英飛淩/恩智浦/UMS/ST的77GHz雷達系統方案比較

 前言：由於世界各國的汽車安全標準、汽車電子化水準不斷提高以及人們對駕駛安全需求不斷增長，具備主動安全技術的ADAS系統呈現快速發展的勢頭。感測器技術是汽車電子的關鍵核心技術之一，各種感測器技術的創新發展為主動安全提供了技術可行性，汽車微波/毫米波雷達感測器正是實現該功能的核心部件之一。微波/毫米波雷達是利用目標對電磁波反射來發現目標並測定其位置的。
  

毫米波頻率高、波長短，一方面可縮小從天線輻射的電磁波射束角幅度，從而減少由於不需要的反射所引起的誤動作和干擾，另一方面由於多普勒頻移大，相對速度的測量精度高。在汽車主動安全領域，汽車微波/毫米波雷達感測器因為能夠全天候工作，不受光線、霧霾、沙塵暴等惡劣天氣的影響，已成為業界公認的主流選擇，擁有巨大的市場需求，因而也是汽車電子廠商當前的主要研發方向。毫米波雷達同超聲波雷達相比，毫米波雷達具有體積小、品質輕和空間解析度高的特點。與紅外、鐳射、攝像頭等光學感測器相比，毫米波雷達穿透霧、煙、灰塵的能力強，具有全天候全天時的特點。
 

▌雷達應用市場
 

據市場研究機構預測，隨著ADAS系統的廣泛應用，汽車微波/毫米波雷達感測器市場的年均增長率將高達23%，預計到2021年的市場需求總量將達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/毫米波雷達感測器的話，市場規模就很可觀，前景廣闊。
 

目前來說，毫米波雷達的技術主要由大陸、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。目前，博世的長距離毫米波雷達產品是其核心產品，主要應用在自巡航控制系統ACC和緊急自動刹車AEB中；Hella則是以24GHz雷達為其核心，客戶範圍廣泛。

                      圖1 毫米波雷達
 

▌雷達方案對比

目前在國內市場，24GHz毫米波雷達與77GHz毫米波雷達的主要區別在於以下幾點：
  1）77GHz毫米波雷達的體積更小。24GHz毫米波雷達和77GHz毫米波雷達的性能及演算法其實相差不遠，更主要的差距還是在雷達體積上。由於24GHz雷達的頻率更低波長更長，因此雷達所需要的天線就更長，做成小體積雷達的難度就更高，因此24GHz毫米波雷達會比77GHz毫米波雷達的體積更大，在追求美觀與輕量化的車載領域體積是個關鍵問題。
  2）77GHz毫米波雷達所需要的工藝更高。77GHz毫米波雷達最大的製造難度體現在其工藝上，77GHz毫米波雷達由於體積小，其線路板的面積很小，因此射頻線路的設計難度非常高，成片的成品率也比較低。
  3）77GHz毫米波雷達的檢測精度更好。相比于24GHz雷達，77GHz雷達的波長更小，雖然繞射能力比24GHz雷達要弱，但是其檢測精度更高。因此未來對於檢測精度精益求精的自動駕駛來說，77GHz毫米波雷達無疑更具有一定優勢。
  4）24GHz毫米波雷達的射頻晶片對相對77GHz雷達射頻晶片更易獲取。各大廠商經過多年對24GHz毫米波雷達的研發，市場上24GHz毫米波雷達的產品體系已經相對成熟，供應鏈已經相對穩定，在國內，24GHz的核心晶片射頻晶片能從英飛淩、飛思卡爾等晶片供應商獲得。但是，目前在全球範圍內77GHz毫米波雷達晶片並沒有穩定的供應體系，由於相關智慧財產權與合作協定的原因，英飛淩、飛思卡爾、意法半導體等晶片商對中國並沒有放開77GHz雷達晶片的供應，因此國內77GHz毫米波雷達的開發受到一些限制。

            表1 77GHz雷達主要功能、性能參數表
全球發達國家向77GHz升級切換，24GHz產品在國內短期仍有市場。考慮到中國的實際國情以及晶片研發進度等行業特點，24GHz毫米波雷達在國內仍有較大市場空間，相比全球而言我國77GHz毫米波雷達的大規模應用將稍微推後。隨著技術的發展，77GHz毫米波雷達將在行業普遍產業化。
  
▌毫米波雷達測距原理
  車載毫米波雷達主要應用在汽車的防撞系統上。車載毫米波雷達利用電磁波發射後遇到障礙物反射的回波對其不斷檢測，計算出與前方或後方障礙物的相對速度和距離。當車輛行進中時，發射機產生的雷達窄波束向前發射調頻連續波（FMCW）信號，當發射信號遇到目標時被反射回來，並為同一天線接收，經混頻放大處理後，可用其差拍信號時間差來表示雷達與目標的距離，再根據差頻信號相差與相對速度關係，計算出目標對雷達的相對速度及危險時間，從而通過防撞系統對車輛做出預判警告。

                 圖2 汽車防撞雷達原理框圖

目前，毫米波車載雷達系統的研究工作領先地區主要分佈在美國、歐洲和日本。目前研究內容主要集中在兩個方面，即前視汽車雷達(FCW)和自主巡航控制系統(ACC) 等。二者的區別在於前者只需完成危險預警功能，而後者需要通過雷達系統即時監測車輛間距和相對運動速度資訊，自動控制汽車的轉向、加速、減速或者刹車，從而自動地調整己車與前車的間距或者相對速度使之保持在一個安全的範圍內。從智慧汽車發展的趨勢看，目前已經加速從預警提示向閉環自動控制功能升級切換。

             圖3 車載雷達模組

             圖4 防碰撞功能

                圖5 雷達系統原理框圖
 

▌毫米波雷達系統方案
  在描述設計方案之前，不得不提到一個好消息。牛喀網於1月19日，邀請了國內雷達開發首席技術專家劉博士，為工程師朋友們帶來3天的培訓。將重點針對77GHz毫米波雷達的系統設計、信號處理、天線設計等技術進行深層剖析。詳情可點擊以下海報瞭解：

 汽車微波/毫米波雷達主要由天線、前端雷達感測器和後端信號處理器組成。其中雷達感測器是最關鍵核心部件，而目前汽車雷達感測器都採用積體電路技術實現。汽車微波/毫米波雷達感測器積體電路主要為：英飛淩、恩智浦∕飛思卡爾和ST（意法半導體）等公司。針對77GHz汽車雷達其主要設計方案如下：

（1）英飛淩77GHz汽車雷達方案

         圖6 英飛淩雷達集成晶片框圖

            圖7 英飛淩雷達系統框圖
 

系統特點：發射模組、接收模組分離，集成度較高，採用該方案來設計77GHz射頻前端電路具有一定的靈活性，單獨電路消化難度有所降低；但由於涉及到比較多的控制電路設計，後期的調試工作量較大。
（2）恩智浦∕飛思卡爾77GHz汽車雷達方案

        圖8 恩智浦∕飛思卡爾雷達框架

         圖9 恩智浦∕飛思卡爾雷達系統框圖

           圖10 恩智浦∕飛思卡爾雷達系統框圖

系統特點：發射模組、接收模組分離，VCO、MCU等電路，集成度較高，採用該方案來設計77GHz射頻前端電路具有一定的靈活性，單獨電路消化難度有所降低；但由於也涉及到比較多的控制電路設計，後期的調試工作量也較大。目前已推出新款集成度更高的晶片樣片，收發模組等進行了集成，支持3發4收。

（3）UMS 77GHz汽車雷達方案

                 圖11 UMS 雷達系統框圖

系統特點：發射模組、接收模組分離，VCO、MCU等電路，集成度較高，採用該方案來設計77GHz射頻前端電路具有一定的靈活性，單獨電路消化難度有所降低；但由於也涉及到比較多的控制電路設計，後期的調試工作量也較大。

（4）ST 77GHz 汽車雷達方案

              圖12 ST 77G DEMO板圖

系統特點：發射模組、接收等模組集成設計，輔以MCU等部分電路可構建雷達系統，集成度高。採用該方案來設計77GHz射頻前端電路內部配置靈活，整體消化難度有所提高；但由於也涉及到控制電路少，後期的調試工作量較少、成本低。
 

綜合情況分析如下：

結論

汽車毫米波雷達在我國屬於新興的產品，汽車主動安全系統也是未來發展的一個重要方向。隨著目前我國自主品牌汽車上ADAS產品的普遍應用和國家標準對汽車主動安全系統的要求逐漸提高。在未來的產品汽車製造中，汽車行業應當將毫米波雷達的搭載應用作為戰略性的發展目標，以市場為導向，抓住難得的發展機遇，早日實現我國汽車防撞雷達產業化。國家應該加大研究資金的投入，推動汽車防撞雷達的研究進度，當防撞雷達技術達到一定的水準，可以帶來巨大的社會和經濟效益