8分钟就懂的毫米波雷达系统及毫米波技术发展趋势

1、8分钟就懂的毫米波雷达系统及毫米波技术发展趋势随着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生货量将达到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Tier1厂商，还是新兴的初创企业，都纷纷加入

2、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

3、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Tier1供应商士!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

4、。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

5、，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。I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

6、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）、沪土（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

7、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础化钱(GaAs)、 错硅(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、MM

8、IC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，如础化钱(GaAs)、磷化锢(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、SiGeBiCMOS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。TechnofogyCompansonTechnofogyCompansonCMOSCMOSS1G6BiCMO

9、SS1G6BiCMOSlll-Vlll-VFastFastFMtFMtVeryFastVeryFastBreakdownBreakdownMedMedH喇PowerGainPowerGainGoodGoodVeryGoodVeryGoodTempTemp密 tiavfortiavforGoodGoodGoodGoodLogicDensityLogicDensityVeryHighVeryHighWIQIIlowlowLewLew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SiGeBiCMOS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

10、，成本较低的优势。不过SiGeMMIC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

11、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）陆续推由了基于CMOS工艺的毫米波雷达芯片，其中NXP率先将MCU集成进入了其RFCMOS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

12、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/77GHzMMIC关键技术已取得了突破，其中由意行半导体自主研发的24GHzSiGe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77GHzCMOS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

13、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（AS

14、IC）领域中的一种半定制电路而由现的，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

15、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，对车辆前方由现的障碍物进行分析判断，并迅速做由处理和发生指令，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，

16、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由包括减速、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