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4 4D 毫米波的技術(shù)路線探討
4.1 前端收發(fā)模塊 MMIC：級聯(lián)、CMOS、AiP
4.1.1 設(shè)計：級聯(lián)、單芯片、虛擬孔徑
????????4D 毫米波雷達的技術(shù)路線主要分為三種，分別是多級聯(lián)、級聯(lián) + 虛擬孔徑成像技術(shù)、以及 集成芯片。（ 1 ）多級聯(lián)：級聯(lián)方案以成熟的標(biāo)準(zhǔn)雷達芯片為基礎(chǔ)，在業(yè)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。級聯(lián)方案通常應(yīng)用德州儀器、英飛凌、恩智浦等公司的標(biāo)準(zhǔn)雷達芯片，通過 2 級聯(lián)、 4 級聯(lián)或 8 級聯(lián)方式增加天線數(shù)量，形成多發(fā)多收通道。由于該方案基于成熟芯片打造，前期開發(fā)難度低，有利于加快產(chǎn)品上市節(jié)奏。目前，大陸集團、采埃孚、博世、安波福、華為、華域汽車等零部件供應(yīng)商，均基于級聯(lián)方案打造 4D 毫米波雷達。但由于級聯(lián)方案由多顆芯片級聯(lián)而成，產(chǎn)品尺寸較大、功耗較高。另一方面，天線之間存在互相干擾的問題，零部件供應(yīng)商需要解決信噪比較低的問題。
????????（2 ）集成芯片：集成芯片方案集成度更高，對技術(shù)應(yīng)用的要求提升。集成芯片方案通過將多發(fā)多收天線集成在一顆芯片中，以 ASIC 芯片實現(xiàn)上述功能。與級聯(lián)方案相比，集成芯片方案集成度更高，有利于大幅縮小 4D 毫米波雷達的體積，降低產(chǎn)品功耗。但由于芯片方案尚未完全成熟，該方案成本較高。根據(jù) Vehicle 數(shù)據(jù)，現(xiàn)階段集成芯片方案的 4D 毫米波雷達單價約為 300-400 美元，級聯(lián)方案則為 150-200 美元。同時，采用集成芯片方案的廠商需要解決天線密集布置、天線之間互相干擾等問題，對技術(shù)應(yīng)用的要求更高。目前， Arbe、Uhnder 、 Vayaar 為該技術(shù)路線的代表性企業(yè)。
????????（3 ）級聯(lián) + 虛擬孔徑成像： 級聯(lián)+虛擬孔徑成像方案通過算法實現(xiàn)天線數(shù)量倍增。對于傳統(tǒng)毫米波雷達而言，產(chǎn)生多種波形的唯一方法是增加接收天線數(shù)量。級聯(lián)+虛擬孔徑成像方案在標(biāo)準(zhǔn)雷達芯片的基礎(chǔ)上，借助虛擬孔徑成像算法進行相位調(diào)制，使得每根接收天線在不同時間產(chǎn)生不同的相位響應(yīng)，從而將原有物理天線虛擬至十倍甚至數(shù)十倍，角分辨率能夠從 10°提升至 1°。與級聯(lián)方案相比，該方案使用的芯片數(shù)量更少，有利于縮小產(chǎn)品尺寸，降低產(chǎn)品功耗。與集成芯片方案相比，該方案使用的芯片更加成熟，且不依賴于特定廠商的芯片方案，兼容度更高。該方案在虛擬孔徑成像算法、天線布局等方面具有較高壁壘，目前的主要參與者為傲酷和幾何伙伴。
圖表 16 ： 前端收發(fā)模塊 MMIC ：級聯(lián)、單芯片、虛擬孔徑
????????級聯(lián)方案開發(fā)難度低、產(chǎn)品落地快，成為國外內(nèi)為主流技術(shù)路線。TI 在公司早期推出的毫米波雷達芯片 AWR1243 中通過發(fā)射 FMCW 信號來探測目標(biāo)的距離和速度，而使用時分波形的方式將三個發(fā)射和四個接收構(gòu)成的 12個虛擬通道來探測角度，然而受限于角度分辨率，其獲取的目標(biāo)信息有效。而毫米波雷達系統(tǒng)級聯(lián)方案，通過將四個三發(fā)四收的單個 MIMO芯片級聯(lián)方案可以構(gòu)成 12 發(fā) 16 收的 MIMO 雷達陣列，此時雷達系統(tǒng)的虛擬通道數(shù)可從 12提升到了 192，該方法可以極大地提升雷達系統(tǒng)的角度分辨率。目前大部分毫米波雷達公司，包括國內(nèi)、國外、傳統(tǒng)、頭部的雷達供應(yīng)商，都采用級聯(lián)的方式實現(xiàn)，一般采用 2 片或者 4片級聯(lián)的技術(shù)方案。級聯(lián)的方式很多時候比單芯片方式更合適，效果和可行性更好。比如一個芯片的集成度非常高，單個芯片就要做得很大，因為單入單出非常占面積，成本也會很高。另外一個問題就是單芯片天線通道高頻段耦合互耦非常強，這是一個很不好的設(shè)計。即使通過精心設(shè)計消除互耦，也存在同一芯片中通道拉的遠的傳輸距離遠導(dǎo)致?lián)p耗大的問題，但如果采用分布式或級聯(lián)的解決方案，就能很好的解決這個問題。
4.1.2 MMIC 工藝：GaAs-SiGe-CMOS
????????MMIC 芯片工藝改進（ GaAs-SiGe-CMOS ）推動車載毫米波雷達系統(tǒng)成本持續(xù)下行。
????????1） GaAs 工藝時代（ 1990 年 -2009 年）： 早期 PCBA 上大部分的器件都可以使用硅來制造，只有射頻部分沒有辦法使用，主流都是采用砷化鎵（GaAs）的工藝來制造；由于砷化鎵工藝所需要的材料比較稀缺，不管是材料成本和制造成本都比較高，對于生產(chǎn)線的要求也很高。因此在 2009 年之前，毫米波雷達中的前端射頻芯片最初也是使用的 GaAs 工藝，而且集成度很低，一個毫米波雷達需要 7-8 顆 MMICs 、 3-4 顆 BBICs 。
????????2） SiGe 工藝時代（ 2009 年至今）： SiGe（鍺硅）擁有硅工藝的集成度、良率和成本優(yōu)勢，從 2009 年開始 SiGe 工藝逐漸代替 GaAs 工藝，毫米波雷達前端射頻芯片的集成度大幅提升，一個毫米波雷達只需要 2-5 顆 MMICs 、 1-2 顆 BBICs，毫米波雷達整個系統(tǒng)成本降低 50% 。
????????3） CMOS 工藝時代（ 2017 年至今）： 最初 CMOS 工藝沒法用在毫米波雷達芯片，是因為不能工作在高頻中，以 180nm 為例， SiGe 可以工作在 180GHz 以上，而 CMOS 工作頻率只能達到 40GHz ；直到 2010 年工藝進步到 40nm ，才使得 CMOS 用于 77GHz 毫米波雷達成為可能。由于 CMOS 晶圓價格便宜且集成度非常高，一個毫米波雷達只需要 1 顆 MMIC芯片、 1 顆 BBIC 芯片。
圖表 17 ： 前端收發(fā)模塊 MMIC 工藝： GaAs-SiGe-CMOS
4.1.3 波形：FMCW、PMCW
????????目前車載毫米波雷達多采用連續(xù)調(diào)頻式（FMCW ）。顧名思義，調(diào)頻連續(xù)波是連續(xù)發(fā)射調(diào)頻信號，以測量距離、角度和速度等。在該方法中，在特定周期 T 內(nèi)對特定頻率的連續(xù)波進行調(diào)頻，同時傳輸該連續(xù)波。以這種方式傳輸?shù)男盘柨梢员灰暈椤皫в袝r間戳”。發(fā)射波到達目標(biāo)，其中一部分被反射。雷達接收到的反射波與原始信號混合、比較，進行信號處理。
????????相對其他電磁波雷達，調(diào)頻連續(xù)波雷達發(fā)射功率較低、成本低且信號處理相對簡單，被毫米波雷達廠商廣泛使用。
圖表 19 ： FMCW 汽車雷達–原理和組件
????????調(diào)相連續(xù)波（PMCW）雷達會根據(jù)碼序列，由正交調(diào)制器對載波進行相位調(diào)制后發(fā)送，接收來自目標(biāo)的反射信號，由正交檢測器根據(jù)發(fā)送的載波信號進行正交檢波，在 LPF 中消除諧波。用 ADC 將檢波輸出的實部（ I ）和虛部（Q）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，用數(shù)字濾波器進行頻帶限制后，用相關(guān)器計算發(fā)送碼系列和接收碼系列的相關(guān)值，通過峰值檢測來檢測目標(biāo)。PMCW 毫米波雷達技術(shù) , 相較于傳統(tǒng)的 FMCW 雷達，具備探測距離更遠、分辨率更高、抗干擾能力更強等優(yōu)勢。目前， Uhnder 有一款 28nm ，具有 12TX/16RX 通道收發(fā)器的產(chǎn)品，使用自己的軟件來實現(xiàn)帶數(shù)字編碼調(diào)制（ DCM ）的相位調(diào)制連續(xù)波形（ PMCW），有助于通過使用幾乎獨特的相位編碼探測信號來消除相互的雷達干擾。
圖表 20 ： PMCW 雷達的結(jié)構(gòu)
4.2 天線：分立-AoB-AiP
????????射頻前端收發(fā)模塊集成有分立模式、AoB 、 AiP 三次技術(shù)路線。 AoB( 板載天線 )是指將天線貼在高頻 PCB 板上； AiP( 封裝天線 ) 是指將天線和芯片集成封裝到一起，天線采用 IC 封裝工藝制作。相比于 AoB ， AiP 具有以下優(yōu)勢：
????????1) 帶有天線封裝的雷達傳感器的板級面積比采用 AoB的傳感器的天線所占板級空間的面積小約 30% 。
????????2) 降低高頻 PCB 基板面積，可以降低 BOM 成本。
????????3) 由毫米波雷達芯片廠商做了天線設(shè)計部分，毫米波雷達系統(tǒng)廠商無需做天線設(shè)計和開發(fā)，可以降低工程成本。
????????4) 由于從硅芯片到天線的路徑更短，因此可以實現(xiàn)更高的效率和更低的功耗。
????????小型化、增加新的應(yīng)用場景、易安裝、低成本是 AiP 技術(shù)的核心優(yōu)勢?？紤]到未來車載 4D毫米波雷達的發(fā)展趨勢，采用 AiP 技術(shù)將帶來更小的雷達尺寸、更低的雷達成本、更靈活的應(yīng)用場景。
圖表 21 ： 天線：分立模式 -AoB-AiP
4.3 系統(tǒng)：分立-模塊合成-SoC 集成
????????4D 毫米波雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集成技術(shù)經(jīng)歷了分立模式、模組合成、 SoC 集成三次技術(shù)升級，我 們認為， SoC 集成是未來發(fā)展趨勢。 MMIC 、 DSP( 數(shù)字信號處理器 ) 、 MCU( 微控制器 )是4D 毫米波雷達的核心部件，不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集成技術(shù)代表了這三個部件不同的集成方式：
????????1) 分立模式：指 MMIC,DSP 和 MCU 模塊都分開，可由不同的供應(yīng)商提供產(chǎn)品
????????2) 模組合成： MMIC 與 DSP 集成，或者 DSP 與 MCU 集成
????????3) SoC 集成： SoC(SystemonaChip)是指將多個電子元件、模塊或者子系統(tǒng)集成到一塊芯片上的技術(shù)。這里指將 MMIC ， DSP ， MCU 集成在雷達 SoC 芯片上。
????????低成本、小型化、高性能、低功耗是 SoC 集成最大優(yōu)勢，也符合車載 4D 毫米波雷達未來的發(fā)展趨勢：
????????1) 高集成帶來的直接優(yōu)勢就是高性價比，因為可以用單 SoC 方案解決以前用三個子系統(tǒng)組成的毫米波雷達傳感器，這顯著降低了毫米波雷達的成本，大幅拉低了車載毫米波雷達硬件的開發(fā)難度。
????????2) 將各個部件集中在一塊芯片上，可以減小毫米波雷達體積。
????????3) 各部件排布更為緊密，有效較少了各部件之間信息傳輸?shù)膿p耗，提高了信息傳輸效率。
圖表 22 ： 系統(tǒng)：分立 - 模塊合成 -SoC 集成
圖表 23 ： 4D 毫米波雷達系統(tǒng)
圖表 24 ： 德州儀器（ TI ） AWR1642 毫米波雷達芯片的高級架構(gòu)框圖
