0 前言

自汽車誕生之日起，駕駛安全問(wèn)題就一直困擾著人類。車載微波雷達(dá)技術(shù)作為減少交通事故的有效手段，發(fā)展已經(jīng)有30多年的歷史。近年來(lái)，伴隨著毫米波雷達(dá)射頻器件片上集成技術(shù)的發(fā)展，使得車載雷達(dá)體積減小，價(jià)格低廉，性能大幅提升。毫米波雷達(dá)相比其他傳感器具有探測(cè)距離遠(yuǎn)，分辨率高、反應(yīng)快、受惡劣天氣影響小的特點(diǎn)，成為各主機(jī)廠研發(fā)高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS）和自動(dòng)駕駛技術(shù)的必選傳感器。

實(shí)際早在90年代初，美國(guó)就開(kāi)始在校車和長(zhǎng)途巴士上安裝24 GHz頻段的毫米波雷達(dá)系統(tǒng)。它們能夠提供諸如前向碰撞報(bào)警FCW和防撞制動(dòng)CA等被動(dòng)或主動(dòng)的安全功能，且事實(shí)上對(duì)降低追尾事故和減少傷亡表現(xiàn)出顯著的效果。而后，歐美各大車廠開(kāi)始研發(fā)通過(guò)毫米波雷達(dá)實(shí)現(xiàn)基于安全和舒適駕駛目的ACC（Adaptive Cruise Control）自適應(yīng)巡航功能。從1995年開(kāi)始西方主要車企業(yè)陸續(xù)在其高端轎車上安裝ACC系統(tǒng)。1999年梅賽德斯率先在其S級(jí)轎車上安裝了77 GHz ACC雷達(dá)。接下來(lái)其他車廠相繼跟進(jìn)，如寶馬7系、捷豹、奧迪A8和大眾的輝騰等系列也安裝了用以實(shí)現(xiàn)ACC功能的77 GHz毫米波雷達(dá)。至此汽車的ADAS時(shí)代正式拉開(kāi)序幕。

隨著AI技術(shù)的興起，近年來(lái)ADAS功能逐步趨向于自動(dòng)駕駛場(chǎng)景。此時(shí)自動(dòng)駕駛汽車對(duì)環(huán)境感知能力的要求也進(jìn)一步提高，多種類型的空間探測(cè)傳感器被引入系統(tǒng)。基于機(jī)器視覺(jué)算法的攝像頭和高精度點(diǎn)云成像的激光雷達(dá)成為和毫米波雷比肩的同行者。但在面對(duì)復(fù)雜的交通環(huán)境、天氣及晝夜的變化，毫米波雷達(dá)表現(xiàn)卓越的性能更加搶眼、使之成為當(dāng)前自動(dòng)駕駛技術(shù)方案的標(biāo)配。

本文基于毫米雷達(dá)技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)比目前主流芯片廠商的集成方式，以及雷達(dá)模組廠商的主要產(chǎn)品，給出毫米波雷達(dá)選擇準(zhǔn)則和配置規(guī)律。

本文主要包括3部分內(nèi)容，第一節(jié)介紹毫米波雷達(dá)的工作原理和前端電路結(jié)構(gòu)。第二節(jié)介紹76～81 GHz毫米波雷達(dá)在ADAS功能和AD自動(dòng)駕駛中的角色和功能，重點(diǎn)介紹相較激光雷達(dá)和攝像頭兩種技術(shù)方案毫米波雷達(dá)的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。第三節(jié)重點(diǎn)介紹和對(duì)比主要雷達(dá)前端半導(dǎo)體廠商的77 GHz雷達(dá)方案和特點(diǎn)，為汽車?yán)走_(dá)研發(fā)人員提供方案選型依據(jù)。

1 車載毫米波雷達(dá)工作原理

1.1 毫米波雷達(dá)可測(cè)量物理量

作為ADAS或AD自動(dòng)駕駛汽車空間感知系統(tǒng)的重要組件，毫米波雷達(dá)可為主機(jī)車輛提供多種高精度的路面空間信息，如目標(biāo)車輛的距離、方位角和相對(duì)速度等。這些信息對(duì)車輛主動(dòng)控速、避讓其他車輛，甚至執(zhí)行緊急安全措施都具有非常重大的意義。

圖1 前向毫米波雷達(dá)測(cè)量應(yīng)用示意

圖1 為例，展示了車載雷達(dá)的3個(gè)主要的測(cè)量能力，即與目標(biāo)車輛（物體）的距離、方位角和相對(duì)徑向速度。而對(duì)于高分辨率雷達(dá)還具有一定物體特征的檢測(cè)能力，從而判斷目標(biāo)的性質(zhì)，比如轎車、卡車、行人、路燈桿、冰面路等。

從原理上說(shuō)，傳統(tǒng)的脈沖雷達(dá)是通過(guò)測(cè)量發(fā)射波和反射波之間的傳輸延時(shí)求得與目標(biāo)物體的距離參數(shù)；通過(guò)水平旋轉(zhuǎn)雷達(dá)天線的發(fā)射面實(shí)現(xiàn)機(jī)械掃描來(lái)獲取目標(biāo)的方位角度；對(duì)于被測(cè)目標(biāo)的速度，則必須采用發(fā)射連續(xù)波，經(jīng)過(guò)測(cè)量反射波的多普勒頻移并計(jì)算獲得。可以看出，單一測(cè)量目的的雷達(dá)原理并不復(fù)雜，但是如何將它們集成到一具雷達(dá)組件上，并且具有的小型化、輕量化、低功耗和耐震動(dòng)的特點(diǎn)就是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)了。這也成為各大廠商摒棄機(jī)械雷達(dá)，不約而同的選擇固態(tài)毫米波雷達(dá)的主要原因。

首先，毫米波波長(zhǎng)短，收發(fā)天線尺寸小，組件裝置就可以做的很?。黄浯?，伴隨著射頻技術(shù)的發(fā)展，毫米波半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)比較成熟，雷達(dá)前端電子器件集成度很高，雷達(dá)模組重量輕，抗震性能理想。而且隨著雷達(dá)芯片的大規(guī)模量產(chǎn)，組件成本低，可以在車身上安裝多組、級(jí)聯(lián)和拼接后實(shí)現(xiàn)360°環(huán)視，這樣就無(wú)需復(fù)雜而精密的機(jī)械掃描構(gòu)造；而且從信號(hào)處理的角度，毫米波雷達(dá)采用的特殊調(diào)制方式，可以在極短時(shí)間內(nèi)完成距離和角度的雙重測(cè)量，效率非常高。而且通過(guò)反射波的微多普勒特征，通過(guò)算法可以判斷目標(biāo)物體屬性，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別。而這種“特殊的調(diào)制方式”就是下面介紹的FMCW調(diào)頻連續(xù)波。

1.2 FMCW調(diào)頻連續(xù)波

FMCW“調(diào)頻連續(xù)波”從字面上就可以理解此信號(hào)的特點(diǎn)：它是一種調(diào)頻信號(hào)，且波形連續(xù)非離散。這就與前文提到的離散脈沖雷達(dá)完全不同。如圖2的下側(cè)波形就是調(diào)制后的FMCW雷達(dá)發(fā)射信號(hào)。它是通過(guò)圖2上端的Tx三角波來(lái)調(diào)制VCO壓控振蕩器，使其輸出形成周期內(nèi)頻率單調(diào)增加或減小的FMCW信號(hào)。

下面介紹FMCW的基本原理。

圖2 FMCW信號(hào)聯(lián)合測(cè)量法

如圖3發(fā)射波Tx到達(dá)被測(cè)物體后部分反射波Rx回到雷達(dá)的接收天線。如果能獲得Tx到Rx的延遲時(shí)間T，便可通過(guò)光速算出電磁波的往返路程，除2即可得出與被測(cè)物體之間的距離R。

式1中C為光速，fB為收發(fā)信號(hào)的頻率差，fH為發(fā)射信號(hào)的最大頻率，Tc為到達(dá)最大頻率的周期。

但是對(duì)車輛這樣的移動(dòng)目標(biāo)，問(wèn)題就變得復(fù)雜一些。因?yàn)檐囕v之間有相對(duì)速度Vr，反射波存在多普勒頻移 fD，公式1無(wú)法求解。此時(shí)將有兩個(gè)未知數(shù)R和Vr出現(xiàn)，需要通過(guò)二次測(cè)量建立方程組進(jìn)行計(jì)算。分別在發(fā)射信號(hào)頻率的上升和下降階段進(jìn)行兩次測(cè)量，得到 fB1和 fB2兩個(gè)頻差。

圖3 FMCW雷達(dá)信號(hào)測(cè)距原理

其方程如下：

通過(guò)求解方程可快速獲得Vr和R兩個(gè)目標(biāo)參數(shù)。但是三角波FMCW也存在缺陷，在多目標(biāo)檢測(cè)時(shí)，會(huì)有多個(gè)反射波出現(xiàn)，同時(shí)測(cè)得多個(gè) fB頻差和產(chǎn)生多個(gè)解。其中就存在假目標(biāo)，就是所謂的鬼影。此問(wèn)題需要進(jìn)行多次測(cè)量才能消除，雷達(dá)系統(tǒng)的效率被一定程度的降低。

三角波FMCW的優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)測(cè)量目標(biāo)的距離和徑向速度，但局限是在多目標(biāo)測(cè)試中容易出現(xiàn)混疊或者鬼影，而且測(cè)量刷新率低，受限于2Tc，通常為幾十毫秒。

1.3 啁啾Chirp序列雷達(dá)

相對(duì)于測(cè)量周期有幾十毫秒的三角波FMCW雷達(dá)，近年來(lái)一種啁啾Chirp毫米波雷達(dá)被研制出來(lái)。如圖4，它采用一種超快速的三角波序列作為調(diào)制信號(hào)，每個(gè)Chirp序列是由n個(gè)三角波組成的鋸齒波。其單個(gè)Chirp信號(hào)的周期非常短，而整個(gè)序列的周期為TCPI=N·TChirp。因?yàn)閱蝹€(gè)Chirp信號(hào)的多普勒頻移也非常小，可以忽略不計(jì)。一個(gè)周期Chirp信號(hào)就可以來(lái)測(cè)頻差，而算出目標(biāo)物體的距離。同時(shí)徑向速度Vr取決于Chirp序列收發(fā)信號(hào)的相位比較。

圖4 Chirp序列信號(hào)

一般情況下Chirp序列的N在100～1 000之間，單個(gè)Chirp信號(hào) TChirp＜10 μs。

式（5）的約等號(hào)就是表示忽略單個(gè)Chirp信號(hào)的多普勒相移求解距離R的方法。而徑向速度Vr是通過(guò)對(duì)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)和反射信號(hào)的Chirp序列之間的相位比較，這些需要通過(guò)之后的數(shù)字處理執(zhí)行FFT離散傅里葉變換計(jì)算。

（1）同時(shí)測(cè)量目標(biāo)距離R和徑向速度Vr

（2）R和Vr測(cè)量時(shí)具有目標(biāo)分辨率

（3）測(cè)量精度高

（4）測(cè)量時(shí)間短

（5）假目標(biāo)識(shí)別能力強(qiáng)

雖然看起來(lái)Chirp序列雷達(dá)系統(tǒng)復(fù)雜度較三角波FMCW要高很多，但是其復(fù)雜性主要集中在波形發(fā)生和數(shù)字處理部分。而當(dāng)前采用RFCMOS和BiCMOS工藝的高集成度的數(shù)?；旌螴C，執(zhí)行算法的數(shù)字處理器被集成進(jìn)雷達(dá)芯片組，計(jì)算能力本身早已不是問(wèn)題。

1.4 車載雷達(dá)收發(fā)器結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的脈沖雷達(dá)是通過(guò)測(cè)量收發(fā)信號(hào)的脈沖時(shí)間差來(lái)算出與目標(biāo)距離。但是三角FMCW或Chirp雷達(dá)卻是要測(cè)量發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)之間的頻率差，這就需要在雷達(dá)收發(fā)器中加入一個(gè)混頻器，將收發(fā)信號(hào)進(jìn)行混頻得到頻率差（也可稱為IF中頻信號(hào)）。毫米波雷達(dá)組件是如何實(shí)現(xiàn)它的功能的呢？下邊需要介紹一下雷達(dá)的電路結(jié)構(gòu)。

圖5 毫米波雷達(dá)原理

如圖5展示了基本的毫米波雷達(dá)原理框圖。三角波發(fā)生器通過(guò)控制鎖相環(huán)PLL內(nèi)的VOC壓控振蕩器產(chǎn)生一個(gè)周期性的調(diào)頻信號(hào)。經(jīng)過(guò)n倍頻器將其變換到76 GHz～81 GHz的發(fā)射頻率。經(jīng)過(guò)PA放大，由Tx天線將雷達(dá)波束發(fā)射出去照射目標(biāo)物體。雷達(dá)波經(jīng)物體反射回到Rx天線。微弱的反射信號(hào)再經(jīng)過(guò)LNA低噪聲放大器再與Tx信號(hào)進(jìn)行混頻，從而得到IF差頻信號(hào)fB。以上在整個(gè)毫米波雷達(dá)系統(tǒng)中被稱為“射頻前端”（RF FE）。而后模擬的IF信號(hào)通過(guò)“數(shù)字前端”的ADC電路進(jìn)行采樣和量化轉(zhuǎn)換數(shù)字基帶信號(hào)。接下來(lái)的數(shù)字型號(hào)通過(guò)總線接口傳輸給執(zhí)行FFT運(yùn)算的數(shù)字信號(hào)處理器DSP，最終計(jì)算獲得目標(biāo)物體的距離、方位和速度等信息。

以 LMP1、COX-2、VEGF 和 IL-8 為自變量，以轉(zhuǎn)移為因變量，對(duì)其相關(guān)性進(jìn)行分析，結(jié)果顯示VEGF和IL-8的表達(dá)水平與鼻咽癌的遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移呈正相關(guān)（P＜0.05），LMP1的表達(dá)水平與鼻咽癌的轉(zhuǎn)移呈負(fù)相關(guān)（P＜0.01），見(jiàn)表 4。

從電路結(jié)構(gòu)來(lái)看，在數(shù)字處理之前是被稱為“雷達(dá)收發(fā)器”的部分，也是各車載雷達(dá)芯片公司主要的戰(zhàn)場(chǎng)。而之所以將車載毫米波雷達(dá)系統(tǒng)劃分成射頻前端、數(shù)字前端和數(shù)字處理這三部分，主要是因?yàn)楦骼走_(dá)半導(dǎo)體廠商通過(guò)對(duì)這三部分電路的集成和分割來(lái)體現(xiàn)各自在半導(dǎo)體工藝、雷達(dá)性能和集成度方面的差異化和優(yōu)勢(shì)化。這方面的討論將在本文在第三節(jié)進(jìn)行詳述。

以上第一節(jié)作為基礎(chǔ)，介紹了毫米波雷達(dá)的測(cè)距測(cè)速的原理以及基本電路結(jié)構(gòu)。之后的兩章是本文的重點(diǎn)，主要聚焦在當(dāng)前毫米波雷達(dá)在ADAS和自動(dòng)駕駛上的應(yīng)用，以及具體芯片廠商的方案特點(diǎn)和差異。

2 最新車載毫米波雷達(dá)的分類和應(yīng)用

2.1 ADAS/AD對(duì)車載雷達(dá)的需求

雷達(dá)自發(fā)明以來(lái)一直是搜索和跟蹤的利器，伴隨著雷達(dá)的應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，它們已經(jīng)不限于軍事和科研目的，更成為民用空間感知技術(shù)的重要組成部分，特別是在自動(dòng)駕駛或機(jī)器人這種對(duì)空間地圖重建強(qiáng)需求的領(lǐng)域。從市場(chǎng)角度，恰逢百年汽車行業(yè)的變革，全球汽車工業(yè)朝著電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化的方向發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)具有ADAS功能的汽車需求增加，也帶來(lái)了車載雷達(dá)需求總量的激增。這期間各大IC廠商紛紛進(jìn)入，與汽車部件供應(yīng)商和車廠一起建立了一套完整的車載雷達(dá)技術(shù)與供給產(chǎn)業(yè)鏈。同時(shí)單車?yán)走_(dá)的數(shù)量、性能和安裝位置也已經(jīng)與具體的ADAS任務(wù)之間產(chǎn)生了特定關(guān)系。

表1 ADAS-AD車身探測(cè)雷達(dá)/傳感器數(shù)量

從雷達(dá)裝備數(shù)量來(lái)看，表1展示了NXP恩智浦半導(dǎo)體公司預(yù)估自動(dòng)駕駛Level 1～Level 5各級(jí)車載雷達(dá)及其他傳感器數(shù)量需求。ADAS至自動(dòng)駕駛Level 1～Level 5級(jí)的進(jìn)階是汽車駕駛朝著自動(dòng)化和智能化升級(jí)的過(guò)程，它同時(shí)伴隨著車身雷達(dá)Radar和攝像頭Camera數(shù)量的增加。可以看出毫米波雷達(dá)和攝像頭的數(shù)量遠(yuǎn)大于同程度的激光雷達(dá)LiDAR。這不只是原理和用途上的差異，更是成本的考量。可以說(shuō)未來(lái)車載毫米波雷達(dá)使用的普遍性、總裝數(shù)量和市場(chǎng)都會(huì)非常的龐大。

2.2 車載雷達(dá)及傳感器種類

毫米波雷達(dá)是通過(guò)電磁波束對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)的，因?yàn)榘l(fā)射功率與探測(cè)距離，天線排布與探測(cè)角度之間制約關(guān)系，很難讓一具雷達(dá)同時(shí)具備大角度和遠(yuǎn)距離的性能。所以毫米波雷達(dá)根據(jù)不同的探測(cè)需要被分為遠(yuǎn)距LRR、中距MRR和近距SRR 3個(gè)類型，如表2所示。

表2 各種車載探測(cè)傳感器的作用距離和視場(chǎng)角度

作為ACC自適應(yīng)巡航功能的前視雷達(dá)采用LRR，它要看的足夠遠(yuǎn)以保證車輛在高速行駛過(guò)程中有足夠的減速時(shí)間和制動(dòng)距離，但LRR的波束集中限制了它的視場(chǎng)角。而MRR中距雷達(dá)主要支持如LCA變道輔助等功能。它可以提前檢測(cè)目標(biāo)車道的路面情況，確定其他車輛的位置和速度，車載計(jì)算機(jī)通過(guò)計(jì)算就可以制定變道時(shí)機(jī)、切入角度和速度等行駛動(dòng)作策略。SSR則和當(dāng)前很多車輛的超聲波雷達(dá)的功能有一定重合，主要支持車身環(huán)視、自動(dòng)泊車和障礙物檢測(cè)功能。同時(shí)較Ultrasonic超聲波雷達(dá)，SRR其探測(cè)范圍更大，可以精確定位車身周圍行人或障礙物的位置。

除了上述提到的從功能上劃分，當(dāng)前車載毫米波雷達(dá)還可以從波段和帶寬上劃分（表3）。

表3 毫米波雷達(dá)頻點(diǎn)和帶寬分類

備注：由于歐洲24G頻段占用衛(wèi)星/航天服務(wù)共享頻段，車載24G雷達(dá)頻段將于2022年取消

車載毫米波雷達(dá)中心頻率從24G提高到77G除了考慮各國(guó)頻段資源分配的法規(guī)，更重要的是77G可以承載的更高的工作帶寬，從而提供更高分辨率和目標(biāo)檢測(cè)能力。比如，77G雷達(dá)在1G的帶寬時(shí)，在前方250 m的范圍內(nèi)分辨行人和車輛，這對(duì)車輛駕駛決策具有非常重要的意義。

2.3 車載毫米波雷達(dá)在ADAS上對(duì)應(yīng)的具體功能

當(dāng)前帶有高級(jí)輔助駕駛功能的汽車，會(huì)根據(jù)其支持的項(xiàng)目來(lái)部署車載雷達(dá)和其他傳感器(表4)。

表4 各種車載車身傳感器對(duì)應(yīng)ADAS功能

表4總結(jié)了當(dāng)前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的L3級(jí)ADAS的主要功能。其中9項(xiàng)需采用毫米波雷達(dá)的支持?？梢哉f(shuō)毫米波雷達(dá)是未來(lái)高級(jí)輔助駕駛和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的“標(biāo)配”。毫米波雷達(dá)在全天候條件下，測(cè)量效率和系統(tǒng)成本優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)高于激光雷達(dá)和攝像頭。但其在交通標(biāo)志、標(biāo)線和物體識(shí)別方面的缺陷，則要由攝像頭傳感器來(lái)支撐。

圖6 車身雷達(dá)探測(cè)和作用范圍

如圖6所示，當(dāng)前車載毫米波雷達(dá)Radar都是固態(tài)的，安裝在車身的固定位置，并探測(cè)車外相應(yīng)區(qū)域，如前視MRR中距雷達(dá)、后視MRR中距雷達(dá)和近距SRR環(huán)視雷達(dá)。攝像頭也同樣采用固定職位安裝，并監(jiān)視相應(yīng)的區(qū)域。而當(dāng)前比較成熟激光雷達(dá)基本采用機(jī)械掃描方式，一般安裝在車頂以此實(shí)現(xiàn)360°掃描。

2.4 毫米波雷達(dá)和其他傳感器的比較

從目標(biāo)探測(cè)和跟蹤范圍來(lái)看，毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、攝像頭和超聲波雷達(dá)不論從性能還是應(yīng)用上都互有重疊，但卻無(wú)法相互取代，這與它們各自的性能和適應(yīng)環(huán)境有著密切的關(guān)系。本文通過(guò)適用環(huán)境、功能應(yīng)用和成本因素3個(gè)方面對(duì)毫米波雷達(dá)和其他傳感器做以比較。

（1）適用環(huán)境（毫米波PK攝像頭）

毫米波雷達(dá)的全天候能力是攝像頭無(wú)法取代的。特別是在夜間和雨霧雪等天氣，對(duì)毫米波雷達(dá)測(cè)量性能影響很小，而對(duì)攝像頭和激光雷達(dá)的影響會(huì)非常大。但是，毫米波雷達(dá)完全沒(méi)有視覺(jué)識(shí)別能力，無(wú)法完成類似標(biāo)志標(biāo)線的提取和識(shí)別，這樣就無(wú)法單獨(dú)完成例如車道保持和變道等的ADAS應(yīng)用。

（2）功能應(yīng)用（毫米波PK攝像頭）

ADAS的各種功能都是基于安全的智能應(yīng)用，車輛和行人的安全是前提保證。毫米波雷達(dá)探測(cè)距離遠(yuǎn)且可以直接快速獲取目標(biāo)的距離速度信息，系統(tǒng)響應(yīng)快速而且可靠，非常適用于各種安全報(bào)警和事故預(yù)防的ADAS功能。而攝像頭在獲取圖像后，需要通過(guò)車載計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行感知運(yùn)算，需要處理時(shí)間響應(yīng)且延遲較大。所以，如ACC自適應(yīng)巡航、EBA緊急剎車輔助和RCW追尾報(bào)警燈都首選毫米波雷達(dá)實(shí)現(xiàn)。

（3）成本因素（毫米波PK激光雷達(dá)）

激光雷達(dá)具備探測(cè)精度高（毫米級(jí)）和距離大的優(yōu)勢(shì)，且可生成點(diǎn)云圖像，擁有高分辨率和一定的物體識(shí)別能力。但是相對(duì)于高性能就是它的高價(jià)格。從商業(yè)化量產(chǎn)的角度，激光雷達(dá)并不是適于對(duì)成本敏感的居民出行車輛的大規(guī)模裝備。

本章是從功能應(yīng)用的角度，介紹了最新的ADAS技術(shù)對(duì)車載雷達(dá)特別是毫米波雷達(dá)的需求。同時(shí)細(xì)分了車載毫米波雷達(dá)的種類和對(duì)應(yīng)具體功能。最后通過(guò)對(duì)比其他兩種空間傳感器，突出了毫米波雷達(dá)在環(huán)境適應(yīng)能力、技術(shù)特點(diǎn)和成本上的優(yōu)勢(shì)?？梢哉f(shuō)，未來(lái)整個(gè)自動(dòng)駕駛市場(chǎng)對(duì)毫米波雷達(dá)充滿了期待。那么各個(gè)毫米波雷達(dá)部件供應(yīng)商，特別處于核心技術(shù)的雷達(dá)收發(fā)器IC廠商都在做什么？它們的產(chǎn)品技術(shù)特點(diǎn)是怎樣的？將在第三節(jié)詳解。

3 77G毫米波雷達(dá)方案

3.1 典型ADAS/AD駕駛雷達(dá)方案

為了更好的了解最新毫米波雷達(dá)的硬件方案，我們先關(guān)注一下前沿的ADAS/自動(dòng)駕駛感知系統(tǒng)的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖7 ADAS/自動(dòng)駕駛空間傳感器系統(tǒng)

如圖7展示，首先明確的將固態(tài)激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和攝像頭傳感器分成獨(dú)立的3個(gè)域，每個(gè)域有一個(gè)單獨(dú)的域控制器（Sensor Domain Processor）。而一個(gè)域控制器下掛多個(gè)同類的傳感器或雷達(dá)。比如，毫米波雷達(dá)域就有2組共6具雷達(dá)收發(fā)器。要說(shuō)明的是最新的車載毫米波雷達(dá)支持級(jí)聯(lián)技術(shù)，它通過(guò)將多個(gè)收發(fā)器串聯(lián)在一起，增加某一方向上收發(fā)天線數(shù)量，通過(guò)域控制器的同步使這個(gè)方向的雷達(dá)具有更大的視場(chǎng)角度和探測(cè)能力。如圖7中，6個(gè)SRR/MRR中短毫米波雷達(dá)就是3個(gè)一組的級(jí)聯(lián)方式，2組分別負(fù)責(zé)不同的探測(cè)方向。同時(shí)LRR遠(yuǎn)距毫米波雷達(dá)被獨(dú)立出來(lái)，因?yàn)榍翱蠢走_(dá)采用寬帶高分辨率窄波束模式，專門負(fù)責(zé)ACC和AEB等高安全級(jí)別功能。其數(shù)據(jù)接口要滿足大帶寬和低延時(shí)要求，因此直接鏈接融合控制器，而不經(jīng)由域控制器的分支。

當(dāng)然，這種以控制融合單元（Control Fusion Unite）為中心的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以拓展多個(gè)域控制器，結(jié)構(gòu)非常靈活。不同類型的雷達(dá)或傳感器獲取的空間數(shù)據(jù)在這個(gè)單元中進(jìn)行融合計(jì)算，最終建立起一個(gè)三維空間地圖，實(shí)現(xiàn)如安全預(yù)警、變道、環(huán)視和自動(dòng)泊車等ADAS功能。

3.2 77/79G雷達(dá)系統(tǒng)方案

如1.4節(jié)所展示的，一個(gè)完整車載毫米波雷達(dá)收發(fā)器模塊，包括射頻前端（含天線）、數(shù)字前端、數(shù)字處理DSP以及電源這4個(gè)部分。毫米波雷達(dá)作為整車前裝部件，且單車裝備數(shù)量多，所以整車廠對(duì)其成本非常敏感。早期的毫米波雷達(dá)方案，由于受到射頻半導(dǎo)體工藝的限制，其電路主要由分離器件搭建，性能和質(zhì)量并不穩(wěn)定，成本也下不來(lái)。但隨著MMIC微波芯片技術(shù)和制造工藝的提高，不同的半導(dǎo)體公司都提出各自特點(diǎn)的集成方案。

表5 歐美主要雷達(dá)芯片廠最新方案

如歐洲的英飛凌（Infineon）其車載雷達(dá)方案發(fā)展的較早，他們最早采用離散器件電路，后逐步集成形成今天基于BiCMOS工藝收發(fā)器+數(shù)字DSP的套片方案。歐洲的另外一個(gè)廠商恩智浦（NXP）2017年開(kāi)始從BiCMOS轉(zhuǎn)向集成度更高的RFCMOS收發(fā)器+數(shù)字DSP的方案。而大洋彼岸的美國(guó)德州儀器（TI）則從一開(kāi)始就采用RFCOMS技術(shù)制造集成數(shù)字處理后端的單芯片方案。這里可以看出從工藝角度有BiCMOS vs RFCMOS兩大流派；從結(jié)構(gòu)上有“套片方案”vs“單芯片方案”2種方案。下面就從成本和優(yōu)缺點(diǎn)來(lái)分析這3種典型毫米波雷達(dá)IC方案。

3.2.1 BiCMOS vs RFCMOS

BiCMOS主要為SiGe（硅鍺）工藝，BiCOMS是當(dāng)前MMIC領(lǐng)域一種比較成熟的模擬制程。它是將雙極型BJT晶體管和0.5 μm的CMOS技術(shù)結(jié)合在一起，讓芯片既擁有硅工藝一定的集成度、較高的優(yōu)良品率和較低的成本，又具備第3到第5類半導(dǎo)體在高截止頻率、高功率、高線性度、低噪聲等優(yōu)良射頻性能。BiCMOS非常適合制造毫米波雷達(dá)射頻收發(fā)器IC。而采用RFCMOS工藝的優(yōu)勢(shì)是可以將射頻前端，運(yùn)算處理與存儲(chǔ)器等數(shù)字組件制作在一塊晶片上。這就意味著可以將雷達(dá)系統(tǒng)的模擬前端、數(shù)字前端和數(shù)字處理這3部分完全集成在一顆芯片里，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的單芯片化和低成本目標(biāo)。

但是由于將系統(tǒng)的模擬模塊和數(shù)字模塊集成在一起，引入的開(kāi)關(guān)噪聲和RFCMOS自身的高噪聲問(wèn)題與改善性能所需增加的成本等問(wèn)題，成為擺在RFCMOS雷達(dá)芯片面前的突出障礙。從另一個(gè)角度也正是因?yàn)殚L(zhǎng)期的積累和采用BiCMOS工藝，確立了英飛凌在LRR遠(yuǎn)距離毫米波雷達(dá)上的優(yōu)勢(shì)，包括兼?zhèn)涮綔y(cè)距離遠(yuǎn)和接收靈敏度高等特點(diǎn)。但是正如圖7所示，LRR在ADAS系統(tǒng)上的需求有限，而環(huán)視和角雷達(dá)等SRR和MRR中近距離的毫米波雷達(dá)需求數(shù)量很大，而RFCOMS的高集成度和高優(yōu)良品率帶來(lái)的成本優(yōu)勢(shì)將會(huì)在未來(lái)逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，所以恩智浦近年來(lái)改變BiCOMS路線，開(kāi)始全面推廣RFCOMS工藝的中近距離雷達(dá)方案。但是NXP不同于TI方案，沒(méi)有直接一步邁入射頻前端和數(shù)字后端集成在一起的單芯片方案，而是RFCOMS的收發(fā)器和數(shù)字處理分制在兩個(gè)芯片上，這樣既可以有效的隔離數(shù)字后端的噪聲，保證雷達(dá)的靈敏度，防止假目標(biāo)出現(xiàn)，又可以一定程度降低成本，創(chuàng)造一些價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

總結(jié)來(lái)看BiCOMS的車載毫米波雷達(dá)在探測(cè)距離和接收靈敏度上較RFCOMS雷達(dá)優(yōu)勢(shì)明顯，但是RFCOMS雷達(dá)成本低，在布置總量更大的中近距離雷達(dá)市場(chǎng)更有優(yōu)勢(shì)。

3.2.2 英飛凌RXS8160PL方案

Infineon英飛凌方案采用3發(fā)4收天線陣列和BiCMOS制程（圖8）。

當(dāng)前，英飛凌最新的77G車載雷達(dá)方案包括收發(fā)器前端（RF FE）RXS8160PL、第二代AURIX多核內(nèi)嵌DSP的專用MCU以及TLF30684電源管理芯片PMIC的套片方案。

英飛凌在上一代離散的模擬前端的基礎(chǔ)上，將VCO、發(fā)射通道、接收通道和ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換器集成在一顆BiCMOS制成的MMIC上。而后級(jí)的MCU主要是執(zhí)行雷達(dá)的FFT快速傅里葉變換來(lái)獲得頻差和多普勒頻移等信息，通過(guò)計(jì)算獲取目標(biāo)物體的空間數(shù)據(jù)。

圖8 英飛凌Infineon RXS8160PL+TC3xx套片方案

因?yàn)槭瞻l(fā)器中的中頻電路對(duì)電源數(shù)字噪聲就非常敏感，如果不能很好的隔離，在FFT后會(huì)出現(xiàn)虛假目標(biāo)。為了保證目標(biāo)識(shí)別的穩(wěn)定，采用一顆PMIC芯片將整車的12 V轉(zhuǎn)換為多路相互獨(dú)立的電源輸出，有效保證模擬電源對(duì)數(shù)字噪聲的隔離。

3.2.3 恩智浦TEF810E方案

NXP的Dolphin 77/81G車載雷達(dá)方案也采用3發(fā)4收的天線陣列和Infineon相同模擬數(shù)字分離的套片方案。但是NXP的收發(fā)前端采用的是RFCOMS工藝。之前文章提到過(guò)RFCMOS的優(yōu)勢(shì)在于數(shù)?；旌霞?，可以將DSP集成和模擬前端集成在一起。但是NXP依然采用模數(shù)分離的套片方案，除了上節(jié)提到靈敏度和假目標(biāo)的原因，還有是從功耗和方面的考慮。BiCMOS的晶體管電路需要偏執(zhí)電壓保證靜態(tài)工作點(diǎn)和放大電路的線性度，所以前端電壓不能做到很低。而RFCMOS的前端電路中VCO、LNA、PA、混頻器和分頻器的電源電壓可以做到1.1 V左右，這樣最極大限度的降低收發(fā)器電路的功耗。如圖9，TEF810供電可低至1.1 V，而SiGe的BiCMOS最低只能做到2.5 V（Infineon方案為3.3 V）。從2017年開(kāi)始NXP的TEF810x采用RFCMOS方案，替換BiCMOS的MR2001分離套片方案。其中一個(gè)目的就是降低系統(tǒng)功耗，使其更適合車載能耗需求，特別是在電力消耗更為苛刻的新能源汽車上。

圖9 NXP恩智浦TEF810E+RaceRunner套片方案

（注：MR2001方案是NXP 2016年對(duì)出的76～77G車載雷達(dá)方案，其射頻前端有發(fā)射器Tx，接收器Rx和壓控震蕩器VOC三個(gè)獨(dú)立的IC組成的套片方案）

3.2.4 德州儀器AWR1443單芯片方案

德州儀器作為專注數(shù)?；旌掀骷拿绹?guó)半導(dǎo)體公司，其進(jìn)入車載毫米波雷達(dá)領(lǐng)域時(shí)間較晚。但是多年在RFCMOS上的積累，讓它一開(kāi)始就著眼于低成本低功耗的單芯片方案上。TI的AWR1443（圖10）將內(nèi)部電路分為RF/Analog系統(tǒng)、數(shù)字前端和Master主控器子系統(tǒng)3部分，這是對(duì)應(yīng)毫米波雷達(dá)的模擬前端、數(shù)字前端和數(shù)字處理3個(gè)模塊。AWR1443得益于RFCMOS技術(shù)才把數(shù)模混合電路、DSP、CPU和各種內(nèi)存以及接口電路集成在一起。

圖10 德州儀器TI AWR1443單芯片77G雷達(dá)方案

但是也是由于較高的數(shù)模混合集成度使得模擬雷達(dá)收發(fā)器的性能受到了一定的影響。從表5可以看出，相較Infineon和NXP方案，TI的AWR1443雷達(dá)信號(hào)接受靈敏度較弱（16 dB@77～81 GHz）。這也限制了TI方案在LRR上的性能，如最大探測(cè)距離等。但隨著算法能力的提高，特別是數(shù)字濾波處理，能讓RFCMOS技術(shù)的雷達(dá)芯片，盡量接近BiCMOS方案的性能。

可以說(shuō)車載毫米波的芯片始終是以市場(chǎng)為導(dǎo)向，出于各廠家在技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)，尋找有利于自己的市場(chǎng)空間。英飛凌Infineon作為歐洲汽車電子零部件供應(yīng)商，很早進(jìn)入車載雷達(dá)市場(chǎng)，當(dāng)時(shí)主要是為德系汽車配套ACC、AEB這樣的長(zhǎng)距雷達(dá)。但是隨著ADAS的功能更加豐富，包括未來(lái)的自動(dòng)駕駛在內(nèi)對(duì)中近距離雷達(dá)的需求增量會(huì)非常巨大。性能良好，集成度高，方案擴(kuò)展性更靈活的低成本雷達(dá)方案將越來(lái)越受到歡迎。BiCMOS還會(huì)占據(jù)LRR市場(chǎng)，而RFCMOS將在MRR和SRR領(lǐng)域逐漸替代BiCMOS產(chǎn)品。對(duì)于套片方案在不久的未來(lái)，將會(huì)被單芯片方案代替。這個(gè)時(shí)間取決于，是否能盡早克服RFCMOS在噪聲和靈敏度上的劣勢(shì)。而解決這個(gè)問(wèn)題將會(huì)主要從算法軟件的層面推進(jìn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

4.1 毫米波雷達(dá)技術(shù)自身完善

當(dāng)前毫米波雷達(dá)在ADAS上的功能主要集中在安全應(yīng)用和自適應(yīng)巡航等基礎(chǔ)功能。隨著雷達(dá)在多目標(biāo)跟蹤和物體識(shí)別技術(shù)方面的成熟，勢(shì)必要在輔助和Level 3級(jí)以上的自動(dòng)駕駛發(fā)揮更大的作用，執(zhí)行更豐富和復(fù)雜的功能。

4.2 與其他空間傳感器之間的競(jìng)爭(zhēng)

相較于激光雷達(dá)，隨著高精度大帶寬的毫米波雷達(dá)方案出現(xiàn)，未來(lái)它們之間在高精度探測(cè)上的距離將逐漸縮小。高效的算法和新的級(jí)聯(lián)技術(shù)將使毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)在可見(jiàn)的未來(lái)產(chǎn)生某種競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，甚至通過(guò)毫米波+攝像頭的融合方案，完全取代激光雷達(dá)在Level 3級(jí)以上自動(dòng)駕駛應(yīng)用存在可能。此時(shí)毫米波雷達(dá)在成本上的優(yōu)勢(shì)得到釋放。

4.3 毫米波雷達(dá)方案半導(dǎo)體的發(fā)展趨勢(shì)

針對(duì)毫米波雷達(dá)的方案，各大半導(dǎo)體公司結(jié)合自身優(yōu)勢(shì)會(huì)最大程度進(jìn)行電路的集成，無(wú)論是單芯片方案，還是前后端套片方案，目標(biāo)都是提高系統(tǒng)的靈敏度，抑制各種噪聲對(duì)目標(biāo)識(shí)別的影響。整體降低雷達(dá)主機(jī)硬件成本，加大在車身上的布置數(shù)量和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜應(yīng)用。

4.4 市場(chǎng)前景整車廠和自動(dòng)駕駛技術(shù)應(yīng)用

車載毫米波雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展并不算短，但是一直沒(méi)有得到大范圍的應(yīng)用。這是由于過(guò)去汽車輔助駕駛并不普遍。整車廠僅僅把它作為高端車型的一個(gè)附加功能，或者針對(duì)某些安全法規(guī)有特殊要求的車輛。但是，隨著ADAS和自動(dòng)駕駛市場(chǎng)和商用局面的打開(kāi)，毫米波雷達(dá)的應(yīng)用顯得越來(lái)越重要。對(duì)于整車廠和部件供應(yīng)商毫米波雷達(dá)的市場(chǎng)潛力巨大，而且即便是在高級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中，機(jī)器視覺(jué)和高精度感知成為新的技術(shù)亮點(diǎn)，但是毫米波雷達(dá)在安全高效和成本方面表現(xiàn)出非常大的優(yōu)勢(shì)，而無(wú)法被替代。

近年已經(jīng)有很多雷達(dá)公司，開(kāi)始進(jìn)行毫米波雷達(dá)成像的技術(shù)攻關(guān)。相信隨著技術(shù)的進(jìn)步車載毫米波雷達(dá)和其代表的空間傳感技術(shù)在創(chuàng)新和想象力方面會(huì)有更大的空間。

審核編輯：劉清