浅谈毫米波系统未来的发展

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随着ADAS普及率的提升，要能够全方位覆盖汽车周围环境的感测，一辆汽车会装载“长+中+短”多颗毫米波雷达，到了最终L5级自动驾驶阶段甚至超过10颗，预计2021年全球毫米波雷达的出货量将达到8400万个。


在上一篇《毫米波雷达在ADAS中的应用》中，麦姆斯咨询提到随着ADAS普及率的提升，要能够全方位覆盖汽车周围环境的感测，一辆汽车会装载“长+中+短”多颗毫米波雷达，到了最终L5级自动驾驶阶段甚至超过10颗，预计2021年全球毫米波雷达的出货量将达到8400万个。这是一个可预见的庞大市场，所以无论是传统的汽车Tier 1厂商，还是新兴的初创企业，都纷纷加入到汽车雷达产业中来，希望能分一杯羹！


不过现实的竞争又是很残忍的。首先，汽车的空间容量有限，特别是现在汽车主流是向轻便、节能方向发展，别说增加零部件了；其次，精明的消费者只接受加量不加价，性能提高了，价格还得降低。所以，能不能抢到市场先机，摆在各家毫米波雷达厂商面前的主要问题是如何实现“更小巧、更便宜、更智能”的毫米波雷达！带着这些疑问，今天我们来了解一下车载毫米波雷达系统及其核心元器件，探一探毫米波雷达技术的发展趋势。


毫米波雷达系统基本结构


在《认识毫米波雷达》文章中，我们知道了毫米波雷达是基于多普勒原理，根据回波和发射波之间的时间差和频率差来实现对目标物体距离、速度以及方位的测量。根据辐射电磁波方式不同，毫米波雷达主要有脉冲和连续波两种工作方式（图1）。其中连续波又可以分为FSK（频移键控）、PSK（相移键控）、CW（恒频连续波）、FMCW（调频连续波）等方式。


图1、毫米波雷达工作方式


FMCW雷达具有可同时测量多个目标、分辨率较高、信号处理复杂度低、成本低廉、技术成熟等优点，成为目前最常用的车载毫米波雷达，德尔福（Delphi）、电装（Denso）、博世（Bosch）等Tier 1供应商均采用FMCW调制方式。
以FMCW为例（图2），毫米波雷达系统主要包括天线、前端收发组件、数字信号处理器（DSP）和控制电路，其中天线和前端收发组件是毫米波雷达的最核心的硬件部分。以下将分别详细介绍。

图2、FMCW雷达系统


天线


天线作为毫米波发射和接收的重要部件，是汽车毫米波雷达有效工作的关键设计之一，同时也影响到毫米波雷达能否赢得市场芳心。如果你路过雷达基站，一定对其庞大的机械扫描天线印象深刻（图3），显然这些天线对于外观和体积要求苛刻的汽车是不适合的。那么毫米波雷达的天线要如何设计？首先，天线的生产要能够大批量且低成本。其次，天线的设计要便于安装在车的头部。同时，天线必须被集成在车内而不能影响汽车的外观。

图3、不同尺寸与性状的的雷达天线


理论和实践证明，当天线的长度为无线电信号波长的1/4时，天线的发射和接收转换效率最高。因此，天线的长度将根据所发射和接收信号的频率或波长来决定。幸运的是，毫米波的波长只有几个毫米，所以毫米波雷达的天线可以做的很小，同时还可以使用多根天线来构成阵列天线，达到窄波束的目的。目前毫米波雷达天线的主流方案是微带阵列，最常见的一种是设计成可集成在PCB板上的“微带贴片天线”，如图4，在PCB板上的ground层上铺几个开路的微带线形成天线。

图4、24GHz毫米波雷达PCB天线


相比一般的微波天线，这种微带天线具有的优点：（1）体积小，重量轻，低剖面，能与载体（如飞行器）共形；（2）低成本，适合于印刷电路技术大批量生产；（3）电性能多样化，不同设计的微带元，其最大辐射方向可以从边射到端射范围内调整，易于得到各种极化；（4）易集成，能和有源器件、电路集成为统一的组件等。上述优点极大地满足了车载雷达低成本和小体积的需求。


当然，由于毫米波的波长较短，电路极易发射色散和产生高次模，而且基板材料的介电常数和损耗随频率的增加也变化非常明显，为了确保电路性能稳定一致，毫米波雷达需要选择介电常数稳定、损耗特性低等高性能的高频PCB基材。车载毫米波雷达市场的扩大，同样也驱动着高频基材及基材生产企业在此市场中的竞争，目前主要的国内外高频PCB基材厂商有：Rogers（美国）、Taconic（美国）、Isola（德国）、生益科技（中国）、沪士（中国）等。
前端收发组件


前端收发组件是毫米波雷达的核心射频部分，负责毫米波信号调制、发射、接收以及回波信号的解调。车载雷达要求前端收发组件具有体积小、成本低、稳定性好等特点，最可行方法就是将前端收发组件集成化。目前前端收发组件集成的方法主要有混合微波集成电路（HMIC）和单片微波集成电路（MMIC）两种形式。


HMIC是采用薄膜或厚膜技术，先将微波电路制作在适合传输微波信号的基片（如蓝宝石、石英等），再将分立的有源器件连接、组装起来的集成电路。而MMIC则是采用平面技术，将所有的微波功能电路用半导体工艺制造在砷化镓（GaAs）、锗硅（SiGe）或硅（Si）等半导体芯片上的集成电路。MMIC集成的功能电路主要包括低噪声放大器（LNA）、功率放大器、混频器、上变频器、检波器、调制器、压控振荡器（VCO）、移相器、开关、MMIC收发前端，甚至整个发射/接收（T/R）组件（收发系统）。相比HMIC，显然MMIC大大简化了雷达系统结构，集成度高、成本低且成品率高，更适合于大规模生产。


图5、MMIC组成


早期的MMIC主要采用化合物半导体工艺，如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等。化合物半导体具有大的禁带宽度、高的电子迁移率和击穿场强等优点，但缺点是集成度不高且价格昂贵。所以，近十几年来低成本、集成度高的硅基（CMOS、SiGe BiCMOS等）MMIC发展迅速。图6对这几种MMIC工艺技术的性能进行了对比。


图6、不同工艺技术的MMIC性能对比


目前大多数毫米波雷达前端MMIC基于SiGe BiCMOS技术，SiGe高频特性良好，材料安全性佳，导热性好，而且制程成熟，整合度较高，成本较低的优势。不过SiGe MMIC大都是分立式的，即发射器、接收器和处理组件均为独立单元，这使得其设计过程十分复杂，并且整体方案体积庞大。正如文章开头所说，一辆自动驾驶汽车最终需要有10多个雷达传感器，如果采用SiGe传感器，空间上的限制使得其“难堪重任”。所以，成本更低、产业链更成熟的CMOS工艺将成为“中意”的选择。利用CMOS工艺，不仅可将MMIC做得更小，甚至可以与微控制单元（MCU）和数字信号处理（DSP）集成在一起，实现更高的集成度。所以这不仅能显著地降低系统尺寸、功率和成本，还能嵌入更多的功能。
虽然CMOS雷达面临速度和低频噪声等问题，随着深亚微米和纳米工艺的不断发展，硅基工艺特征尺寸不断减小，栅长的缩短弥补了电子迁移率的不足，从而使得晶体管的截止频率和最大振荡频率不断提高，这使得CMOS工艺在毫米波雷达应用方面不断地取得突破。例如，恩智浦（NXP）和德州仪器（TI）陆续推出了基于CMOS工艺的毫米波雷达芯片，其中NXP率先将MCU集成进入了其RF CMOS收发器中。在今年德州仪器（TI）宣称其集成前端MMIC、DSP和MCU单芯片雷达解决方案（AWR1642）已实现了大规模量产，相比于传统的24GHz方案，其外形尺寸缩小33%、功耗减少50%、范围精度提高10倍以上，且整体方案成本更低。


图7、德州仪器（TI）AWR1642毫米波雷达芯片的高级架构框图


目前MMIC技术主要由国外半导体公司掌控，如英飞凌（Infineon）、恩智浦（NXP）、德州仪器（TI）、意法半导体（ST）、亚德诺半导体（ADI）。随着近些年国内创新创业厂商逐渐增长，如厦门意行、加特兰、清能华波、矽杰微电子等，国内24GHz/77GHz MMIC关键技术已取得了突破，其中由意行半导体自主研发的24GHz SiGe雷达射频前端MMIC套片，实现了国内该领域零的突破，打破国外垄断，现已实现量产和供货。去年，加特兰也发布了其国内首款77GHz CMOS车载毫米波雷达收发芯片。


数字信号处理器（DSP）


数字信号处理系统也是雷达重要的组成部分，通过嵌入不同的信号处理算法，提取从前端采集得到的中频信号，获得特定类型的目标信息。毫米波雷达的数字处理主要算法包括：阵列天线波速形成和扫描算法、信号预调理、杂波处理算法、目标检测/测量的算法、目标分类与跟踪算法以及信息融合算法。数字信息处理是毫米波雷达稳定性、可靠性的核心。


数字信号处理可以通过DSP芯片或FPGA芯片来实现。DSP芯片即指能够实现数字信号处理技术专用集成电路。DSP芯片是一种快速强大的微处理器，独特之处在于它能即时处理资料。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，可以用来快速的实现各种数字信号处理算法。FPGA即现场可编程门阵列，它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。


FPGA芯片与DSP芯片是有区别的。DSP是专门的微处理器，适用于条件进程，特别是较复杂的多算法任务。FPGA包含有大量实现组合逻辑的资源，可以完成较大规模的组合逻辑电路设计，同时还包含有相当数量的触发器，借助这些触发器，FPGA又能完成复杂的时序逻辑功能。在雷达信号处理、数字图像处理等领域中，信号处理的实时性至关重要。由于FPGA芯片在大数据量的底层算法处理上的优势及DSP芯片在复杂算法处理上的优势，融合DSP+FPGA的实时信号处理系统的应用越来越广泛。


目前高端DSP芯片和FPGA芯片主要被国外企业垄断，DSP芯片制造商主要有德州仪器（TI）、亚德诺半导体（ADI）、意法半导体（ST）、英飞凌（Infineon）、恩智浦（NXP）等。FPGA市场的主要厂商有赛灵思（Xilinx）、阿尔特拉（Altera，被Intel收购）、美高森美（Microsemi）以及莱迪思（Lattice）。


控制电路


控制电路是汽车雷达系统实现汽车主动安全控制执行的最后一环，根据信号处理器获得的目标信息，结合车身动态信息进行数据融合，最终通过主处理器进行智能处理，对车辆前方出现的障碍物进行分析判断，并迅速做出处理和发出指令，及时传输给报警显示系统和制动执行系统。当前方车辆或物体距离过近超警戒设置时，报警显示系统能以声、光及触觉等多种方式告知或警告驾驶员，前方有危险需要谨慎驾驶。如遇危险时启动制动系统迅速根据险情对车辆做出包括减速、重刹、停车等主动干预动作，从而保证驾驶过程的安全性和舒适性，减少事故发生几率。
毫米波雷达发展趋势


综上分析，毫米波雷达技术的发展趋势是朝着体积更小、功耗更低、集成度更高和多项技术共存融合（性价比更高）方向发展。


从频段上，由于77GHz比24GHz具有更小的波长，可进一步缩减天线尺寸，更便于安装部署。同时77GHz频段带宽更大、探测距离更远、精度更高，正逐渐成为主流。不过24GHz在短程BSD/LCA等应用成本优势明显，将长期与77GHz互补共存。


在前端收发组件，高集成化的MMIC成为了主流，在工艺上先是SiGe替代了GaAs，当前正慢慢朝CMOS方向发展。由于GaAs、SiGe和CMOS各有优缺点，在超高速、超高频领域，CMOS目前还是比不上GaAs，市场上同时对于几种工艺都有需求。


对于汽车应用来说，不仅要考虑毫米波雷达前端的集成，与其它传感器的融合，还要考量与主处理器的“合作”，到底是集成还是分立，还是需灵活折中？从产品趋势来看，一种是传感器本身的融合或高度集成，如将毫米波雷达前端与摄像头等其它传感器集成；另一种是单芯片系统方案，即“多传感器+主处理器+数字信号处理器”，未来的争夺战也将围绕这两方面展开，当然性价比是前提。在市场需求层面，既需要有雷达前端集成芯片，亦需要单芯片系统方案，以满足客户的差异化需求。


总之，上述技术发展最终结果是要实现“更小巧、更便宜、更智能”的毫米波雷达，为ADAS、自动驾驶和终极的无人驾驶服务！

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