攝像頭、激光雷達、毫米波雷達這三種智能汽車上最常見的傳感器，各有優(yōu)缺點。通常是將三個傳感器疊加在一起，發(fā)揮更大的作用。攝像頭是被動傳感器，能識別豐富的色彩信息，但受光線影響顯著，在一些光線不好的環(huán)境下置信度相對較低。激光雷達不論是從測距能力、置信度、可感知物體細節(jié)，綜合實力都很出色，可能最大的缺點，就是有點“貴”。毫米波雷達的置信度高，是智能駕駛系統(tǒng)中用于環(huán)境傳感不可或缺的傳感器，具有防撞、自動泊車、行人檢測等諸多功能，這對于減少交通事故、保護行人和乘客的生命財產(chǎn)安全具有重要意義。

　　圖1、三種傳感器方案對比

　　毫米波雷達的工作原理是，通過向外界發(fā)射電磁波，從而探測目標的反射信號，根據(jù)發(fā)射和接收毫米波的時間差來推算探測目標與信號發(fā)出點的相對距離。毫米波雷達是一種使用毫米波段進行測距、探測、跟蹤、成像的主動傳感器。它可主動發(fā)射電磁波，穿透煙塵，幾乎不受光線和天氣影響，幫助車輛實時感知周圍物體并提供較為準確的距離和速度信息。

　　圖2、毫米波雷達

　　根據(jù)多普勒效應，毫米波雷達還能通過接收時間和頻率的變化，探測出與目標之間的相對速度;通過并列接受天線的幾何距離，和同一個探測目標反射波的相位差，計算出目標的方位角，進而就可以根據(jù)角度來確定目標的具體方位。

　　圖3、多普勒效應

　　毫米波，英文名稱為Millimeter Wave，縮寫為MMW，波長為1～10毫米，頻率為30~300GHz的電磁波。毫米波的頻率介于微波和紅外線之間，因此兼有這兩種波譜的優(yōu)點，同時具有自己的特性：

　?、?與微波相比，具有體積小、質(zhì)量輕和分辨率高的優(yōu)點;② 與紅外、激光相比，穿透煙、霧、灰塵能力強，傳輸距離遠，具有全天候全天時的特點;③ 性能穩(wěn)定，不受目標物體形狀和顏色的干擾。因此，毫米波雷達很好彌補了紅外、激光、超聲波、攝像頭等其他傳感器在車載應用中所不具備的使用場景。

　　圖4、毫米波雷達應用

　　毫米波雷達根據(jù)雷達工作系統(tǒng)的性質(zhì)可分為脈沖雷達和連續(xù)波雷達。連續(xù)波雷達的工作模式又分為恒頻連續(xù)波(CW)、頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)、調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)、快速調(diào)頻連續(xù)波(FCM-FMCW)等方法。根據(jù)平臺分類，可分為車載毫米波雷達、艦載毫米波雷達、機載毫米波雷達、星載毫米波雷達等。根據(jù)雷達測距的不同要求，毫米波雷達可分為遠程雷達(LRR)、中程雷達(MRR)和短程雷達(SRR)。

　　圖5、不同類型的毫米波雷達

　　此外，根據(jù)應用領(lǐng)域，毫米波雷達可分為制導雷達、火控雷達、目標探測雷達、毫米波地球觀測雷達、毫米波接近探測雷達等。3D毫米波雷達是指可以感測距離、移動速度、水平角度3個維度信息的毫米波雷達。4D毫米波雷達，則比3D毫米波雷達多了一個“D”——俯仰角，也就是高度信息。雖然只多出一個維度，但對于毫米波雷達來說，其意義巨大。毫米波雷達主要由高頻PCB天線、射頻前端收發(fā)組件、數(shù)字信號處理器及雷達控制電路等部分組成。下圖為某毫米波雷達的實物拆解圖，其中微帶貼片天線和前端收發(fā)組件MMIC為核心部件，信號處理器集成在了前端收發(fā)組件上。

　　圖6、毫米波雷達組成

　　毫米波雷達的硬件BOM拆分：射頻前端收發(fā)組件MMIC(包括發(fā)射、接收、及信號處理器)的成本約占50%、高頻PCB天線(包括接收、發(fā)射天線)的成本約占20%、數(shù)字信號處理器(DSP/FPGA)的成本約占20%;雷達控制電路及其它硬件成本約占10%。MMIC芯片是毫米波雷達成本中最重要組成部分。

　　圖7、毫米波BOM成本組成

　?、? 射頻前端收發(fā)組件MMICMMIC是毫米波雷達的核心部分，主要負責毫米波信號的調(diào)制、發(fā)射、接收以及回波信號的解調(diào)。收發(fā)組件包含了放大器、振蕩器、開關(guān)、混頻器等多個電子元器件，常采用單片微波集成電路(MonolithicMicrowave Integrated Circuit，MMIC)。MMIC，屬于半導體集成電路的一種技術(shù)，能降低系統(tǒng)尺寸、功率和成本，還能嵌入更多的功能。在毫米波雷達CMOS工藝、AiP封裝技術(shù)走向成熟并大量應用的背景下，毫米波雷達已逐步從不同模塊分立向模塊高度集成的“毫米波雷達SoC”形態(tài)進化。毫米波雷達SoC技術(shù)將收發(fā)模塊(MMIC、RF)和處理模塊(DSP、MCU)集成于同一塊芯片中，充分滿足汽車及IoT行業(yè)對于整體小型化、集成化要求，是毫米波雷達產(chǎn)品形態(tài)的一次巨大提升，并使產(chǎn)品的平臺化、系列化發(fā)展和下游模組研發(fā)變得更容易。MMIC原廠有英飛凌、德州儀器、意法半導體、亞德諾、恩智浦、安森美、Arbe、Uhnder、RFISee、VAYYAR、索喜、英特爾/Mobileye、富士通、瑞薩/Steradian、微度芯創(chuàng)、微遠芯、加特蘭、潤積電、矽杰、意行半導體、斯凱瑞利、岸達、邁矽科、圭步微、晟德微、正和微芯、問智微、中國電科38所等。② 高頻PCB天線天線主要用于發(fā)射和接收毫米波，由于毫米波波長只有幾個毫米，而天線長度為波長1/4時，天線的發(fā)射和接收轉(zhuǎn)換效率最高，因此天線尺寸可以做的很小，同時還可以使用多根天線來構(gòu)成陣列。目前主流天線方案是采用微帶陣列，即在印刷電路PCB板上，鋪上微帶線，形成“微帶貼片天線”，以滿足低成本和小體積的需求。按照天線模式可分為遠程雷達(開口約 30°，200m)、中程雷達(開口約 60°，100m)和近程雷達(開口約 120°，30m)。

　　圖7、毫米波評估板(圖源：TI)

　　天線設計是各家雷達廠商能夠做出差異化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，決定了方位角和俯仰角性能(視場角、角分辨率、角度精度)。天線高頻PCB板原廠有羅杰斯、羅德與施瓦茨、泰康尼、Isola、松下電工、雅龍、滬電、生益科技、深南電路、四會富仕等。③ 數(shù)字信號處理器數(shù)字信號處理器通過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，獲得特定類型的目標信息。毫米波雷達的數(shù)字處理主要算法包括：陣列天線波速形成和掃描算法、信號預調(diào)理、雜波處理算法、目標檢測 / 測量的算法、目標分類與跟蹤算法以及信息融合算法。數(shù)字信息處理是毫米波雷達穩(wěn)定性、可靠性的核心。 數(shù)字信號處理器集成了CPU、雷達信號專用處理單元、存儲單元(SRAM、Flash、DDR/LPDDR)，其中雷達信號專用處理單元可以是FPGA、DSP、或者專用單元。DSP芯片原廠有英飛凌、德州儀器、意法半導體、亞德諾、恩智浦、Arbe、瑞薩、加特蘭、昱感微、海思、中國電科等。FPGA芯片原廠有AMD/賽靈思、英特爾/阿爾特拉、微芯/美高森美、萊迪思等。④ 雷達控制電路雷達控制電路根據(jù)信號處理器獲得的目標信息，結(jié)合雷達終端動態(tài)信息進行數(shù)據(jù)融合，最終通過主處理器進行智能處理，對雷達終端前方出現(xiàn)的障礙物進行分析判斷，迅速做出處理和發(fā)出指令，及時傳輸給報警顯示系統(tǒng)和制動執(zhí)行系統(tǒng)。雷達控制電路主要由MCU、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和時鐘等模擬組件組成。

　　低成本、小型化、高性能、低功耗是SoC集成最大優(yōu)勢，也符合車載4D毫米波雷達未來的發(fā)展趨勢。SoC集成：SoC(SystemonaChip)是指將多個電子元件、模塊或者子系統(tǒng)集成到一塊芯片上的技術(shù)，毫米波雷達則是將MMIC，DSP，MCU集成在單顆SoC芯片里。

　　為了滿足不同距離范圍的探測需要，一輛汽車上會安裝多顆短程(SRR)、中程(MRR)和長程(LRR)毫米波雷達。其中24GHz雷達主要實現(xiàn)近程(Short Range Radar)和中程探測(Middle Range Radar)，可用于汽車盲點監(jiān)測、車道偏離預警、泊車輔助等功能。而77GHz雷達主要實現(xiàn)遠程探測(Long Range Radar)，可用于自動緊急制動、自適應巡航、前向碰撞預警等主動安全領(lǐng)域的功能。

　　下圖為奔馳S搭載6個毫米波雷達，包括5個短程雷達和1個長程雷達，分別安裝在汽車不同部位，以實現(xiàn)泊車輔助、主動巡航控制、制動輔助等功能。

　　圖8、毫米波雷達在汽車上的應用

　　據(jù)Yole Développement預測，全球毫米波雷達市場規(guī)模將從2022年的18億美元，增加到2025年的30億美元，年復合增長率約18.56%。從裝車數(shù)量來看，佐思汽車研究數(shù)據(jù)顯示，2022年中國乘用車市場的毫米波雷達裝車總量達1648.2萬顆，同比增長34.5%;2022年毫米波雷達裝配車型達到867.0萬輛，同比增長21.9%，占整體乘用車銷量的43%。從配置策略上看，4顆和5顆毫米波雷達方案增速最快，分別為87.2%、107.9%。如今國內(nèi)外毫米波雷達供應商已有百余家，4D成像雷達市場剛剛起步，毫米波雷達測速和測距性能進步主要取決于MMIC芯片和射頻天線性能的提升，而4D毫米波雷達未來將向著高集成化、低成本和小體積方向發(fā)展，單芯片內(nèi)的部件排布更為緊密，減小毫米波雷達體積，也降低功率損耗，提高信息傳輸效率，減少開發(fā)難度和成本。當前4D毫米波雷達發(fā)展的技術(shù)路線主要有級聯(lián)、級聯(lián)+虛擬孔徑成像技術(shù)以及集成芯片三條。根據(jù)Vehicle數(shù)據(jù)，現(xiàn)階段集成芯片方案的4D毫米波雷達單價約為300-400美元，級聯(lián)方案則為150-200美元。4D毫米波雷達成本和性能之間是有一個取舍的并且需要一個平衡，這個取舍的火候需要工程師去掌控，芯片和方案選型也極為重要。拍明芯城是快速撮合的元器件交易平臺，過去數(shù)年已積累了毫米波雷達芯片的優(yōu)勢貨源。我們聚焦服務元器件長尾客戶群，讓每一家芯片原廠或分銷商的每一款芯片，在Design In、Design Win和流通中更高效，幫助工程師的方案選型、試樣及采購，為電子產(chǎn)業(yè)供需略盡綿薄之力。

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