一文讀懂車(chē)載毫米波雷達

 在無(wú)人駕駛架構中,傳感層被比作為汽車(chē)的“眼睛”, 包括車(chē)載攝像頭等視覺(jué)系傳感器和車(chē)載毫米波雷達、車(chē)載激光雷達和車(chē)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(wú)人駕駛系統主力傳感器。本文將從技術(shù)、方案、應用等角度為您詳細介紹毫米波雷達。

 2014年全球的車(chē)載毫米波雷達市場(chǎng)出貨量在1900萬(wàn)顆,預計到2020年將增長(cháng)至7200萬(wàn)顆,年復合增長(cháng)率達到25%,處于市場(chǎng)快速增長(cháng)期。其中安全法規和智能網(wǎng)聯(lián)趨勢是市場(chǎng)增長(cháng)重要推動(dòng)力。

 什么是毫米波雷達

 毫米波是指波長(cháng)介于1-10mm的電磁波,波長(cháng)短、頻段寬,比較容易實(shí)現窄波束,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、現對速度、方位的高精度傳感器,早期被應用于軍事領(lǐng)域,隨著(zhù)雷達技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步,毫米波雷達傳感器開(kāi)始應用于汽車(chē)電子、無(wú)人機、智能交通等多個(gè)領(lǐng)域。

 目前各個(gè)國家對車(chē)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(lái)全球車(chē)載毫米波雷達的頻段會(huì )趨同于77GHz頻段(76-81GHz)。

 車(chē)載毫米波雷達的原理

 車(chē)載毫米波雷達通過(guò)天線(xiàn)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(chē)車(chē)身周?chē)奈锢憝h(huán)境信息(如汽車(chē)與其他物體之間的相對距離、相對速度、角度、運動(dòng)方向等),然后根據所探知的物體信息進(jìn)行目標追蹤和識別分類(lèi),進(jìn)而結合車(chē)身動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行數據融合,最終通過(guò)中央處理單元(ECU)進(jìn)行智能處理。經(jīng)合理決策后,以聲、光及觸覺(jué)等多種方式告知或警告駕駛員,或及時(shí)對汽車(chē)做出主動(dòng)干預,從而保證駕駛過(guò)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(jiǎn)圖

 根據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波體制兩種工作體制。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。

 由于可測量多個(gè)目標、分辨率較高、信號處理復雜度低、成本低廉、技術(shù)成熟,FWCW雷達成為最常用的車(chē)載毫米波雷達,德?tīng)柛?、電裝、博世等Tier 1供應商均采用FMCW調制方式。

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

 車(chē)載毫米波雷達的核心零部件

 MMIC芯片和天線(xiàn)PCB板是毫米波雷達的硬件核心,以FMCW汽車(chē)雷達系統為例,主要包括天線(xiàn)、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(dòng)態(tài)范圍大、功率大、抗電磁輻射能力強等特點(diǎn)。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、飛思卡爾等極少數國外芯片廠(chǎng)商手中。國內的MMIC仍處于起步狀態(tài),廈門(mén)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(diǎn)實(shí)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(xiàn)高頻PCB板

 天線(xiàn)是汽車(chē)毫米波雷達有效工作的關(guān)鍵設計之一, 同時(shí)也是毫米波車(chē)用雷達能否贏(yíng)得市場(chǎng)的關(guān)鍵。毫米波雷達天線(xiàn)的主流方案是微帶陣列,簡(jiǎn)單說(shuō)將高頻PCB板集成在普通的PCB基板上實(shí)現天線(xiàn)的功能,需要在較小的集成空間中保持天線(xiàn)足夠的信號強度。77Ghz雷達更高規格的高頻PCB板,77GHz雷達的大范圍運用將帶來(lái)相應高頻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(gè)砷化鎵芯片生成、放大并檢測77GHz微波,Bosch第3代LRR極大簡(jiǎn)化了雷達天線(xiàn)PCB板,僅使用1或2個(gè)英飛凌硅鍺芯片。

 由于A(yíng)DAS的功能,往往是通過(guò)傳感器+處理器的方式捆綁銷(xiāo)售,使得系統供應商在里面擔當了產(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、奧托立夫等傳統零部件系統供應商巨頭所壟斷。國內高頻PCB板廠(chǎng)商暫無(wú)技術(shù)儲備,只能根據圖紙代加工,元器件仍需國外進(jìn)口。滬電股份是大陸和博世的板材供應商,目前已就24GHz和77GHz高頻雷達用PCB產(chǎn)品與國際頂尖廠(chǎng)商Schweizer開(kāi)展合作。

 車(chē)載毫米波雷達的應用

 把毫米波雷達安裝在汽車(chē)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用于中高端車(chē)型,隨著(zhù)大眾對汽車(chē)主動(dòng)安全性能的認可度增加,ADAS相關(guān)產(chǎn)品將逐漸向低端車(chē)型普及。

 利用毫米波雷達可以實(shí)現自適應巡航控制(Adaptive Cruise Control),前向防撞報警(Forward Collision Warning),盲點(diǎn)檢測(Blind Spot Detection),輔助停車(chē)(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(ADAS)功能。其中24GHz 雷達系統主要實(shí)現近距離探測(SRR),而77GHz 系統主要實(shí)現遠距離的探測(LRR)。

 SRR應用圖

 SRR和LRR結合應用圖

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

A4(參數|圖片)采用5個(gè)毫米波雷達(1長(cháng)+4短),奔馳的

S級(參數|圖片)采用7個(gè)毫米波雷達(1長(cháng)+6短)。

 以自動(dòng)跟車(chē)型(Stop & Go)ACC功能為例,一般需要3個(gè)毫米波雷達。車(chē)正中間一個(gè)77GHz的LRR,探測距離在150-250米之間,角度為10度左右;車(chē)兩側各一個(gè)24GHz的MRR,角度都為30度,探測距離在50-70米之間。AEB是最有實(shí)際意義的ADAS功能,未來(lái)會(huì )成為中高檔汽車(chē)的標配,需要1個(gè)77GHz LRR。

 車(chē)載毫米波雷達國內外市場(chǎng)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?tīng)柛５葌鹘y零部件巨頭所壟斷,特別是77GHz毫米波雷達,只有博世、大陸、德?tīng)柛?、電裝、TRW、富士通天、Hitachi等公司掌握。2015年,博世及大陸汽車(chē)雷達市場(chǎng)占有率均為22%,并列全球第一。

 2015年全球汽車(chē)雷達主要廠(chǎng)商市場(chǎng)占有率

 目前中國市場(chǎng)中高端汽車(chē)裝配的毫米波雷達傳感器全部依賴(lài)進(jìn)口,市場(chǎng)被美、日、德企業(yè)壟斷,價(jià)格昂貴,自主可控迫在眉睫。國內自主車(chē)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,目前國內廠(chǎng)商研發(fā)方向主要集中于24GHz雷達產(chǎn)品。預計2016-2017年,自主品牌車(chē)載毫米波雷達傳感器可逐步實(shí)現批量裝車(chē)應用。PCB板有望在今年四季度形成批量生產(chǎn)能力