77GHz毫米波为什么会得到汽车的青睐?

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前言


由于世界各国的汽车安全标准、汽车电子化水平不断提高以及人们对驾驶安全需求不断增长，具备主动安全技术的ADAS系统呈现快速发展的势头。传感器技术是汽车电子的关键核心技术之一，各种传感器技术的创新发展为主动安全提供了技术可行性，汽车微波/毫米波雷达传感器正是实现该功能的核心部件之一。微波/毫米波雷达是利用目标对电磁波反射来发现目标并测定其位置的。毫米波频率高、波长短，一方面可缩小从天线辐射的电磁波射束角幅度，从而减少由于不需要的反射所引起的误动作和干扰，另一方面由于多普勒频移大，相对速度的测量精度高。在汽车主动安全领域，汽车微波/毫米波雷达传感器因为能够全天候工作，不受光线、雾霾、沙尘暴等恶劣天气的影响，已成为业界公认的主流选择，拥有巨大的市场需求，因而也是汽车电子厂商当前的主要研发方向。毫米波雷达同超声波雷达相比，毫米波雷达具有体积小、质量轻和空间分辨率高的特点。与红外、激光、摄像头等光学传感器相比，毫米波雷达穿透雾、烟、灰尘的能力强，具有全天候全天时的特点。

1、雷达应用市场


据市场研究机构预测，随着ADAS系统的广泛应用，汽车微波/毫米波雷达传感器市场的年均增长率将高达23%，预计到2021年的市场需求总量将达5000万部。2015年中国汽车销售量为2459.8万辆，保守按中国汽车销售量中有20%（491万辆）装配汽车微波/毫米波雷达传感器的话，市场规模就很可观，前景广阔。

目前来说，毫米波雷达的技术主要由大陆、博世、电装、奥托立夫、Denso、德尔福等传统零部件巨头所垄断，特别是77GHz毫米波雷达，只有博世、大陆、德尔福、电装、TRW、富士通天、Hitachi等公司掌握。目前，博世的长距离毫米波雷达产品是其核心产品，主要应用在自巡航控制系统ACC和紧急自动刹车AEB中；Hella则是以24GHz雷达为其核心，客户范围广泛。

2、雷达方案概述
目前市场主流使用的车载毫米波雷达按照其频率的不同，主要可分为两种：24GHz毫米波雷达和77GHz毫米波雷达。通常24GHz雷达检测范围为中短距离，用作实现BSD、LCA等功能，而77GHz长程雷达用作实现ACC、AEB等功能。

从技术角度看，24GHz雷达与77GHz雷达都是处于毫米波的频段，本质上并没有形成大的区别。而根据波的传播理论，在无线通信系统中，频率较高的信号比频率较低的信号容易穿透建筑物，而频率越低，波长越长，绕射能力越强，信号损失衰减越小，传输距离越远。因此24GHz雷达比77GHz的绕射能力更强，但77GHz雷达得益于更小的波长，相比24GHz距离检测精度高，因此在使用的时候各有利弊。



图1、毫米波雷达

3、雷达方案对比
目前在国内市场，24GHz毫米波雷达与77GHz毫米波雷达的主要区别在于以下几点：

1）77GHz毫米波雷达的体积更小。24GHz毫米波雷达和77GHz毫米波雷达的性能及算法其实相差不远，更主要的差距还是在雷达体积上。由于24GHz雷达的频率更低波长更长，因此雷达所需要的天线就更长，做成小体积雷达的难度就更高，因此24GHz毫米波雷达会比77GHz毫米波雷达的体积更大，在追求美观与轻量化的车载领域体积是个关键问题。

2）77GHz毫米波雷达所需要的工艺更高。77GHz毫米波雷达最大的制造难度体现在其工艺上，77GHz毫米波雷达由于体积小，其线路板的面积很小，因此射频线路的设计难度非常高，成片的成品率也比较低。

3）77GHz毫米波雷达的检测精度更好。相比于24GHz雷达，77GHz雷达的波长更小，虽然绕射能力比24GHz雷达要弱，但是其检测精度更高。因此未来对于检测精度精益求精的自动驾驶来说，77GHz毫米波雷达无疑更具有一定优势。

4）24GHz毫米波雷达的射频芯片对相对77GHz雷达射频芯片更易获取。各大厂商经过多年对24GHz毫米波雷达的研发，市场上24GHz毫米波雷达的产品体系已经相对成熟，供应链已经相对稳定，在国内，24GHz的核心芯片射频芯片能从英飞凌、飞思卡尔等芯片供应商获得。但是，目前在全球范围内77GHz毫米波雷达芯片并没有稳定的供应体系，由于相关知识产权与合作协议的原因，英飞凌、飞思卡尔、意法半导体等芯片商对中国并没有放开77GHz雷达芯片的供应，因此国内77GHz毫米波雷达的开发受到一些限制。



表1、77GHz雷达主要功能、性能参数表

全球发达国家向77GHz升级切换，24GHz产品在国内短期仍有市场。考虑到中国的实际国情以及芯片研发进度等行业特点，24GHz毫米波雷达在国内仍有较大市场空间，相比全球而言我国77GHz毫米波雷达的大规模应用将稍微推后。随着技术的发展，77GHz毫米波雷达将在行业普遍产业化。

4、毫米波雷达测距原理
车载毫米波雷达主要应用在汽车的防撞系统上。车载毫米波雷达利用电磁波发射后遇到障碍物反射的回波对其不断检测，计算出与前方或后方障碍物的相对速度和距离。当车辆行进中时，发射机产生的雷达窄波束向前发射调频连续波（FMCW）信号，当发射信号遇到目标时被反射回来，并为同一天线接收，经混频放大处理后，可用其差拍信号时间差来表示雷达与目标的距离，再根据差频信号相差与相对速度关系，计算出目标对雷达的相对速度及危险时间，从而通过防撞系统对车辆做出预判警告。



图2、汽车防撞雷达原理框图

目前，毫米波车载雷达系统的研究工作领先地区主要分布在美国、欧洲和日本。目前研究内容主要集中在两个方面，即前视汽车雷达(FCW)和自主巡航控制系统(ACC) 等。二者的区别在于前者只需完成危险预警功能，而后者需要通过雷达系统实时监测车辆间距和相对运动速度信息，自动控制汽车的转向、加速、减速或者刹车，从而自动地调整己车与前车的间距或者相对速度使之保持在一个安全的范围内。从智能汽车发展的趋势看，目前已经加速从预警提示向闭环自动控制功能升级切换。



图3、车载雷达模块



图4、防碰撞功能



图5、雷达系统原理框图


5、毫米波雷达系统方案


汽车微波/毫米波雷达主要由天线、前端雷达传感器和后端信号处理器组成。其中雷达传感器是最关键核心部件，而目前汽车雷达传感器都采用集成电路技术实现。汽车微波/毫米波雷达传感器集成电路主要为：英飞凌、恩智浦∕飞思卡尔和ST（意法半导体）等公司。针对77GHz汽车雷达其主要设计方案如下：

（1）英飞凌77GHz汽车雷达方案



图6、英飞凌雷达集成芯片框图



图7、英飞凌雷达系统框图

系统特点：发射模块、接收模块分离，集成度较高，采用该方案来设计77GHz射频前端电路具有一定的灵活性，单独电路消化难度有所降低；但由于涉及到比较多的控制电路设计，后期的调试工作量较大。

（2）恩智浦∕飞思卡尔77GHz汽车雷达方案



图8、恩智浦∕飞思卡尔雷达框架




图9、恩智浦∕飞思卡尔雷达系统框图



图10、恩智浦∕飞思卡尔雷达系统框图

系统特点：发射模块、接收模块分离，VCO、MCU等电路，集成度较高，采用该方案来设计77GHz射频前端电路具有一定的灵活性，单独电路消化难度有所降低；但由于也涉及到比较多的控制电路设计，后期的调试工作量也较大。目前已推出新款集成度更高的芯片样片，收发模块等进行了集成，支持3发4收。

（3）UMS 77GHz汽车雷达方案



图11、UMS 雷达系统框图

系统特点：发射模块、接收模块分离，VCO、MCU等电路，集成度较高，采用该方案来设计77GHz射频前端电路具有一定的灵活性，单独电路消化难度有所降低；但由于也涉及到比较多的控制电路设计，后期的调试工作量也较大。

（4）ST 77GHz 汽车雷达方案



图12、ST 77G DEMO板图

系统特点：发射模块、接收等模块集成设计，辅以MCU等部分电路可构建雷达系统，集成度高。采用该方案来设计77GHz射频前端电路内部配置灵活，整体消化难度有所提高；但由于也涉及到控制电路少，后期的调试工作量较少、成本低。

综合情况分析如下：



表2

6、总结


汽车毫米波雷达在我国属于新兴的产品，汽车主动安全系统也是未来发展的一个重要方向。随着目前我国自主品牌汽车上ADAS产品的普遍应用和国家标准对汽车主动安全系统的要求逐渐提高。在未来的产品汽车制造中，汽车行业应当将毫米波雷达的搭载应用作为战略性的发展目标，以市场为导向，抓住难得的发展机遇，早日实现我国汽车防撞雷达产业化。国家应该加大研究资金的投入，推动汽车防撞雷达的研究进度，当防撞雷达技术达到一定的水平，可以带来巨大的社会和经济效益。