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毫米波雷达爆发的引信来了

随着汽车安全标准、汽车电子化水平以及人们对驾驶安全需求的不断增长,近几年来,具备主动安全技术的ADAS系统呈现快速发展的趋势,这其中需要大量的传感器。据市场研究机构IHS Research 预测,随着ADAS 系统的广泛应用,未来几年汽车雷达传感器市场的年均增长率将高达23%,这其中,毫米波雷达是不二的选择。



应用于汽车上的不同种类雷达


汽车雷达可分为超声波雷达、毫米波雷达、激光雷达等,不同雷达的原理不尽相同,性能特点也各有优势,可用于实现不同的功能。



超声波雷达是利用传感器内的超声波发生器产生 40KHz的超声波,再由接收探头接收经障碍物反射回来的超声波,根据超声波反射接收的时间差计算与障碍物之间的距离。超声波雷达成本较低,但探测距离近,只有几米,因此常用于泊车系统中,且超声波雷达会受限天气条件。


激光雷达具有分辨率高、精度高、抗有源干扰能力强的优势,是军转民的高精度雷达技术。在汽车领域的应用,主要是用于无人驾驶系统,例如谷歌无人车、百度无人车都采用了激光雷达。激光雷达也会受天气影响,在大雪、雾霾时功能会受限,且价格昂贵。

 


毫米波雷达是ADAS系统的主要传感器,毫米波雷达频率范围30GHz-300GHz,波长从1cm到1mm,毫米波雷达探测距离较长,可达200多米,可以对目标进行有无检测、测距、测速以及方位测量。它具有良好的角度分辨能力,可以检测较小的物体。同时,毫米波雷达有极强的穿透率,能够穿过光照、降雨、扬尘、下雾或霜冻来准确探测物体,可以在全黑的环境工作,可全天候工作。


从上面的比较可以看出,相比激光雷达,毫米波雷达仍有着强大的优势,激光的波长远小于毫米波 (nm vs mm),所以雾霾可能导致激光雷达失效。同样的原因,毫米波雷达的探测距离可以轻松超过200米,而激光雷达一般不超过150米,所以对于高速公路跟车场景,毫米波雷达能够做的更好。


另外,最主要的原因是毫米波雷达便宜,作为成熟产品,毫米波雷达目前的价格大概在1.5千左右,而激光雷达的价格目前仍然是以万作为单位计算的。


虽然激光雷达号称无人车的眼睛,近几年也受到了前所未有的追捧,但在目前阶段,ADAS及自动驾驶方案选择的主流仍然是毫米波雷达。


毫米波雷达市场火热


在无人驾驶时代尚未到来之前,最需要广泛普及的是ADAS驾驶员辅助驾驶系统,因此,毫米波雷达将是近几年车载雷达的主流。同时,毫米波雷达的主要器件成本近几年大幅降低,也使得它可以在汽车领域迅速应用起来。


据了解,目前众多车企,例如:大众、奔驰、奥迪、丰田等在其中高端车型上都已配置了毫米波雷达,相信,随着智能驾驶及无人驾驶的发展,毫米波雷达将成为汽车的标配。数据显示,2015年,中国车载毫米波雷达销量为180万颗,平均每12辆车配装1颗,这两年发展速度迅猛,中国市场潜力巨大。

 


据智研咨询发布的《2016-2022年中国毫米波雷达行业市场供需预测及投资战略研究报告》显示,至2020年,预计全球车载毫米波雷达出货量可达7200万颗。按国内ADAS渗透率在2020年达到30%估算,每套ADAS需要4个短距毫米波雷达+1个长距毫米波雷达,则国内出货量可达4500万颗,市场规模将超200亿。


毫米波雷达在汽车中的应用模式


大约上世纪90年代,毫米波雷达就开始应用于汽车领域,当时的应用是汽车自适应巡航(ACC)功能,这主要依赖于毫米波长达200米以上的距离探测功能,其它手段是很难做到的。后来,又陆续发展出了防撞、盲区探测等众多其他功能,但是这个技术门槛一直很高,价格也一直很贵,直到2012年,出现了芯片级别的毫米波射频芯片,技术门槛才降低,成本也降下来了,才为汽车领域的广泛应用打开窗口。

 


目前,在毫米波频段,开放给民用的波段有24GHz\60GHz\77GHz\120GHz,其中,24GHz和77GHz在汽车中都有应用,24GHz开放得最早,目前应用较普遍。24GHz主要面向5-70m的中短距探测,主要应用有BSD\LDW\LKA \LCA\PA等。77GHz主要面向100-250米的中长距探测,例如ACC \ FCW \AEB等。但随着车用雷达系统对精度要求的提升,77GHz将是未来的主流。


单芯片高精度是发展趋势


随着汽车智能化程度及主动安全功能的提升,汽车毫米波雷达的需求向高精度发展,一些高端车型的雷达系统正在从24GHz向77GHz升级。


以ACC自适应巡航为例,所使用的雷达升级换代成77GHz的毫米波雷达后,ACC自适应巡航的工作时速由25km起,比起24GHz雷达系统,识别率是原来的三倍,测速和测距的精准率提高了三至五倍,因而可以更准确快速地监测与前车的距离,在保持距离的情况下随前车的速度进行加减速、刹停和起步。而且因为雷达的特性,即便在有雾、烟、灰尘的干扰等恶劣天气环境下,也能得到精确的探测结果。


 毫米波雷达系统结构图


毫米波雷达系统主要包括天线、收发系统、信号处理系统,收发系统芯片和天线 PCB是毫米波雷达的硬件核心。


其中,收发器芯片普遍使用 SiGe 双极型晶体管等特殊半导体,这些基于硅锗技术的芯片无法实现更高的集成,因此,一个雷达系统往往需要多个芯片加外围器件构成。虽然基于SiGe技术的77GHz汽车雷达系统可以很好地满足汽车需求,但它们体积过大、过于笨重,占用了大量电路板空间,同时价格也比较昂贵。


随着半导体技术的进步,被广泛用于数字电路且成本相对较低的 CMOS,也可被用于毫米波电路。CMOS 与传统 SiGe 双极型晶体管相比,由于在低电压条件下也可运行,因此可降低耗电量。虽然 CMOS 存在低频区噪声偏大的问题,但两者在毫米波区域(76-81GHz)具有大致同等的性能,对于77-79GHz车载毫米波雷达应用, CMOS 低频区噪声大的问题并不太突出。同时,全球CMOS 产业链已十分成熟,可大批量生产,基于CMOS技术实现毫米波雷达关键器件,可使整个雷达系统的成本显著下降。


因此,基于CMOS技术、高集成、单芯片毫米波雷达方案受到行业热捧,多家厂商推出了相关产品。


据报道,Fujitsu 研究所推出了采用 CMOS 工艺的 4 通道接收芯片。Fujitsu 研发的此款产品不仅与现行 SiGe 产品具有同等的高频功能,还成功解决了低频区噪声问题。而新的 CMOS 芯片比传统的 SiGe 芯片降低了一半左右的电耗,还可以实现量产和低成本化。Fujitsu 预计 2018 年左右,该产品可以实现量产化,采用该技术的毫米波雷达的成本也有望大幅降低。

 

TI公司推出的基于CMOS实现的单芯片毫米波传感器


前不久,德州仪器(TI)宣布推出了76至81GHz单芯片毫米波雷达传感器。该产品充分利用了CMOS技术优势,并将MCU和DSP以及智能雷达前端集成在内,尽可能降低雷达系统尺寸、功率、外形尺寸和成本,从而进一步助推实现车辆内多个雷达系统的安装。TI的产品已经量产,同时可以提供给用户配套的开发板及参考设计。


恩智浦也宣布推出了号称外形最小(7.5×7.5mm)的单芯片77GHz高分辨率RF CMOS IC 雷达芯片。据恩智浦介绍,这款车用雷达芯片的超小尺寸使其可以近乎隐形地安装在汽车的任意位置,且其功耗比基于硅锗技术的传统雷达芯片产品低40%,为汽车传感器的设计安装提供了极大便利。据透露,目前恩智浦已经将该产品的工作原型交付部分关键汽车厂商,来自谷歌的工程师们已开始在其无人驾驶汽车项目中对该款芯片进行测试。


汽车雷达芯片供应商英飞凌也在与IMEC合作共同开发高集成度79GHz频段CMOS传感芯片,据说,完整的雷达系统模组将于年内展示。


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