重點介紹77G毫米波雷達ADAS應(yīng)用及方案

0 前言

自汽車誕生之日起，駕駛安全問題就一直困擾著人類。車載微波雷達技術(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，伴隨著毫米波雷達射頻器件片上集成技術(shù)的發(fā)展，使得車載雷達體積減小，價格低廉，性能大幅提升。毫米波雷達相比其他傳感器具有探測距離遠，分辨率高、反應(yīng)快、受惡劣天氣影響小的特點，成為各主機廠研發(fā)高級輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS）和自動駕駛技術(shù)的必選傳感器。

實際早在90年代初，美國就開始在校車和長途巴士上安裝24 GHz頻段的毫米波雷達系統(tǒng)。它們能夠提供諸如前向碰撞報警FCW和防撞制動CA等被動或主動的安全功能，且事實上對降低追尾事故和減少傷亡表現(xiàn)出顯著的效果。而后，歐美各大車廠開始研發(fā)通過毫米波雷達實現(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級轎車上安裝了77 GHz ACC雷達。接下來其他車廠相繼跟進，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現(xiàn)ACC功能的77 GHz毫米波雷達。至此汽車的ADAS時代正式拉開序幕。

隨著AI技術(shù)的興起，近年來ADAS功能逐步趨向于自動駕駛場景。此時自動駕駛汽車對環(huán)境感知能力的要求也進一步提高，多種類型的空間探測傳感器被引入系統(tǒng)?；?a href="http://wenjunhu.com/tags/機器視覺/" target="_blank">機器視覺算法的攝像頭和高精度點云成像的激光雷達成為和毫米波雷比肩的同行者。但在面對復(fù)雜的交通環(huán)境、天氣及晝夜的變化，毫米波雷達表現(xiàn)卓越的性能更加搶眼、使之成為當(dāng)前自動駕駛技術(shù)方案的標配。

本文基于毫米雷達技術(shù)特點和應(yīng)用場景，對比目前主流芯片廠商的集成方式，以及雷達模組廠商的主要產(chǎn)品，給出毫米波雷達選擇準則和配置規(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毫米波雷達在ADAS功能和AD自動駕駛中的角色和功能，重點介紹相較激光雷達和攝像頭兩種技術(shù)方案毫米波雷達的技術(shù)特點和優(yōu)勢。第三節(jié)重點介紹和對比主要雷達前端半導(dǎo)體廠商的77 GHz雷達方案和特點，為汽車雷達研發(fā)人員提供方案選型依據(jù)。

1 車載毫米波雷達工作原理

1.1 毫米波雷達可測量物理量

作為ADAS或AD自動駕駛汽車空間感知系統(tǒng)的重要組件，毫米波雷達可為主機車輛提供多種高精度的路面空間信息，如目標車輛的距離、方位角和相對速度等。這些信息對車輛主動控速、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 前向毫米波雷達測量應(yīng)用示意

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

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

首先，毫米波波長短，收發(fā)天線尺寸小，組件裝置就可以做的很??；其次，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，雷達前端電子器件集成度很高，雷達模組重量輕，抗震性能理想。而且隨著雷達芯片的大規(guī)模量產(chǎn)，組件成本低，可以在車身上安裝多組、級聯(lián)和拼接后實現(xiàn)360°環(huán)視，這樣就無需復(fù)雜而精密的機械掃描構(gòu)造；而且從信號處理的角度，毫米波雷達采用的特殊調(diào)制方式，可以在極短時間內(nèi)完成距離和角度的雙重測量，效率非常高。而且通過反射波的微多普勒特征，通過算法可以判斷目標物體屬性，實現(xiàn)目標識別。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的特點：它是一種調(diào)頻信號，且波形連續(xù)非離散。這就與前文提到的離散脈沖雷達完全不同。如圖2的下側(cè)波形就是調(diào)制后的FMCW雷達發(fā)射信號。它是通過圖2上端的Tx三角波來調(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。

下面介紹FMCW的基本原理。

圖2 FMCW信號聯(lián)合測量法

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

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

但是對車輛這樣的移動目標，問題就變得復(fù)雜一些。因為車輛之間有相對速度Vr，反射波存在多普勒頻移 fD，公式1無法求解。此時將有兩個未知數(shù)R和Vr出現(xiàn)，需要通過二次測量建立方程組進行計算。分別在發(fā)射信號頻率的上升和下降階段進行兩次測量，得到 fB1和 fB2兩個頻差。

圖3 FMCW雷達信號測距原理

其方程如下：

通過求解方程可快速獲得Vr和R兩個目標參數(shù)。但是三角波FMCW也存在缺陷，在多目標檢測時，會有多個反射波出現(xiàn)，同時測得多個 fB頻差和產(chǎn)生多個解。其中就存在假目標，就是所謂的鬼影。此問題需要進行多次測量才能消除，雷達系統(tǒng)的效率被一定程度的降低。

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

1.3 啁啾Chirp序列雷達

相對于測量周期有幾十毫秒的三角波FMCW雷達，近年來一種啁啾Chirp毫米波雷達被研制出來。如圖4，它采用一種超快速的三角波序列作為調(diào)制信號，每個Chirp序列是由n個三角波組成的鋸齒波。其單個Chirp信號的周期非常短，而整個序列的周期為TCPI=N·TChirp。因為單個Chirp信號的多普勒頻移也非常小，可以忽略不計。一個周期Chirp信號就可以來測頻差，而算出目標物體的距離。同時徑向速度Vr取決于Chirp序列收發(fā)信號的相位比較。

圖4 Chirp序列信號

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

式（5）的約等號就是表示忽略單個Chirp信號的多普勒相移求解距離R的方法。而徑向速度Vr是通過對雷達發(fā)射信號和反射信號的Chirp序列之間的相位比較，這些需要通過之后的數(shù)字處理執(zhí)行FFT離散傅里葉變換計算。

（1）同時測量目標距離R和徑向速度Vr

（2）R和Vr測量時具有目標分辨率

（3）測量精度高

（4）測量時間短

（5）假目標識別能力強

雖然看起來Chirp序列雷達系統(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)字處理器被集成進雷達芯片組，計算能力本身早已不是問題。

1.4 車載雷達收發(fā)器結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的脈沖雷達是通過測量收發(fā)信號的脈沖時間差來算出與目標距離。但是三角FMCW或Chirp雷達卻是要測量發(fā)射信號和接收信號之間的頻率差，這就需要在雷達收發(fā)器中加入一個混頻器，將收發(fā)信號進行混頻得到頻率差（也可稱為IF中頻信號）。毫米波雷達組件是如何實現(xiàn)它的功能的呢？下邊需要介紹一下雷達的電路結(jié)構(gòu)。

圖5 毫米波雷達原理

如圖5展示了基本的毫米波雷達原理框圖。三角波發(fā)生器通過控制鎖相環(huán)PLL內(nèi)的VOC壓控振蕩器產(chǎn)生一個周期性的調(diào)頻信號。經(jīng)過n倍頻器將其變換到76 GHz～81 GHz的發(fā)射頻率。經(jīng)過PA放大，由Tx天線將雷達波束發(fā)射出去照射目標物體。雷達波經(jīng)物體反射回到Rx天線。微弱的反射信號再經(jīng)過LNA低噪聲放大器再與Tx信號進行混頻，從而得到IF差頻信號fB。以上在整個毫米波雷達系統(tǒng)中被稱為“射頻前端”（RF FE）。而后模擬的IF信號通過“數(shù)字前端”的ADC電路進行采樣和量化轉(zhuǎn)換數(shù)字基帶信號。接下來的數(shù)字型號通過總線接口傳輸給執(zhí)行FFT運算的數(shù)字信號處理器DSP，最終計算獲得目標物體的距離、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，對其相關(guān)性進行分析，結(jié)果顯示VEGF和IL-8的表達水平與鼻咽癌的遠處轉(zhuǎn)移呈正相關(guān)（P＜0.05），LMP1的表達水平與鼻咽癌的轉(zhuǎn)移呈負相關(guān)（P＜0.01），見表 4。

從電路結(jié)構(gòu)來看，在數(shù)字處理之前是被稱為“雷達收發(fā)器”的部分，也是各車載雷達芯片公司主要的戰(zhàn)場。而之所以將車載毫米波雷達系統(tǒng)劃分成射頻前端、數(shù)字前端和數(shù)字處理這三部分，主要是因為各雷達半導(dǎo)體廠商通過對這三部分電路的集成和分割來體現(xiàn)各自在半導(dǎo)體工藝、雷達性能和集成度方面的差異化和優(yōu)勢化。這方面的討論將在本文在第三節(jié)進行詳述。

以上第一節(jié)作為基礎(chǔ)，介紹了毫米波雷達的測距測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，主要聚焦在當(dāng)前毫米波雷達在ADAS和自動駕駛上的應(yīng)用，以及具體芯片廠商的方案特點和差異。

2 最新車載毫米波雷達的分類和應(yīng)用

2.1 ADAS/AD對車載雷達的需求

雷達自發(fā)明以來一直是搜索和跟蹤的利器，伴隨著雷達的應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展，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，特別是在自動駕駛或機器人這種對空間地圖重建強需求的領(lǐng)域。從市場角度，恰逢百年汽車行業(yè)的變革，全球汽車工業(yè)朝著電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化的方向發(fā)展，市場對具有ADAS功能的汽車需求增加，也帶來了車載雷達需求總量的激增。這期間各大IC廠商紛紛進入，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技術(shù)與供給產(chǎn)業(yè)鏈。同時單車雷達的數(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車身探測雷達/傳感器數(shù)量

從雷達裝備數(shù)量來看，表1展示了NXP恩智浦半導(dǎo)體公司預(yù)估自動駕駛Level 1～Level 5各級車載雷達及其他傳感器數(shù)量需求。ADAS至自動駕駛Level 1～Level 5級的進階是汽車駕駛朝著自動化和智能化升級的過程，它同時伴隨著車身雷達Radar和攝像頭Camera數(shù)量的增加?？梢钥闯龊撩撞ɡ走_和攝像頭的數(shù)量遠大于同程度的激光雷達LiDAR。這不只是原理和用途上的差異，更是成本的考量?？梢哉f未來車載毫米波雷達使用的普遍性、總裝數(shù)量和市場都會非常的龐大。

2.2 車載雷達及傳感器種類

毫米波雷達是通過電磁波束對目標進行探測的，因為發(fā)射功率與探測距離，天線排布與探測角度之間制約關(guān)系，很難讓一具雷達同時具備大角度和遠距離的性能。所以毫米波雷達根據(jù)不同的探測需要被分為遠距LRR、中距MRR和近距SRR 3個類型，如表2所示。

表2 各種車載探測傳感器的作用距離和視場角度

作為ACC自適應(yīng)巡航功能的前視雷達采用LRR，它要看的足夠遠以保證車輛在高速行駛過程中有足夠的減速時間和制動距離，但LRR的波束集中限制了它的視場角。而MRR中距雷達主要支持如LCA變道輔助等功能。它可以提前檢測目標車道的路面情況，確定其他車輛的位置和速度，車載計算機通過計算就可以制定變道時機、切入角度和速度等行駛動作策略。SSR則和當(dāng)前很多車輛的超聲波雷達的功能有一定重合，主要支持車身環(huán)視、自動泊車和障礙物檢測功能。同時較Ultrasonic超聲波雷達，SRR其探測范圍更大，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)前車載毫米波雷達還可以從波段和帶寬上劃分（表3）。

表3 毫米波雷達頻點和帶寬分類

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雷達頻段將于2022年取消

車載毫米波雷達中心頻率從24G提高到77G除了考慮各國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檢測能力。比如，77G雷達在1G的帶寬時，在前方250 m的范圍內(nèi)分辨行人和車輛，這對車輛駕駛決策具有非常重要的意義。

2.3 車載毫米波雷達在ADAS上對應(yīng)的具體功能

當(dāng)前帶有高級輔助駕駛功能的汽車，會根據(jù)其支持的項目來部署車載雷達和其他傳感器(表4)。

表4 各種車載車身傳感器對應(yīng)ADAS功能

表4總結(jié)了當(dāng)前已經(jīng)實現(xiàn)的L3級ADAS的主要功能。其中9項需采用毫米波雷達的支持?？梢哉f毫米波雷達是未來高級輔助駕駛和自動駕駛系統(tǒng)的“標配”。毫米波雷達在全天候條件下，測量效率和系統(tǒng)成本優(yōu)勢遠高于激光雷達和攝像頭。但其在交通標志、標線和物體識別方面的缺陷，則要由攝像頭傳感器來支撐。

圖6 車身雷達探測和作用范圍

如圖6所示，當(dāng)前車載毫米波雷達Radar都是固態(tài)的，安裝在車身的固定位置，并探測車外相應(yīng)區(qū)域，如前視MRR中距雷達、后視MRR中距雷達和近距SRR環(huán)視雷達。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基本采用機械掃描方式，一般安裝在車頂以此實現(xiàn)360°掃描。

2.4 毫米波雷達和其他傳感器的比較

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

（1）適用環(huán)境（毫米波PK攝像頭）

毫米波雷達的全天候能力是攝像頭無法取代的。特別是在夜間和雨霧雪等天氣，對毫米波雷達測量性能影響很小，而對攝像頭和激光雷達的影響會非常大。但是，毫米波雷達完全沒有視覺識別能力，無法完成類似標志標線的提取和識別，這樣就無法單獨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。毫米波雷達探測距離遠且可以直接快速獲取目標的距離速度信息，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，需要通過車載計算機對數(shù)據(jù)進行感知運算，需要處理時間響應(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追尾報警燈都首選毫米波雷達實現(xiàn)。

（3）成本因素（毫米波PK激光雷達）

激光雷達具備探測精度高（毫米級）和距離大的優(yōu)勢，且可生成點云圖像，擁有高分辨率和一定的物體識別能力。但是相對于高性能就是它的高價格。從商業(yè)化量產(chǎn)的角度，激光雷達并不是適于對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)對車載雷達特別是毫米波雷達的需求。同時細分了車載毫米波雷達的種類和對應(yīng)具體功能。最后通過對比其他兩種空間傳感器，突出了毫米波雷達在環(huán)境適應(yīng)能力、技術(shù)特點和成本上的優(yōu)勢?？梢哉f，未來整個自動駕駛市場對毫米波雷達充滿了期待。那么各個毫米波雷達部件供應(yīng)商，特別處于核心技術(shù)的雷達收發(fā)器IC廠商都在做什么？它們的產(chǎn)品技術(shù)特點是怎樣的？將在第三節(jié)詳解。

3 77G毫米波雷達方案

3.1 典型ADAS/AD駕駛雷達方案

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

圖7 ADAS/自動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、毫米波雷達和攝像頭傳感器分成獨立的3個域，每個域有一個單獨的域控制器（Sensor Domain Processor）。而一個域控制器下掛多個同類的傳感器或雷達。比如，毫米波雷達域就有2組共6具雷達收發(fā)器。要說明的是最新的車載毫米波雷達支持級聯(lián)技術(shù)，它通過將多個收發(fā)器串聯(lián)在一起，增加某一方向上收發(fā)天線數(shù)量，通過域控制器的同步使這個方向的雷達具有更大的視場角度和探測能力。如圖7中，6個SRR/MRR中短毫米波雷達就是3個一組的級聯(lián)方式，2組分別負責(zé)不同的探測方向。同時LRR遠距毫米波雷達被獨立出來，因為前看雷達采用寬帶高分辨率窄波束模式，專門負責(zé)ACC和AEB等高安全級別功能。其數(shù)據(jù)接口要滿足大帶寬和低延時要求，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）為中心的拓撲結(jié)構(gòu)，可以拓展多個域控制器，結(jié)構(gòu)非常靈活。不同類型的雷達或傳感器獲取的空間數(shù)據(jù)在這個單元中進行融合計算，最終建立起一個三維空間地圖，實現(xiàn)如安全預(yù)警、變道、環(huán)視和自動泊車等ADAS功能。

3.2 77/79G雷達系統(tǒng)方案

如1.4節(jié)所展示的，一個完整車載毫米波雷達收發(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個部分。毫米波雷達作為整車前裝部件，且單車裝備數(shù)量多，所以整車廠對其成本非常敏感。早期的毫米波雷達方案，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。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的集成方案。

表5 歐美主要雷達芯片廠最新方案

如歐洲的英飛凌（Infineon）其車載雷達方案發(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。歐洲的另外一個廠商恩智浦（NXP）2017年開始從BiCMOS轉(zhuǎn)向集成度更高的RFCMOS收發(fā)器+數(shù)字DSP的方案。而大洋彼岸的美國德州儀器（TI）則從一開始就采用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)缺點來分析這3種典型毫米波雷達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射頻收發(fā)器IC。而采用RFCMOS工藝的優(yōu)勢是可以將射頻前端，運算處理與存儲器等數(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，實現(xiàn)雷達的單芯片化和低成本目標。

但是由于將系統(tǒng)的模擬模塊和數(shù)字模塊集成在一起，引入的開關(guān)噪聲和RFCMOS自身的高噪聲問題與改善性能所需增加的成本等問題，成為擺在RFCMOS雷達芯片面前的突出障礙。從另一個角度也正是因為長期的積累和采用BiCMOS工藝，確立了英飛凌在LRR遠距離毫米波雷達上的優(yōu)勢，包括兼?zhèn)涮綔y距離遠和接收靈敏度高等特點。但是正如圖7所示，LRR在ADAS系統(tǒng)上的需求有限，而環(huán)視和角雷達等SRR和MRR中近距離的毫米波雷達需求數(shù)量很大，而RFCOMS的高集成度和高優(yōu)良品率帶來的成本優(yōu)勢將會在未來逐漸顯現(xiàn)出來，所以恩智浦近年來改變BiCOMS路線，開始全面推廣RFCOMS工藝的中近距離雷達方案。但是NXP不同于TI方案，沒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，保證雷達的靈敏度，防止假目標出現(xiàn)，又可以一定程度降低成本，創(chuàng)造一些價格優(yōu)勢。

總結(jié)來看BiCOMS的車載毫米波雷達在探測距離和接收靈敏度上較RFCOMS雷達優(yōu)勢明顯，但是RFCOMS雷達成本低，在布置總量更大的中近距離雷達市場更有優(yōu)勢。

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。而后級的MCU主要是執(zhí)行雷達的FFT快速傅里葉變換來獲得頻差和多普勒頻移等信息，通過計算獲取目標物體的空間數(shù)據(jù)。

圖8 英飛凌Infineon RXS8160PL+TC3xx套片方案

因為收發(fā)器中的中頻電路對電源數(shù)字噪聲就非常敏感，如果不能很好的隔離，在FFT后會出現(xiàn)虛假目標。為了保證目標識別的穩(wěn)定，采用一顆PMIC芯片將整車的12 V轉(zhuǎn)換為多路相互獨立的電源輸出，有效保證模擬電源對數(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RFCMOS的優(yōu)勢在于數(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年開始NXP的TEF810x采用RFCMOS方案，替換BiCMOS的MR2001分離套片方案。其中一個目的就是降低系統(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年對出的76～77G車載雷達方案，其射頻前端有發(fā)射器Tx，接收器Rx和壓控震蕩器VOC三個獨立的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雽?dǎo)體公司，其進入車載毫米波雷達領(lǐng)域時間較晚。但是多年在RFCMOS上的積累，讓它一開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，這是對應(yīng)毫米波雷達的模擬前端、數(shù)字前端和數(shù)字處理3個模塊。AWR1443得益于RFCMOS技術(shù)才把數(shù)?；旌想娐贰SP、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雷達方案

但是也是由于較高的數(shù)?；旌霞啥仁沟媚M雷達收發(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雷達信號接受靈敏度較弱（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)的雷達芯片，盡量接近BiCMOS方案的性能。

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

4 結(jié)束語

4.1 毫米波雷達技術(shù)自身完善

當(dāng)前毫米波雷達在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。隨著雷達在多目標跟蹤和物體識別技術(shù)方面的成熟，勢必要在輔助和Level 3級以上的自動駕駛發(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爭

相較于激光雷達，隨著高精度大帶寬的毫米波雷達方案出現(xiàn)，未來它們之間在高精度探測上的距離將逐漸縮小。高效的算法和新的級聯(lián)技術(shù)將使毫米波雷達和激光雷達在可見的未來產(chǎn)生某種競爭關(guān)系，甚至通過毫米波+攝像頭的融合方案，完全取代激光雷達在Level 3級以上自動駕駛應(yīng)用存在可能。此時毫米波雷達在成本上的優(yōu)勢得到釋放。

4.3 毫米波雷達方案半導(dǎo)體的發(fā)展趨勢

針對毫米波雷達的方案，各大半導(dǎo)體公司結(jié)合自身優(yōu)勢會最大程度進行電路的集成，無論是單芯片方案，還是前后端套片方案，目標都是提高系統(tǒng)的靈敏度，抑制各種噪聲對目標識別的影響。整體降低雷達主機硬件成本，加大在車身上的布置數(shù)量和實現(xiàn)復(fù)雜應(yīng)用。

4.4 市場前景整車廠和自動駕駛技術(shù)應(yīng)用

車載毫米波雷達技術(shù)的發(fā)展并不算短，但是一直沒有得到大范圍的應(yīng)用。這是由于過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附加功能，或者針對某些安全法規(guī)有特殊要求的車輛。但是，隨著ADAS和自動駕駛市場和商用局面的打開，毫米波雷達的應(yīng)用顯得越來越重要。對于整車廠和部件供應(yīng)商毫米波雷達的市場潛力巨大，而且即便是在高級自動駕駛系統(tǒng)中，機器視覺和高精度感知成為新的技術(shù)亮點，但是毫米波雷達在安全高效和成本方面表現(xiàn)出非常大的優(yōu)勢，而無法被替代。

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

審核編輯：劉清