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qi次ci，精jing明ming的de消xiao費fei者zhe隻zhi接jie受shou加jia量liang不bu加jia價jia，性xing能neng提ti高gao了le，價jia格ge還hai得de降jiang低di。所suo以yi，能neng不bu能neng搶qiang到dao市shi場chang先xian機ji
，擺bai在zai各ge家jia毫hao米mi波bo雷lei達da廠chang商shang麵mian前qian的de主zhu要yao問wen題ti是shi如ru何he實shi現xian“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係統及其核心元器件，探一探毫米波雷達技術的發展趨勢。

 

毫米波雷達係統基本結構

 

在《認識毫米波雷達》文章中，我們知道了毫米波雷達是基於多普勒原理
，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衝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、信號處理複雜度低、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調製方式。

 

以FMCW為例（圖2），毫米波雷達係統主要包括天線
、前端收發組件、數字信號處理器（DSP）和控製電路
，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雷達係統

 

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(xian)然(ran)這(zhe)些(xie)天(tian)線(xian)對(dui)於(yu)外(wai)觀(guan)和(he)體(ti)積(ji)要(yao)求(qiu)苛(ke)刻(ke)的(de)汽(qi)車(che)是(shi)不(bu)適(shi)合(he)的(de)。那(na)麼(me)毫(hao)米(mi)波(bo)雷(lei)達(da)的(de)天(tian)線(xian)要(yao)如(ru)何(he)設(she)計(ji)？首(shou)先(xian)，天(tian)線(xian)的(de)生(sheng)產(chan)要(yao)能(neng)夠(gou)大(da)批(pi)量(liang)且(qie)低(di)成(cheng)本(ben)。其(qi)次(ci)，天(tian)線(xian)的(de)設(she)計(ji)要(yao)便(bian)於(yu)安(an)裝(zhuang)在(zai)車(che)的(de)頭(tou)部(bu)。同(tong)時(shi)

，天(tian)線(xian)必(bi)須(xu)被(bei)集(ji)成(cheng)在(zai)車(che)內(nei)而(er)不(bu)能(neng)影(ying)響(xiang)汽(qi)車(che)的(de)外(wai)觀(guan)。

 

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shi
，天tian線xian的de發fa射she和he接jie收shou轉zhuan換huan效xiao率lv最zui高gao。因yin此ci，天tian線xian的de長chang度du將jiang根gen據ju所suo發fa射she和he接jie收shou信xin號hao的de頻pin率lv或huo波bo長chang來lai決jue定ding。幸xing運yun的de是shi
，毫hao米mi波bo的de波bo長chang隻zhi有you幾ji個ge毫hao米mi
，所suo以yi毫hao米mi波bo雷lei達da的de天tian線xian可ke以yi做zuo的de很hen小xiao
，同tong時shi還hai可ke以yi使shi用yong多duo根gen天tian線xian來lai構gou成cheng陣zhen列lie天tian線xian，達da到dao窄zhai波bo束shu的de目mu的de。目mu前qian毫hao米mi波bo雷lei達da天tian線xian的de主zhu流liu方fang案an是shi微wei帶dai陣zhen列lie，最zui常chang見jian的de一yi種zhong是shi設she計ji成cheng可ke集ji成cheng在zaiPCB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，低剖麵
，能與載體（如飛行器）共形；（2）低成本
，適合於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範圍內調整，易於得到各種極化；（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(dang)然(ran)，由(you)於(yu)毫(hao)米(mi)波(bo)的(de)波(bo)長(chang)較(jiao)短(duan)
，電(dian)路(lu)極(ji)易(yi)發(fa)射(she)色(se)散(san)和(he)產(chan)生(sheng)高(gao)次(ci)模(mo)，而(er)且(qie)基(ji)板(ban)材(cai)料(liao)的(de)介(jie)電(dian)常(chang)數(shu)和(he)損(sun)耗(hao)隨(sui)頻(pin)率(lv)的(de)增(zeng)加(jia)也(ye)變(bian)化(hua)非(fei)常(chang)明(ming)顯(xian)，為(wei)了(le)確(que)保(bao)電(dian)路(lu)性(xing)能(neng)穩(wen)定(ding)一(yi)致(zhi)
，毫(hao)米(mi)波(bo)雷(lei)達(da)需(xu)要(yao)選(xuan)擇(ze)介(jie)電(dian)常(chang)數(shu)穩(wen)定(ding)、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，負責毫米波信號調製、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，先將微波電路製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則是采用平麵技術
，將所有的微波功能電路用半導體工藝製造在砷化镓（GaAs）、鍺矽（SiGe）或矽（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
、調製器
、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（收發係統）。相比HMIC

，顯然MMIC大大簡化了雷達係統結構，集成度高
、成本低且成品率高
，更適合於大規模生產。

 

圖5 MMIC組成

 

早期的MMIC主要采用化合物半導體工藝，如砷化镓（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

、集成度高的矽基（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基於SiGe BiCMOS技術，SiGe高頻特性良好，材料安全性佳，導熱性好

，而且製程成熟
，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jie收shou器qi和he處chu理li組zu件jian均jun為wei獨du立li單dan元yuan
，這zhe使shi得de其qi設she計ji過guo程cheng十shi分fen複fu雜za，並bing且qie整zheng體ti方fang案an體ti積ji龐pang大da。正zheng如ru文wen章zhang開kai頭tou所suo說shuo，一yi輛liang自zi動dong駕jia駛shi汽qi車che最zui終zhong需xu要yao有you10多個雷達傳感器，如果采用SiGe傳感器，空間上的限製使得其“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，甚至可以與微控製單元（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係統尺寸、功率和成本，還能嵌入更多的功能。

 

雖然CMOSleidamianlinsuduhedipinzaoshengdengwenti，suizheshenyaweimihenamigongyidebuduanfazhan
，guijigongyitezhengchicunbuduanjianxiao，zhachangdesuoduanmibuledianziqianyilvdebuzu，congershidejingtiguandejiezhipinlvhezuidazhendangpinlvbuduantigao
，zheshideCMOS工藝在毫米波雷達應用方麵不斷地取得突破。例如，恩智浦（NXP）和德州儀器（TI）陸續推出了基於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，相比於傳統的24GHz方案
，其外形尺寸縮小33%、功耗減少50%、範圍精度提高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，如英飛淩（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、矽傑微電子等
，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）

 

shuzixinhaochulixitongyeshileidazhongyaodezuchengbufen，tongguoqianrubutongdexinhaochulisuanfa，tiqucongqianduancaijidedaodezhongpinxinhao，huodetedingleixingdemubiaoxinxi。haomiboleidadeshuzichulizhuyaosuanfabaokuo：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，獨特之處在於它能即時處理資料。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）領域中的一種半定製電路而出現的
，既解決了定製電路的不足，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，適用於條件進程


，特別是較複雜的多算法任務。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又能完成複雜的時序邏輯功能。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。由於FPGA芯片在大數據量的底層算法處理上的優勢及DSP芯片在複雜算法處理上的優勢
，融合DSP+FPGA的實時信號處理係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芯片製造商主要有德州儀器（TI）、亞德諾半導體（ADI）
、意法半導體（ST）、英飛淩（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）。

 

控製電路

 

控kong製zhi電dian路lu是shi汽qi車che雷lei達da係xi統tong實shi現xian汽qi車che主zhu動dong安an全quan控kong製zhi執zhi行xing的de最zui後hou一yi環huan，根gen據ju信xin號hao處chu理li器qi獲huo得de的de目mu標biao信xin息xi，結jie合he車che身shen動dong態tai信xin息xi進jin行xing數shu據ju融rong合he，最zui終zhong通tong過guo主zhu處chu理li器qi進jin行xing智zhi能neng處chu理li，對dui車che輛liang前qian方fang出chu現xian的de障zhang礙ai物wu進jin行xing分fen析xi判pan斷duan

，並bing迅xun速su做zuo出chu處chu理li和he發fa出chu指zhi令ling，及ji時shi傳chuan輸shu給gei報bao警jing顯xian示shi係xi統tong和he製zhi動dong執zhi行xing係xi統tong。當dang前qian方fang車che輛liang或huo物wu體ti距ju離li過guo近jin超chao警jing戒jie設she置zhi時shi
，報bao警jing顯xian示shi係xi統tong能neng以yi聲sheng、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。如遇危險時啟動製動係統迅速根據險情對車輛做出包括減速、重刹、停車等主動幹預動作，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
，由於77GHz比24GHz具有更小的波長
，可進一步縮減天線尺寸，更便於安裝部署。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。由於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，市場上同時對於幾種工藝都有需求。

 

對於汽車應用來說，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dao底di是shi集ji成cheng還hai是shi分fen立li，還hai是shi需xu靈ling活huo折zhe中zhong？從cong產chan品pin趨qu勢shi來lai看kan，一yi種zhong是shi傳chuan感gan器qi本ben身shen的de融rong合he或huo高gao度du集ji成cheng，如ru將jiang毫hao米mi波bo雷lei達da前qian端duan與yu攝she像xiang頭tou等deng其qi它ta傳chuan感gan器qi集ji成cheng
；另一種是單芯片係統方案，即“多傳感器+主處理器+數字信號處理器”，weilaidezhengduozhanyejiangweiraozheliangfangmianzhankai，dangranxingjiabishiqianti。zaishichangxuqiucengmian，jixuyaoyouleidaqianduanjichengxinpian
，yixuyaodanxinpianxitongfangan
，yimanzukehudechayihuaxuqiu。

 

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！

 

 

推薦閱讀：