77GHz汽車?yán)走_(dá)方案及集成芯片對(duì)比分析

汪子煜，何少斌，褚永強(qiáng)，朱子甲，韓芳菲

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，汽車智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601）

前言

由于世界各國的汽車安全標(biāo)準(zhǔn)、汽車電子化水平不斷提高以及人們對(duì)駕駛安全需求不斷增長(zhǎng)，具備主動(dòng)安全技術(shù)的ADAS系統(tǒng)呈現(xiàn)快速發(fā)展的勢(shì)頭。傳感器技術(shù)是汽車電子的關(guān)鍵核心技術(shù)之一，各種傳感器技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展為主動(dòng)安全提供了技術(shù)可行性，汽車微波/毫米波雷達(dá)傳感器正是實(shí)現(xiàn)該功能的核心部件之一。微波/毫米波雷達(dá)是利用目標(biāo)對(duì)電磁波反射來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測(cè)定其位置的。毫米波頻率高、波長(zhǎng)短，一方面可縮小從天線輻射的電磁波射束角幅度，從而減少由于不需要的反射所引起的誤動(dòng)作和干擾，另一方面由于多普勒頻移大，相對(duì)速度的測(cè)量精度高。在汽車主動(dòng)安全領(lǐng)域，汽車微波/毫米波雷達(dá)傳感器因?yàn)槟軌蛉旌蚬ぷ?，不受光線、霧霾、沙塵暴等惡劣天氣的影響，已成為業(yè)界公認(rèn)的主流選擇，擁有巨大的市場(chǎng)需求，因而也是汽車電子廠商當(dāng)前的主要研發(fā)方向。毫米波雷達(dá)同超聲波雷達(dá)相比，毫米波雷達(dá)具有體積小、質(zhì)量輕和空間分辨率高的特點(diǎn)。與紅外、激光、攝像頭等光學(xué)傳感器相比，毫米波雷達(dá)穿透霧、煙、灰塵的能力強(qiáng)，具有全天候全天時(shí)的特點(diǎn)。

1 雷達(dá)應(yīng)用市場(chǎng)

據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，隨著ADAS系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，汽車微波/毫米波雷達(dá)傳感器市場(chǎng)的年均增長(zhǎng)率將高達(dá)23%，預(yù)計(jì)到2021年的市場(chǎng)需求總量將達(dá)5000 萬部。2015年中國汽車銷售量為 2459.8萬輛，保守按中國汽車銷售量中有 20%（491萬輛）裝配汽車微波/毫米波雷達(dá)傳感器的話，市場(chǎng)規(guī)模就很可觀，前景廣闊。

目前來說，毫米波雷達(dá)的技術(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(dá)，只有博世、大陸、德爾福、電裝、TRW、富士通天、Hitachi等公司掌握。目前，博世的長(zhǎng)距離毫米波雷達(dá)產(chǎn)品是其核心產(chǎn)品，主要應(yīng)用在自巡航控制系統(tǒng)ACC和緊急自動(dòng)剎車AEB 中；Hella 則是以24GHz雷達(dá)為其核心，客戶范圍廣泛。

2 雷達(dá)方案概述

目前市場(chǎng)主流使用的車載毫米波雷達(dá)按照其頻率的不同，主要可分為兩種：24GHz 毫米波雷達(dá)和 77GHz毫米波雷達(dá)。通常 24GHz 雷達(dá)檢測(cè)范圍為中短距離，用作實(shí)現(xiàn)BSD、LCA等功能，而 77GHz長(zhǎng)程雷達(dá)用作實(shí)現(xiàn) ACC、AEB等功能。

從技術(shù)角度看，24GHz雷達(dá)與 77GHz雷達(dá)都是處于毫米波的頻段，本質(zhì)上并沒有形成大的區(qū)別。而根據(jù)波的傳播理論，在無線通信系統(tǒng)中，頻率較高的信號(hào)比頻率較低的信號(hào)容易穿透建筑物，而頻率越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，繞射能力越強(qiáng)，信號(hào)損失衰減越小，傳輸距離越遠(yuǎn)。因此 24GHz雷達(dá)比77GHz的繞射能力更強(qiáng)，但77GHz雷達(dá)得益于更小的波長(zhǎng)，相比24GHz距離檢測(cè)精度高，因此在使用的時(shí)候各有利弊。

圖1 毫米波雷達(dá)

3 雷達(dá)方案對(duì)比

目前在國內(nèi)市場(chǎng)，24GHz 毫米波雷達(dá)與 77GHz 毫米波雷達(dá)的主要區(qū)別在于以下幾點(diǎn)：

1）77GHz毫米波雷達(dá)的體積更小。24 GHz 毫米波雷達(dá)和77GHz毫米波雷達(dá)的性能及算法其實(shí)相差不遠(yuǎn)，更主要的差距還是在雷達(dá)體積上。由于 24GHz 雷達(dá)的頻率更低波長(zhǎng)更長(zhǎng)，因此雷達(dá)所需要的天線就更長(zhǎng)，做成小體積雷達(dá)的難度就更高，因此 24GHz毫米波雷達(dá)會(huì)比77GHz毫米波雷達(dá)的體積更大，在追求美觀與輕量化的車載領(lǐng)域體積是個(gè)關(guān)鍵問題。

2）77GHz毫米波雷達(dá)所需要的工藝更高。77GHz毫米波雷達(dá)最大的制造難度體現(xiàn)在其工藝上，77GHz毫米波雷達(dá)由于體積小，其線路板的面積很小，因此射頻線路的設(shè)計(jì)難度非常高，成片的成品率也比較低。

3）77GHz毫米波雷達(dá)的檢測(cè)精度更好。相比于 24GHz雷達(dá)，77GHz 雷達(dá)的波長(zhǎng)更小，雖然繞射能力比 24GHz 雷達(dá)要弱，但是其檢測(cè)精度更高。因此未來對(duì)于檢測(cè)精度精益求精的自動(dòng)駕駛來說，77GHz毫米波雷達(dá)無疑更具有一定優(yōu)勢(shì)。

4）24GHz毫米波雷達(dá)的射頻芯片對(duì)相對(duì)77GHz雷達(dá) 射頻芯片更易獲取。各大廠商經(jīng)過多年對(duì) 24GHz 毫米波雷達(dá)的研發(fā)，市場(chǎng)上 24GHz 毫米波雷達(dá)的產(chǎn)品體系已經(jīng)相對(duì)成熟，供應(yīng)鏈已經(jīng)相對(duì)穩(wěn)定，在國內(nèi)，24GHz的核心芯片射頻芯片能從英飛凌、飛思卡爾等芯片供應(yīng)商獲得。但是，目前在全球范圍內(nèi) 77GHz 毫米波雷達(dá)芯片并沒有穩(wěn)定的供應(yīng)體系，由于相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)與合作協(xié)議的原因，英飛凌、飛思卡爾、意法半導(dǎo)體等芯片商對(duì)中國并沒有放開 77GHz 雷達(dá)芯片的供應(yīng)，因此國內(nèi) 77GHz 毫米波雷達(dá)的開發(fā)受到一些限制。

表1 77GHz雷達(dá)主要功能、性能參數(shù)表

全球發(fā)達(dá)國家向 77GHz升級(jí)切換，24GHz產(chǎn)品在國內(nèi)短期仍有市場(chǎng)?？紤]到中國的實(shí)際國情以及芯片研發(fā)進(jìn)度等行業(yè)特點(diǎn)， 24GHz 毫米波雷達(dá)在國內(nèi)仍有較大市場(chǎng)空間，相比全球而言我國 77GHz 毫米波雷達(dá)的大規(guī)模應(yīng)用將稍微推后。隨著技術(shù)的發(fā)展，77GHz 毫米波雷達(dá)將在行業(yè)普遍產(chǎn)業(yè)化。

4 毫米波雷達(dá)測(cè)距原理

車載毫米波雷達(dá)主要應(yīng)用在汽車的防撞系統(tǒng)上。車載毫米波雷達(dá)利用電磁波發(fā)射后遇到障礙物反射的回波對(duì)其不斷檢測(cè)，計(jì)算出與前方或后方障礙物的相對(duì)速度和距離。當(dāng)車輛行進(jìn)中時(shí)，發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的雷達(dá)窄波束向前發(fā)射調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）信號(hào)，當(dāng)發(fā)射信號(hào)遇到目標(biāo)時(shí)被反射回來，并為同一天線接收，經(jīng)混頻放大處理后，可用其差拍信號(hào)時(shí)間差來表示雷達(dá)與目標(biāo)的距離，再根據(jù)差頻信號(hào)相差與相對(duì)速度關(guān)系，計(jì)算出目標(biāo)對(duì)雷達(dá)的相對(duì)速度及危險(xiǎn)時(shí)間，從而通過防撞系統(tǒng)對(duì)車輛做出預(yù)判警告。

圖2 汽車防撞雷達(dá)原理框圖

目前，毫米波車載雷達(dá)系統(tǒng)的研究工作領(lǐng)先地區(qū)主要分布在美國、歐洲和日本。目前研究?jī)?nèi)容主要集中在兩個(gè)方面，即前視汽車?yán)走_(dá)(FCW)和自主巡航控制系統(tǒng) (ACC) 等。二者的區(qū)別在于前者只需完成危險(xiǎn)預(yù)警功能，而后者需要通過雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛間距和相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度信息，自動(dòng)控制汽車的轉(zhuǎn)向、加速、減速或者剎車，從而自動(dòng)地調(diào)整己車與前車的間距或者相對(duì)速度使之保持在一個(gè)安全的范圍內(nèi)。從智能汽車發(fā)展的趨勢(shì)看，目前已經(jīng)加速從預(yù)警提示向閉環(huán)自動(dòng)控制功能升級(jí)切換。

圖3 車載雷達(dá)模塊

圖4 防碰撞功能

圖5 雷達(dá)系統(tǒng)原理框圖

5 毫米波雷達(dá)系統(tǒng)方案

汽車微波/毫米波雷達(dá)主要由天線、前端雷達(dá)傳感器和后端信號(hào)處理器組成。其中雷達(dá)傳感器是最關(guān)鍵核心部件，而目前汽車?yán)走_(dá)傳感器都采用集成電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)。汽車微波/毫米波雷達(dá)傳感器集成電路主要為：英飛凌、恩智浦∕飛思卡爾、和ST（意法）等公司。針對(duì)77G汽車?yán)走_(dá)其主要設(shè)計(jì)方案如下：

（1）英飛凌77GHz 汽車?yán)走_(dá)方案

圖6 英飛凌雷達(dá)集成芯片框圖

圖7 英飛凌雷達(dá)系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)特點(diǎn)：發(fā)射模塊、接收模塊分離，集成度較高，采用該方案來設(shè)計(jì)77GHz射頻前端電路具有一定的靈活性，單獨(dú)電路消化難度有所降低；但由于涉及到比較多的控制電路設(shè)計(jì)，后期的調(diào)試工作量較大。

（2）恩智浦∕飛思卡爾77GHz 汽車?yán)走_(dá)方案

圖8 恩智浦∕飛思卡爾雷達(dá)框架

圖9 恩智浦∕飛思卡爾雷達(dá)系統(tǒng)框圖

圖10 恩智浦∕飛思卡爾雷達(dá)系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)特點(diǎn)：發(fā)射模塊、接收模塊分離，VCO、MCU等電路，集成度較高，采用該方案來設(shè)計(jì)77GHz射頻前端電路具有一定的靈活性，單獨(dú)電路消化難度有所降低；但由于也涉及到比較多的控制電路設(shè)計(jì)，后期的調(diào)試工作量也較大。目前已推出新款集成度更高的芯片樣片，收發(fā)模塊等進(jìn)行了集成，支持3發(fā)4收。

（3）UMS 77GHz 汽車?yán)走_(dá)方案

圖11 UMS雷達(dá)系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)特點(diǎn)：發(fā)射模塊、接收模塊分離，VCO、MCU等電路，集成度較高，采用該方案來設(shè)計(jì)77GHz射頻前端電路具有一定的靈活性，單獨(dú)電路消化難度有所降低；但由于也涉及到比較多的控制電路設(shè)計(jì)，后期的調(diào)試工作量也較大。

（4）ST 77GHz 汽車?yán)走_(dá)方案

圖12 ST 77G DEMO板圖

系統(tǒng)特點(diǎn)：發(fā)射模塊、接收等模塊集成設(shè)計(jì)，輔以MCU等部分電路可構(gòu)建雷達(dá)系統(tǒng)，集成度高。采用該方案來設(shè)計(jì)77GHz射頻前端電路內(nèi)部配置靈活，整體消化難度有所提高；但由于也涉及到控制電路少，后期的調(diào)試工作量較少、成本低。

綜合情況分析如下：

表2

6 總結(jié)

汽車毫米波雷達(dá)在我國屬于新興的產(chǎn)品，汽車主動(dòng)安全系統(tǒng)也是未來發(fā)展的一個(gè)重要方向。隨著目前我國自主品牌汽車上ADAS產(chǎn)品的普遍應(yīng)用和國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)汽車主動(dòng)安全系統(tǒng)的要求逐漸提高。在未來的產(chǎn)品汽車制造中，汽車行業(yè)應(yīng)當(dāng)將毫米波雷達(dá)的搭載應(yīng)用作為戰(zhàn)略性的發(fā)展目標(biāo)，以市場(chǎng)為導(dǎo)向，抓住難得的發(fā)展機(jī)遇，早日實(shí)現(xiàn)我國汽車防撞雷達(dá)產(chǎn)業(yè)化。國家應(yīng)該加大研究資金的投入，推動(dòng)汽車防撞雷達(dá)的研究進(jìn)度，當(dāng)防撞雷達(dá)技術(shù)達(dá)到一定的水平，可以帶來巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

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