一文讀懂車載毫米波雷達

 在無人駕駛架構(gòu)中,傳感層被比作為汽車的“眼睛”, 包括車載攝像頭等視覺系傳感器和車載毫米波雷達、車載激光雷達和車載超聲波雷達等雷達系傳感器。毫米波雷達由于成本較低、技術(shù)比較成熟率先成為無人駕駛系統(tǒng)主力傳感器。本文將從技術(shù)、方案、應(yīng)用等角度為您詳細介紹毫米波雷達。

 2014年全球的車載毫米波雷達市場出貨量在1900萬顆,預(yù)計到2020年將增長至7200萬顆,年復(fù)合增長率達到25%,處于市場快速增長期。其中安全法規(guī)和智能網(wǎng)聯(lián)趨勢是市場增長重要推動力。

 什么是毫米波雷達

 毫米波是指波長介于1-10mm的電磁波,波長短、頻段寬,比較容易實現(xiàn)窄波束,雷達分辨率高,不易受干擾。毫米波雷達是測量被測物體相對距離、現(xiàn)對速度、方位的高精度傳感器,早期被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域,隨著雷達技術(shù)的發(fā)展與進步,毫米波雷達傳感器開始應(yīng)用于汽車電子、無人機、智能交通等多個領(lǐng)域。

 目前各個國家對車載毫米波雷達分配的頻段各有不同,但主要集中在24GHz和77GHz,少數(shù)國家(如日本)采用60GHz頻段。由于77G相對于24G的諸多優(yōu)勢,未來全球車載毫米波雷達的頻段會趨同于77GHz頻段(76-81GHz)。

 車載毫米波雷達的原理

 車載毫米波雷達通過天線向外發(fā)射毫米波,接收目標反射信號,經(jīng)后方處理后快速準確地獲取汽車車身周圍的物理環(huán)境信息(如汽車與其他物體之間的相對距離、相對速度、角度、運動方向等),然后根據(jù)所探知的物體信息進行目標追蹤和識別分類,進而結(jié)合車身動態(tài)信息進行數(shù)據(jù)融合,最終通過中央處理單元(ECU)進行智能處理。經(jīng)合理決策后,以聲、光及觸覺等多種方式告知或警告駕駛員,或及時對汽車做出主動干預(yù),從而保證駕駛過程的安全性和舒適性,減少事故發(fā)生幾率。

 毫米波雷達工作路徑簡圖

 根據(jù)輻射電磁波方式不同,毫米波雷達主要有脈沖體制以及連續(xù)波體制兩種工作體制。其中連續(xù)波又可以分為FSK(頻移鍵控)、PSK(相移鍵控)、CW(恒頻連續(xù)波)、FMCW(調(diào)頻連續(xù)波)等方式。

 由于可測量多個目標、分辨率較高、信號處理復(fù)雜度低、成本低廉、技術(shù)成熟,FWCW雷達成為最常用的車載毫米波雷達,德爾福、電裝、博世等Tier 1供應(yīng)商均采用FMCW調(diào)制方式。

 FMCW雷達系統(tǒng)主要包括收發(fā)天線、射頻前端、調(diào)制信號、信號處理模塊等。毫米波雷達通過接收信號和發(fā)射信號的相關(guān)處理實現(xiàn)對目標的探測距離、方位、相對速度。

 車載毫米波雷達的核心零部件

 MMIC芯片和天線PCB板是毫米波雷達的硬件核心,以FMCW汽車雷達系統(tǒng)為例,主要包括天線、收發(fā)模塊、信號處理模塊。

 1、MMIC(單片微波集成電路)

 MMIC具有電路損耗低、噪聲低、頻帶寬、動態(tài)范圍大、功率大、抗電磁輻射能力強等特點。它包括多種功能電路,如低噪聲放大器(LNA)、功率放大器、混頻器、檢波器、調(diào)制器、壓控振蕩器(VCO)、移相器等。

 毫米波雷達的關(guān)鍵部件前端單片微波集成電路(MMIC)技術(shù)由在國外半導(dǎo)體公司掌控,而高頻的MMIC只掌握在英飛凌、飛思卡爾等極少數(shù)國外芯片廠商手中。國內(nèi)的MMIC仍處于起步狀態(tài),廈門意行和南京米勒為正在研發(fā)雷達MMIC,相關(guān)性能仍有待驗證。另外唯一的豪米波雷達國家重點實驗室-東南大學(xué)也一直在研發(fā)77GHz毫米波集成電路。

 2、雷達天線高頻PCB板

 天線是汽車毫米波雷達有效工作的關(guān)鍵設(shè)計之一, 同時也是毫米波車用雷達能否贏得市場的關(guān)鍵。毫米波雷達天線的主流方案是微帶陣列,簡單說將高頻PCB板集成在普通的PCB基板上實現(xiàn)天線的功能,需要在較小的集成空間中保持天線足夠的信號強度。77Ghz雷達更高規(guī)格的高頻PCB板,77GHz雷達的大范圍運用將帶來相應(yīng)高頻PCB板的巨大需求。例如博世的LRR3,相比于第2代LRR需要用幾個砷化鎵芯片生成、放大并檢測77GHz微波,Bosch第3代LRR極大簡化了雷達天線PCB板,僅使用1或2個英飛凌硅鍺芯片。

 由于ADAS的功能,往往是通過傳感器+處理器的方式捆綁銷售,使得系統(tǒng)供應(yīng)商在里面擔(dān)當(dāng)了產(chǎn)業(yè)鏈中核心角色,基于毫米波雷達的ADAS技術(shù)主要由大陸、博世、電裝、奧托立夫等傳統(tǒng)零部件系統(tǒng)供應(yīng)商巨頭所壟斷。國內(nèi)高頻PCB板廠商暫無技術(shù)儲備,只能根據(jù)圖紙代加工,元器件仍需國外進口。滬電股份是大陸和博世的板材供應(yīng)商,目前已就24GHz和77GHz高頻雷達用PCB產(chǎn)品與國際頂尖廠商Schweizer開展合作。

 車載毫米波雷達的應(yīng)用

 把毫米波雷達安裝在汽車上,可以測量從雷達到被測物體之間的距離、角度和相對速度等。毫米波雷達目前主要應(yīng)用于中高端車型,隨著大眾對汽車主動安全性能的認可度增加,ADAS相關(guān)產(chǎn)品將逐漸向低端車型普及。

 利用毫米波雷達可以實現(xiàn)自適應(yīng)巡航控制(Adaptive Cruise Control),前向防撞報警(Forward Collision Warning),盲點檢測(Blind Spot Detection),輔助停車(Parking aid),輔助變道(Lane change assistant),自主巡航控制(ACC)等高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)功能。其中24GHz 雷達系統(tǒng)主要實現(xiàn)近距離探測(SRR),而77GHz 系統(tǒng)主要實現(xiàn)遠距離的探測(LRR)。

 SRR應(yīng)用圖

 SRR和LRR結(jié)合應(yīng)用圖

 想要完全實現(xiàn)ADAS各項功能一般需要“1長+4中短”5個毫米波雷達。目前全新奧迪

A4(參數(shù)|圖片)采用5個毫米波雷達(1長+4短),奔馳的

S級(參數(shù)|圖片)采用7個毫米波雷達(1長+6短)。

 以自動跟車型(Stop & Go)ACC功能為例,一般需要3個毫米波雷達。車正中間一個77GHz的LRR,探測距離在150-250米之間,角度為10度左右;車兩側(cè)各一個24GHz的MRR,角度都為30度,探測距離在50-70米之間。AEB是最有實際意義的ADAS功能,未來會成為中高檔汽車的標配,需要1個77GHz LRR。

 車載毫米波雷達國內(nèi)外市場格局

 目前毫米波雷達技術(shù)主要由大陸、博世、電裝、奧托立夫、Denso、德爾福等傳統(tǒng)零部件巨頭所壟斷,特別是77GHz毫米波雷達,只有博世、大陸、德爾福、電裝、TRW、富士通天、Hitachi等公司掌握。2015年,博世及大陸汽車雷達市場占有率均為22%,并列全球第一。

 2015年全球汽車雷達主要廠商市場占有率

 目前中國市場中高端汽車裝配的毫米波雷達傳感器全部依賴進口,市場被美、日、德企業(yè)壟斷,價格昂貴,自主可控迫在眉睫。國內(nèi)自主車載毫米波雷達產(chǎn)品總體仍處于研制階段。因研發(fā)成本及難度較低,目前國內(nèi)廠商研發(fā)方向主要集中于24GHz雷達產(chǎn)品。預(yù)計2016-2017年,自主品牌車載毫米波雷達傳感器可逐步實現(xiàn)批量裝車應(yīng)用。PCB板有望在今年四季度形成批量生產(chǎn)能力