text: 摄像头、激光雷达、毫米波雷达这三种智能汽车上最常见的传感器，各有优缺点。通常是将三个传感器叠加在一起，发挥更大的作用。摄像头是被动传感器，能识别丰富的色彩信息，但受光线影响显著，在一些光线不好的环境下置信度相对较低。激光雷达不论是从测距能力、置信度、可感知物体细节，综合实力都很出色，可能最大的缺点，就是有点“贵”。毫米波雷达的置信度高，是智能驾驶系统中用于环境传感不可或缺的传感器，具有防撞、自动泊车、行人检测等诸多功能，这对于减少交通事故、保护行人和乘客的生命财产安全具有重要意义。
  图1、三种传感器方案对比
  毫米波雷达的工作原理是，通过向外界发射电磁波，从而探测目标的反射信号，根据发射和接收毫米波的时间差来推算探测目标与信号发出点的相对距离。毫米波雷达是一种使用毫米波段进行测距、探测、跟踪、成像的主动传感器。它可主动发射电磁波，穿透烟尘，几乎不受光线和天气影响，帮助车辆实时感知周围物体并提供较为准确的距离和速度信息。
  图2、毫米波雷达
  根据多普勒效应，毫米波雷达还能通过接收时间和频率的变化，探测出与目标之间的相对速度;通过并列接受天线的几何距离，和同一个探测目标反射波的相位差，计算出目标的方位角，进而就可以根据角度来确定目标的具体方位。
  图3、多普勒效应
  毫米波，英文名称为Millimeter Wave，缩写为MMW，波长为1～10毫米，频率为30~300GHz的电磁波。毫米波的频率介于微波和红外线之间，因此兼有这两种波谱的优点，同时具有自己的特性：
  ① 与微波相比，具有体积小、质量轻和分辨率高的优点;② 与红外、激光相比，穿透烟、雾、灰尘能力强，传输距离远，具有全天候全天时的特点;③ 性能稳定，不受目标物体形状和颜色的干扰。因此，毫米波雷达很好弥补了红外、激光、超声波、摄像头等其他传感器在车载应用中所不具备的使用场景。
  图4、毫米波雷达应用
  毫米波雷达根据雷达工作系统的性质可分为脉冲雷达和连续波雷达。连续波雷达的工作模式又分为恒频连续波(CW)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)、调频连续波(FMCW)、快速调频连续波(FCM-FMCW)等方法。根据平台分类，可分为车载毫米波雷达、舰载毫米波雷达、机载毫米波雷达、星载毫米波雷达等。根据雷达测距的不同要求，毫米波雷达可分为远程雷达(LRR)、中程雷达(MRR)和短程雷达(SRR)。
  图5、不同类型的毫米波雷达
  此外，根据应用领域，毫米波雷达可分为制导雷达、火控雷达、目标探测雷达、毫米波地球观测雷达、毫米波接近探测雷达等。3D毫米波雷达是指可以感测距离、移动速度、水平角度3个维度信息的毫米波雷达。4D毫米波雷达，则比3D毫米波雷达多了一个“D”——俯仰角，也就是高度信息。虽然只多出一个维度，但对于毫米波雷达来说，其意义巨大。毫米波雷达主要由高频PCB天线、射频前端收发组件、数字信号处理器及雷达控制电路等部分组成。下图为某毫米波雷达的实物拆解图，其中微带贴片天线和前端收发组件MMIC为核心部件，信号处理器集成在了前端收发组件上。
  图6、毫米波雷达组成
  毫米波雷达的硬件BOM拆分：射频前端收发组件MMIC(包括发射、接收、及信号处理器)的成本约占50%、高频PCB天线(包括接收、发射天线)的成本约占20%、数字信号处理器(DSP/FPGA)的成本约占20%;雷达控制电路及其它硬件成本约占10%。MMIC芯片是毫米波雷达成本中最重要组成部分。
  图7、毫米波BOM成本组成
  ① 射频前端收发组件MMICMMIC是毫米波雷达的核心部分，主要负责毫米波信号的调制、发射、接收以及回波信号的解调。收发组件包含了放大器、振荡器、开关、混频器等多个电子元器件，常采用单片微波集成电路(MonolithicMicrowave Integrated Circuit，MMIC)。MMIC，属于半导体集成电路的一种技术，能降低系统尺寸、功率和成本，还能嵌入更多的功能。在毫米波雷达CMOS工艺、AiP封装技术走向成熟并大量应用的背景下，毫米波雷达已逐步从不同模块分立向模块高度集成的“毫米波雷达SoC”形态进化。毫米波雷达SoC技术将收发模块(MMIC、RF)和处理模块(DSP、MCU)集成于同一块芯片中，充分满足汽车及IoT行业对于整体小型化、集成化要求，是毫米波雷达产品形态的一次巨大提升，并使产品的平台化、系列化发展和下游模组研发变得更容易。MMIC原厂有英飞凌、德州仪器、意法半导体、亚德诺、恩智浦、安森美、Arbe、Uhnder、RFISee、VAYYAR、索喜、英特尔/Mobileye、富士通、瑞萨/Steradian、微度芯创、微远芯、加特兰、润积电、硅杰、意行半导体、斯凯瑞利、岸达、迈硅科、圭步微、晟德微、正和微芯、问智微、中国电科38所等。② 高频PCB天线天线主要用于发射和接收毫米波，由于毫米波波长只有几个毫米，而天线长度为波长1/4时，天线的发射和接收转换效率最高，因此天线尺寸可以做的很小，同时还可以使用多根天线来构成阵列。目前主流天线方案是采用微带阵列，即在印刷电路PCB板上，铺上微带线，形成“微带贴片天线”，以满足低成本和小体积的需求。按照天线模式可分为远程雷达(开口约 30°，200m)、中程雷达(开口约 60°，100m)和近程雷达(开口约 120°，30m)。
  图7、毫米波评估板(图源：TI)
  天线设计是各家雷达厂商能够做出差异化的关键环节之一，决定了方位角和俯仰角性能(视场角、角分辨率、角度精度)。天线高频PCB板原厂有罗杰斯、罗德与施瓦茨、泰康尼、Isola、松下电工、雅龙、沪电、生益科技、深南电路、四会富仕等。③ 数字信号处理器数字信号处理器通过嵌入不同的信号处理算法，提取从前端采集得到的中频信号，获得特定类型的目标信息。毫米波雷达的数字处理主要算法包括：阵列天线波速形成和扫描算法、信号预调理、杂波处理算法、目标检测 / 测量的算法、目标分类与跟踪算法以及信息融合算法。数字信息处理是毫米波雷达稳定性、可靠性的核心。 数字信号处理器集成了CPU、雷达信号专用处理单元、存储单元(SRAM、Flash、DDR/LPDDR)，其中雷达信号专用处理单元可以是FPGA、DSP、或者专用单元。DSP芯片原厂有英飞凌、德州仪器、意法半导体、亚德诺、恩智浦、Arbe、瑞萨、加特兰、昱感微、海思、中国电科等。FPGA芯片原厂有AMD/赛灵思、英特尔/阿尔特拉、微芯/美高森美、莱迪思等。④ 雷达控制电路雷达控制电路根据信号处理器获得的目标信息，结合雷达终端动态信息进行数据融合，最终通过主处理器进行智能处理，对雷达终端前方出现的障碍物进行分析判断，迅速做出处理和发出指令，及时传输给报警显示系统和制动执行系统。雷达控制电路主要由MCU、模数转换器(ADC)和时钟等模拟组件组成。
  低成本、小型化、高性能、低功耗是SoC集成最大优势，也符合车载4D毫米波雷达未来的发展趋势。SoC集成：SoC(SystemonaChip)是指将多个电子元件、模块或者子系统集成到一块芯片上的技术，毫米波雷达则是将MMIC，DSP，MCU集成在单颗SoC芯片里。
  为了满足不同距离范围的探测需要，一辆汽车上会安装多颗短程(SRR)、中程(MRR)和长程(LRR)毫米波雷达。其中24GHz雷达主要实现近程(Short Range Radar)和中程探测(Middle Range Radar)，可用于汽车盲点监测、车道偏离预警、泊车辅助等功能。而77GHz雷达主要实现远程探测(Long Range Radar)，可用于自动紧急制动、自适应巡航、前向碰撞预警等主动安全领域的功能。
  下图为奔驰S搭载6个毫米波雷达，包括5个短程雷达和1个长程雷达，分别安装在汽车不同部位，以实现泊车辅助、主动巡航控制、制动辅助等功能。
  图8、毫米波雷达在汽车上的应用
  据Yole Développement预测，全球毫米波雷达市场规模将从2022年的18亿美元，增加到2025年的30亿美元，年复合增长率约18.56%。从装车数量来看，佐思汽车研究数据显示，2022年中国乘用车市场的毫米波雷达装车总量达1648.2万颗，同比增长34.5%;2022年毫米波雷达装配车型达到867.0万辆，同比增长21.9%，占整体乘用车销量的43%。从配置策略上看，4颗和5颗毫米波雷达方案增速最快，分别为87.2%、107.9%。如今国内外毫米波雷达供应商已有百余家，4D成像雷达市场刚刚起步，毫米波雷达测速和测距性能进步主要取决于MMIC芯片和射频天线性能的提升，而4D毫米波雷达未来将向着高集成化、低成本和小体积方向发展，单芯片内的部件排布更为紧密，减小毫米波雷达体积，也降低功率损耗，提高信息传输效率，减少开发难度和成本。当前4D毫米波雷达发展的技术路线主要有级联、级联+虚拟孔径成像技术以及集成芯片三条。根据Vehicle数据，现阶段集成芯片方案的4D毫米波雷达单价约为300-400美元，级联方案则为150-200美元。4D毫米波雷达成本和性能之间是有一个取舍的并且需要一个平衡，这个取舍的火候需要工程师去掌控，芯片和方案选型也极为重要。拍明芯城是快速撮合的元器件交易平台，过去数年已积累了毫米波雷达芯片的优势货源。我们聚焦服务元器件长尾客户群，让每一家芯片原厂或分销商的每一款芯片，在Design In、Design Win和流通中更高效，帮助工程师的方案选型、试样及采购，为电子产业供需略尽绵薄之力。
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