【導讀】在上一篇《毫米波雷達在ADAS中的應用》中，麥姆斯咨詢提到隨著ADAS普及率的提升，要能夠全方位覆蓋汽車周圍環境的感測，一輛汽車會裝載“長+中+短”多顆毫米波雷達，到了最終L5級自動駕駛階段甚至超過10顆，預計2021年全球毫米波雷達的出貨量將達到8400萬個。這是一個可預見的龐大市場，所以無論是傳統的汽車Tier 1廠商，還是新興的初創企業，都紛紛加入到汽車雷達產業中來，希望能分一杯羹！
不過現實的競爭又是很殘忍的。首先，汽車的空間容量有限，特別是現在汽車主流是向輕便、節能方向發展，別說增加零部件了；其次，精明的消費者只接受加量不加價，性能提高了，價格還得降低。所以，能不能搶到市場先機，擺在各家毫米波雷達廠商面前的主要問題是如何實現“更小巧、更便宜、更智能”的毫米波雷達！帶著這些疑問，今天我們來了解一下車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的發展趨勢。
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，根據回波和發射波之間的時間差和頻率差來實現對目標物體距離、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雷達具有可同時測量多個目標、分辨率較高、信號處理復雜度低、成本低廉、技術成熟等優點，成為目前最常用的車載毫米波雷達，德爾福（Delphi）、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、前端收發組件、數字信號處理器（DSP）和控制電路，其中天線和前端收發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
天線作為毫米波發射和接收的重要部件，是汽車毫米波雷達有效工作的關鍵設計之一，同時也影響到毫米波雷達能否贏得市場芳心。
如果你路過雷達基站，一定對其龐大的機械掃描天線印象深刻（圖3），顯然這些天線對于外觀和體積要求苛刻的汽車是不適合的。那么毫米波雷達的天線要如何設計？首先，天線的生產要能夠大批量且低成本。其次，天線的設計要便于安裝在車的頭部。同時，天線必須被集成在車內而不能影響汽車的外觀。
圖3 不同尺寸與性狀的的雷達天線
理論和實踐證明，當天線的長度為無線電信號波長的1/4時，天線的發射和接收轉換效率最高。因此，天線的長度將根據所發射和接收信號的頻率或波長來決定。幸運的是，毫米波的波長只有幾個毫米，所以毫米波雷達的天線可以做的很小，同時還可以使用多根天線來構成陣列天線，達到窄波束的目的。目前毫米波雷達天線的主流方案是微帶陣列，最常見的一種是設計成可集成在PCB板上的“微帶貼片天線”，如圖4，在PCB板上的ground層上鋪幾個開路的微帶線形成天線。
圖4 24GHz毫米波雷達PCB天線
相比一般的微波天線，這種微帶天線具有的優點：（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大批量生產；（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。上述優點極大地滿足了車載雷達低成本和小體積的需求。
當然，由于毫米波的波長較短，電路極易發射色散和產生高次模，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。車載毫米波雷達市場的擴大，同樣也驅動著高頻基材及基材生產企業在此市場中的競爭，目前主要的國內外高頻PCB基材廠商有：Rogers（美國）、Taconic（美國）、Isola（德國）、生益科技（中國）、滬士（中國）等。
前端收發組件
前端收發組件是毫米波雷達的核心射頻部分，負責毫米波信號調制、發射、接收以及回波信號的解調。車載雷達要求前端收發組件具有體積小、成本低、穩定性好等特點，最可行方法就是將前端收發組件集成化。目前前端收發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，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、組裝起來的集成電路。而MMIC則是采用平面技術，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、開關、MMIC收發前端，甚至整個發射/接收（T/R）組件（收發系統）。相比HMIC，顯然MMIC大大簡化了雷達系統結構，集成度高、成本低且成品率高，更適合于大規模生產。
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。化合物半導體具有大的禁帶寬度、高的電子遷移率和擊穿場強等優點，但缺點是集成度不高且價格昂貴。所以，近十幾年來低成本、集成度高的硅基（CMOS、SiGe BiCMOS等）MMIC發展迅速。圖6對這幾種MMIC工藝技術的性能進行了對比。
圖6 不同工藝技術的MMIC性能對比
目前大多數毫米波雷達前端MMIC基于SiGe BiCMOS技術，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，成本較低的優勢。不過SiGe MMIC大都是分立式的，即發射器、接收器和處理組件均為獨立單元，這使得其設計過程十分復雜，并且整體方案體積龐大。正如文章開頭所說，一輛自動駕駛汽車最終需要有10多個雷達傳感器，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、產業鏈更成熟的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，實現更高的集成度。所以這不僅能顯著地降低系統尺寸、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題，隨著深亞微米和納米工藝的不斷發展，硅基工藝特征尺寸不斷減小，柵長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集成進入了其RF CMOS收發器中。在今年德州儀器（TI）宣稱其集成前端MMIC、DSP和MCU單芯片雷達解決方案（AWR1642）已實現了大規模量產，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）。隨著近些年國內創新創業廠商逐漸增長，如廈門意行、加特蘭、清能華波、矽杰微電子等，國內24GHz/77GHz MMIC關鍵技術已取得了突破，其中由意行半導體自主研發的24GHz SiGe雷達射頻前端MMIC套片，實現了國內該領域零的突破，打破國外壟斷，現已實現量產和供貨。去年，加特蘭也發布了其國內首款77GHz CMOS車載毫米波雷達收發芯片。
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DSP芯片或FPGA芯片來實現。DSP芯片即指能夠實現數字信號處理技術專用集成電路。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處理資料。DSP芯片的內部采用程序和數據分開的哈佛結構，具有專門的硬件乘法器，可以用來快速的實現各種數字信號處理算法。FPGA即現場可編程門陣列，它是作為專用集成電路（ASIC）領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電路數有限的缺點。
FPGA芯片與DSP芯片是有區別的。DSP是專門的微處理器，適用于條件進程，特別是較復雜的多算法任務。FPGA包含有大量實現組合邏輯的資源，可以完成較大規模的組合邏輯電路設計，同時還包含有相當數量的觸發器，借助這些觸發器，FPGA又能完成復雜的時序邏輯功能。在雷達信號處理、數字圖像處理等領域中，信號處理的實時性至關重要。由于FPGA芯片在大數據量的底層算法處理上的優勢及DSP芯片在復雜算法處理上的優勢，融合DSP+FPGA的實時信號處理系統的應用越來越廣泛。
目前高端DSP芯片和FPGA芯片主要被國外企業壟斷，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市場的主要廠商有賽靈思（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
控制電路是汽車雷達系統實現汽車主動安全控制執行的最后一環，根據信號處理器獲得的目標信息，結合車身動態信息進行數據融合，最終通過主處理器進行智能處理，對車輛前方出現的障礙物進行分析判斷，并迅速做出處理和發出指令，及時傳輸給報警顯示系統和制動執行系統。當前方車輛或物體距離過近超警戒設置時，報警顯示系統能以聲、光及觸覺等多種方式告知或警告駕駛員，前方有危險需要謹慎駕駛。如遇危險時啟動制動系統迅速根據險情對車輛做出包括減速、重剎、停車等主動干預動作，從而保證駕駛過程的安全性和舒適性，減少事故發生幾率。
毫米波雷達發展趨勢
綜上分析，毫米波雷達技術的發展趨勢是朝著體積更小、功耗更低、集成度更高和多項技術共存融合（性價比更高）方向發展。
從頻段上，由于77GHz比24GHz具有更小的波長，可進一步縮減天線尺寸，更便于安裝部署。同時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24GHz在短程BSD/LCA等應用成本優勢明顯，將長期與77GHz互補共存。
在前端收發組件，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方向發展。由于GaAs、SiGe和CMOS各有優缺點，在超高速、超高頻領域，CMOS目前還是比不上GaAs，市場上同時對于幾種工藝都有需求。
對于汽車應用來說，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？從產品趨勢來看，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”，未來的爭奪戰也將圍繞這兩方面展開，當然性價比是前提。在市場需求層面，既需要有雷達前端集成芯片，亦需要單芯片系統方案，以滿足客戶的差異化需求。
總之，上述技術發展最終結果是要實現“更小巧、更便宜、更智能”的毫米波雷達，為ADAS、自動駕駛和終極的無人駕駛服務！
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