也驅動(dòng)著(zhù)高頻基材及基材生產(chǎn)企業(yè)在此市場(chǎng)中的競爭，目前主要的國內外高頻PCB基材廠(chǎng)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，負責毫米波信號調制、發(fā)射、接收以及回波信號的解調。車(chē)載雷達要求前端收發(fā)組件具有體積小、成本低、穩定性好等特點(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(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體工藝制造在砷化鎵（GaAs）、鍺硅（SiGe）或硅（Si）等半導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）。相比HMIC，顯然MMIC大大簡(jiǎn)化了雷達系統結構，集成度高、成本低且成品率高，更適合于大規模生產(chǎn)。

 

圖5 MMIC組成

 

早期的MMIC主要采用化合物半導體工藝，如砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等?；衔锇雽w具有大的禁帶寬度、高的電子遷移率和擊穿場(chǎng)強等優(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對這幾種MMIC工藝技術(shù)的性能進(jìn)行了對比。

 

圖6 不同工藝技術(shù)的MMIC性能對比

 

目前大多數毫米波雷達前端MMIC基于SiGe BiCMOS技術(shù)，SiGe高頻特性良好，材料安全性佳，導熱性好，而且制程成熟，整合度較高，成本較低的優(yōu)勢。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立單元，這使得其設計過(guò)程十分復雜，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）和數字信號處理（DSP）集成在一起，實(shí)現更高的集成度。所以這不僅能顯著(zhù)地降低系統尺寸、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(wèn)題，隨著(zhù)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(cháng)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用方面不斷地取得突破。例如，恩智浦（NXP）和德州儀器（TI）陸續推出了基于CMOS工藝的毫米波雷達芯片，其中NXP率先將MCU集成進(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單芯片雷達解決方案（AWR1642）已實(shí)現了大規模量產(chǎn)，相比于傳統的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框圖

 

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

 

數字信號處理器（DSP）

 

數字信號處理系統也是雷達重要的組成部分，通過(guò)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(lèi)型的目標信息。毫米波雷達的數字處理主要算法包括：陣列天線(xiàn)波速形成和掃描算法、信號預調理、雜波處理算法、目標檢測/測量的算法、目標分類(lèi)與跟蹤算法以及信息融合算法。數字信息處理是毫米波雷達穩定性、可靠性的核心。

 

數字信號處理可以通過(guò)DSP芯片或FPGA芯片來(lái)實(shí)現。DSP芯片即指能夠實(shí)現數字信號處理技術(shù)專(zhuān)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(shí)處理資料。DSP芯片的內部采用程序和數據分開(kāi)的哈佛結構，具有專(zhuān)門(mén)的硬件乘法器，可以用來(lái)快速的實(shí)現各種數字信號處理算法。FPGA即現場(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)電路數有限的缺點(diǎn)。

 

FPGA芯片與DSP芯片是有區別的。DSP是專(zhuān)門(mén)的微處理器，適用于條件進(jìn)程，特別是較復雜的多算法任務(wù)。FPGA包含有大量實(shí)現組合邏輯的資源，可以完成較大規模的組合邏輯電路設計，同時(shí)還包含有相當數量的觸發(fā)器，借助這些觸發(fā)器，FPGA又能完成復雜的時(shí)序邏輯功能。在雷達信號處理、數字圖像處理等領(lǐng)域中，信號處理的實(shí)時(shí)性至關(guān)重要。由于FPGA芯片在大數據量的底層算法處理上的優(yōu)勢及DSP芯片在復雜算法處理上的優(yōu)勢，融合DSP+FPGA的實(shí)時(shí)信號處理系統的應用越來(lái)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）、亞德諾半導體（ADI）、意法半導體（ST）、英飛凌（Infineon）、恩智浦（NXP）等。FPGA市場(chǎng)的主要廠(chǎng)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(chē)雷達系統實(shí)現汽車(chē)主動(dòng)安全控制執行的最后一環(huán)，根據信號處理器獲得的目標信息，結合車(chē)身動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行數據融合，最終通過(guò)主處理器進(jìn)行智能處理，對車(chē)輛前方出現的障礙物進(jìn)行分析判斷，并迅速做出處理和發(fā)出指令，及時(shí)傳輸給報警顯示系統和制動(dòng)執行系統。當前方車(chē)輛或物體距離過(guò)近超警戒設置時(shí)，報警顯示系統能以聲、光及觸覺(jué)等多種方式告知或警告駕駛員，前方有危險需要謹慎駕駛。如遇危險時(shí)啟動(dòng)制動(dòng)系統迅速根據險情對車(chē)輛做出包括減速、重剎、停車(chē)等主動(dòng)干預動(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(zhù)體積更小、功耗更低、集成度更高和多項技術(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(cháng)，可進(jìn)一步縮減天線(xiàn)尺寸，更便于安裝部署。同時(shí)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(guò)24GHz在短程BSD/LCA等應用成本優(yōu)勢明顯，將長(cháng)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)對于幾種工藝都有需求。

 

對于汽車(chē)應用來(lái)說(shuō)，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(lái)看，一種是傳感器本身的融合或高度集成，如將毫米波雷達前端與攝像頭等其它傳感器集成；另一種是單芯片系統方案，即“多傳感器+主處理器+數字信號處理器”，未來(lái)的爭奪戰也將圍繞這兩方面展開(kāi)，當然性?xún)r(jià)比是前提。在市場(chǎng)需求層面，既需要有雷達前端集成芯片，亦需要單芯片系統方案，以滿(mǎn)足客戶(hù)的差異化需求。

 

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

 

 

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