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技术专题：车用毫米波雷达技术趋势及发展现状

2018-12-17 21:29:40·  来源：国汽智联  
　
【摘要】本报告节选于《智能网联汽车蓝皮书（2018）》中车用毫米波雷达技术趋势的部分内容，原文题目是《车用雷达技术动态与发展》。报告从自动驾驶与主动安全的
【摘要】本报告节选于《智能网联汽车蓝皮书（2018）》中车用毫米波雷达技术趋势的部分内容，原文题目是《车用雷达技术动态与发展》。报告从自动驾驶与主动安全的应用需求出发，系统地介绍了车用雷达技术在环境感知系统中的应用与技术动态，深入探讨和分析了车用毫米波雷达的产业发展、应用现状与技术路线。
 
作者简介：张雷，博士，副教授，博士生导师，清华大学微电子与纳电子学系，研究方向为毫米波雷达芯片与系统设计等。
 
一、车用毫米波雷达优劣及潜在应用
1、车用毫米波雷达工作原理
毫米波雷达通过天线发射调频连续波（FMCW），经目标反射后接收到的回波与发射波存在一个时间差，利用该时间差可计算出目标距离。通过信号处理器分析发射与反射信号的频率差异，基于多普勒原理，可以精确测量目标相对于雷达的运动速度，进一步通过多目标检测与跟踪算法，实现多目标分离与跟踪。
车用毫米波雷达原理框图
2、毫米波雷达优劣及应用预测
 
毫米波雷达检测距离远、精度高、具有全天候应用的优势，且量产后成本已降至100美元以内，是当今主流高级驾驶辅助（ADAS）与自动驾驶系统中必不可少的传感器。
 
各种车用传感器的技术优势对比分析
在L1-L3级自动驾驶中，毫米波雷达被用于目标侦测和目标分离，从而实现各种ADAS主动安全应用。在L4-L5级自动驾驶系统中搭载毫米波雷达成像技术。随着自动驾驶等级的提高和多种主动安全应用的搭载，长距（LRR）、中距（MRR）、短距（SRR）车用毫米波雷达的装配数量会大幅提升，并最终实现360度全覆盖化。
 
车用毫米波雷达在各个自动驾驶等级下的应用
二、毫米波雷达技术趋势
车用毫米波雷达的总体技术路线包括频段、单片微波集成电路（MMIC）芯片、天线与模块、整机等方面的内容，如下图所示。
车用毫米波雷达总体技术路线图
1、频率：向76-81GHz频段统一
目前国际上主流使用的车用毫米波雷达按照其频率的不同，主要可分为两种：24GHz 毫米波雷达和 77GHz 毫米波雷达。通常 24GHz 雷达检测范围为中短距离（70米以内），用作实现 BSD、LCA、PA等，而 77GHz 长程雷达（70米~200米）则用作实现 ACC、FCW和AEB等。
24GHz 雷达与 77GHz 雷达
 
实现的自动驾驶功能
长期来看，车用毫米波雷达最终会统一到76-81GHz频段上，原因主要有两方面：
（1）24GHz在带宽和使用范围上受限。 我国工信部对24GHz车用雷达的频段划分为24.25-26.65GHz，带宽为2.4GHz，扩展空间有限。另外，我国射电天文台址周围5公里范围内，禁止使用24GHz短距离车用雷达设备。
 
（2）76GHz~81GHz技术优势。 76GHz~81GHz相比于24GHz，物体分辨准确度提高2-4倍，测速和测距精确度提高3-5倍，能检测行人和自行车；且设备体积更小，更便于在车辆上安装和部署；该频段是全球装配永久认可的权威频段，因此更适用于全球车辆平台。采用MIMO（多输入多输出）阵列扫描技术的79GHz成像雷达还可以获得目标的高度信息，从而实现真正意义的毫米波成像，79GHz成像雷达将成为未来车用中短距离MRR和SRR的主流，与摄像头、激光雷达结合实现多传感器融合。
 
77GHz毫米波测距雷达与79GHz毫米波成像雷达
2、芯片：向硅基CMOS技术演进
 
高集成、低成本
车用毫米波雷达芯片是整个系统的核心，它包括多种功能电路，如低噪声放大器（LNA）、功率放大器（PA）、混频器、压控振荡器（VCO）、锁相环频率综合器（PLL）、本振链路（LO）、移相器、倍频器、分频器、可编程增益放大器（PGA）、滤波器、甚至收发天线等，需要具备射频损耗小、噪声低、频带宽、动态范围大、输出功率大、功率附加效率高、抗电磁辐射能力强等特点。
 
当今量产的76GHz~81GHz毫米波雷达芯片技术大都采用SiGe制程，接收通道、发射通道和本振通道分开实现。目前正在向成本更低、集成度更高的硅基CMOS技术演进，从65nm、40nm逐步向28nm、16nm工艺演进，同时集成度进一步提高，实现射频前端、ADC、MCU和存储器单片全集成，如图所示，达到成本低、封装小、重量轻、功耗低的设计要求。
车用毫米波雷达核心芯片技术发展趋势
3、雷达模块：基于多芯片级联的
79GHz MIMO是产业发展方向
毫米波雷达天线的主流方案是微带阵列，利用较小的高频印刷电路板（PCB）空间产生足够的天线辐射强度，并实现与芯片的互连，如图所示。
车用毫米波雷达天线与模块的主要技术路线
基于多芯片级联的79GHz MIMO毫米波成像雷达是未来产业化方向。采用多芯片级联和微型化PCB板载天线阵列，加上雷达信号处理，可以实现面向高精度多维成像的79GHz MIMO虚拟阵列雷达，将识别精度进一步提升到微米级别，支持距离、速度、角度、高度测量和多视角可调多工作模式，实现全天候下的多维毫米波成像。
 
三、国内外技术水平对比
 
由于我国在传感器相关领域起步相对较晚，毫米波雷达面临国外产业巨头的先发优势和产业链垄断的问题。毫米波雷达方面，博世、大陆、德尔福、电装等企业占据了60%以上的市场份额，且产业链的上游核心芯片为国外垄断，面临禁运、限制出货等不利局面。
1、芯片技术国内外对比
 
芯片与国外技术差距比较大，国内多处于样片阶段。国内的车用毫米波雷达科研院所和芯片厂商，清华大学、加特兰已完成了硅基CMOS 76GHz~81GHz毫米波雷达全集成芯片的研发，东南大学、厦门意行等也推出了SiGe工艺的毫米波雷达芯片，均处于小批量生产阶段，并将会逐步实现量产并占领国内市场。
国内外芯片企业及技术水平对比
2、雷达模块技术国内外对比
雷达模块的核心部件还被外资垄断。车用毫米波雷达天线与模块技术，目前主要掌握在博世、大陆、德尔福等零部件巨头手中；77GHz毫米波雷达使用的高频PCB 板材目前全球仅罗杰斯、松下、Schweizer 等少数公司拥有相关技术。
 
3、毫米波雷达产品及应用对比
在一级供应商层级，国内24GHz可以量产，与国外没有差距，而77GHz的产品虽然可以量产，但是关键芯片还需要依靠进口。
在整车应用层面，国内外差距较大，可能与国内整车产品大多定位于中低端相关。
国内外芯片企业及技术水平对比
 
 
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