在無人駕駛架構中,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、技術比較成熟率先成為無人駕駛系統主力傳感器。本文將從技術、方案、應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,預計到2020年將增長至7200萬顆,年復合增長率達到25%,處于市場快速增長期。其中安全法規和智能網聯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域,隨著雷達技術的發展與進步,毫米波雷達傳感器開始應用于汽車電子、無人機、智能交通等多個領域。

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,少數國家(如日本)采用60GHz頻段。由于77G相對于24G的諸多優勢,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射毫米波,接收目標反射信號,經后方處理后快速準確地獲取汽車車身周圍的物理環境信息(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),然后根據所探知的物體信息進行目標追蹤和識別分類,進而結合車身動態信息進行數據融合,最終通過中央處理單元(ECU)進行智能處理。經合理決策后,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,從而保證駕駛過程的安全性和舒適性,減少事故發生幾率。

毫米波雷達工作路徑簡圖

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。

由于可測量多個目標、分辨率較高、信號處理復雜度低、成本低廉、技術成熟,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供應商均采用FMCW調制方式。

FMCW雷達系統主要包括收發天線、射頻前端、調制信號、信號處理模塊等。毫米波雷達通過接收信號和發射信號的相關處理實現對目標的探測距離、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汽車雷達系統為例,主要包括天線、收發模塊、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、調制器、壓控振蕩器(VCO)、移相器等。

毫米波雷達的關鍵部件前端單片微波集成電路(MMIC)技術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商手中。國內的MMIC仍處于起步狀態,廈門意行和南京米勒為正在研發雷達MMIC,相關性能仍有待驗證。另外唯一的豪米波雷達國家重點實驗室-東南大學也一直在研發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鍵設計之一, 同時也是毫米波車用雷達能否贏得市場的關鍵。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雷達更高規格的高頻PCB板,77GHz雷達的大范圍運用將帶來相應高頻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,使得系統供應商在里面擔當了產業鏈中核心角色,基于毫米波雷達的ADAS技術主要由大陸、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板廠商暫無技術儲備,只能根據圖紙代加工,元器件仍需國外進口。滬電股份是大陸和博世的板材供應商,目前已就24GHz和77GHz高頻雷達用PCB產品與國際頂尖廠商Schweizer開展合作。

車載毫米波雷達的應用

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相關產品將逐漸向低端車型普及。

利用毫米波雷達可以實現自適應巡航控制(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(ADAS)功能。其中24GHz 雷達系統主要實現近距離探測(SRR),而77GHz 系統主要實現遠距離的探測(LRR)。

SRR應用圖

SRR和LRR結合應用圖

想要完全實現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|圖片)采用5個毫米波雷達(1長+4短),奔馳的

S級(參數|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外市場格局

目前毫米波雷達技術主要由大陸、博世、電裝、奧托立夫、Denso、德爾福等傳統零部件巨頭所壟斷,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、德企業壟斷,價格昂貴,自主可控迫在眉睫。國內自主車載毫米波雷達產品總體仍處于研制階段。因研發成本及難度較低,目前國內廠商研發方向主要集中于24GHz雷達產品。預計2016-2017年,自主品牌車載毫米波雷達傳感器可逐步實現批量裝車應用。PCB板有望在今年四季度形成批量生產能力

關鍵詞： 車載毫米波雷達