加特蘭四代更迭，毫米波雷達(dá)技術(shù)創(chuàng)新再突破

ADAS無(wú)人駕駛的興起，催生了傳感器的需求。有研究機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到2022年，全球車用毫米波雷達(dá)市場(chǎng)規(guī)?？傆?jì)約160億美元，其中，芯片約達(dá)80億美元。同時(shí)，隨著工廠自動(dòng)化，以及智慧城市和智慧家庭的發(fā)展，毫米波雷達(dá)在工業(yè)、安防等領(lǐng)域迎來(lái)行業(yè)的春天，增量市場(chǎng)正呈現(xiàn)多元化的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

作為CMOS毫米波領(lǐng)域的開(kāi)拓者，加特蘭微電子科技（上海）有限公司（簡(jiǎn)稱“加特蘭”）一直專注于研發(fā)具有高集成度的毫米波雷達(dá)傳感器芯片，致力于汽車、工業(yè)、商業(yè)樓宇、智能家居、醫(yī)療健康等關(guān)鍵領(lǐng)域的普及。

2017年，加特蘭成功量產(chǎn)全球第一代77/79GHz CMOS工藝毫米波雷達(dá)芯片，率先實(shí)現(xiàn)了在汽車前裝市場(chǎng)的突破；2019年，加特蘭又推出了77/79GHz AIps SoC系列芯片，幫助更多用戶更好地開(kāi)發(fā)出具有競(jìng)爭(zhēng)力的雷達(dá)傳感器產(chǎn)品，其同步推出的AIps AiP系列產(chǎn)品，更是極大地降低了雷達(dá)開(kāi)發(fā)成本與難度，更好地滿足短距、超短距雷達(dá)的要求，可謂在毫米波雷達(dá)技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)上又向前邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。今年九月，在加特蘭舉辦的媒體會(huì)上，公司進(jìn)一步就毫米波雷達(dá)背后的秘密武器——AiP技術(shù)向現(xiàn)場(chǎng)來(lái)賓做了詳細(xì)講解。

AiP技術(shù)讓毫米波雷達(dá)更強(qiáng)大

作為一家無(wú)晶圓的芯片設(shè)計(jì)公司，成立于2014年的加特蘭表現(xiàn)出驚人的設(shè)計(jì)研發(fā)與創(chuàng)新能力，并取得了驕人的成績(jī)，2019年量產(chǎn)的全球首款天線內(nèi)置多通道77GHz CMOS毫米波雷達(dá)SoC系列芯片，并同步推出了AiP產(chǎn)品（AiP的英文全稱是Antenna-in-Package，意為封裝里的天線）。

AiP芯片圖

AiP技術(shù)的誕生，帶來(lái)的是整個(gè)系統(tǒng)成本顯著降低，且更易于生產(chǎn)與開(kāi)發(fā)。加特蘭微電子公司COO呂昱昭說(shuō)：“作為CMOS毫米波雷達(dá)技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，加特蘭CMOS工藝的一大優(yōu)勢(shì)就是可以把射頻芯片和數(shù)字芯片集成到一起變成SoC，從第一代的砷化鎵到鍺硅，整個(gè)系統(tǒng)成本降低50%。再到CMOS工藝時(shí)代，跟上一代鍺硅相比，又降了40%的系統(tǒng)成本，到SoC時(shí)代，還會(huì)帶來(lái)30%的成本降低，而CMOS AiP將會(huì)讓成本進(jìn)一步下降?！?br />
呂昱昭預(yù)測(cè)稱，隨著AiP技術(shù)的普及，到2024年，全球毫米波雷達(dá)的容量將增長(zhǎng)到4億顆，其中，AiP能給市場(chǎng)帶來(lái)40%的增長(zhǎng)。這種將AiP天線內(nèi)置的技術(shù)究竟有何強(qiáng)大之處呢？

“我們?cè)诜庋b上設(shè)計(jì)有多個(gè)天線，且天線和芯片的互聯(lián)區(qū)域做得非常短，這樣能夠使信號(hào)通過(guò)更短的路徑到達(dá)天線，系統(tǒng)性能更為強(qiáng)大。更為重要的一點(diǎn)是，整個(gè)AiP的模組尺寸，相較于傳統(tǒng)尺寸，可以大大縮小，這也得益于它的高集成度——因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)模組上，這些天線必須通過(guò)高頻的PCB板來(lái)實(shí)現(xiàn)，而現(xiàn)在整個(gè)芯片內(nèi)部已經(jīng)包含這些天線。這樣極大地降低成本且易于使用，客戶無(wú)需進(jìn)行天線的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，從而縮短整個(gè)產(chǎn)品研發(fā)周期和成本，更快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品上市?！奔犹靥m微電子公司生產(chǎn)技術(shù)總監(jiān)王典解釋道。

加特蘭AiP的產(chǎn)品包括Alps和Rhine兩個(gè)系列的產(chǎn)品。Alps是77GHz車規(guī)級(jí)芯片，Rhine是60GHz工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。整個(gè)AiP攜帶的構(gòu)架包括4個(gè)接收通道、4個(gè)發(fā)射通道。這4個(gè)發(fā)射通道的排布獨(dú)具特色，不僅可以通過(guò)其中3個(gè)任意選擇來(lái)控制它的發(fā)射特性，客戶還可以通過(guò)兩個(gè)天線實(shí)現(xiàn)MIMO功能，擴(kuò)大接收天線的陣列。

王典解釋：“從天線本身的性能來(lái)說(shuō)，我們的設(shè)計(jì)具備非常高的設(shè)計(jì)冗余度。普通頻段是76到81GHz，其實(shí)整個(gè)使用帶寬只有5GHz。但是，我們?cè)谠O(shè)計(jì)的時(shí)候保證了它的設(shè)計(jì)帶寬是16GHz，相當(dāng)于翻了3倍的能力去設(shè)計(jì)。同樣，天線增益方面，它的使用帶寬是5GHz，但是，整個(gè)增益，滿足我們需求的帶寬其實(shí)是11GHz，那也是有200%的冗余的。”

四代更迭，技術(shù)創(chuàng)新再突破

作為一家初創(chuàng)公司，加特蘭員工數(shù)超過(guò)100多人，其中，研發(fā)人員占據(jù)70%?？梢?jiàn)，公司始終將研發(fā)置于重中之重的要位。

正如呂昱昭所說(shuō)，加特蘭如今做的所有努力都圍繞產(chǎn)品的高性能、易使用和更低功耗等特性，這些特性實(shí)現(xiàn)與否將決定毫米波能否普及大眾，只有將解決方案做到性能強(qiáng)大、經(jīng)濟(jì)性好，同時(shí)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)又很簡(jiǎn)單，客戶才能更好地使用加特蘭的技術(shù)為社會(huì)賦能。

AiP的研發(fā)始于2017年，在2018年時(shí)，加特蘭第一代AiP就和Alps當(dāng)時(shí)的樣片SoC同步問(wèn)世，實(shí)現(xiàn)了毫米波雷達(dá)業(yè)界通道數(shù)量最多的AiP設(shè)計(jì)，歷經(jīng)四代更迭和優(yōu)化，AiP才得以正式量產(chǎn)。然而，其整個(gè)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程遇到的挑戰(zhàn)是前所未有的，王典從以下幾方面分析道：

首先，要考慮物理設(shè)計(jì)。加特蘭AiP芯片是在長(zhǎng)寬12毫米的芯片里面一共放了5240個(gè)過(guò)孔、161條信號(hào)線、12個(gè)天線單元。

其次，要考慮天線性能的設(shè)計(jì)。如何避免天線性能受到各種影響，這就涉及到芯片和模組的協(xié)同設(shè)計(jì)。加特蘭在驗(yàn)證中經(jīng)過(guò)一代代更迭，共經(jīng)歷四代這樣的天線設(shè)計(jì)，每代里面天線的架構(gòu)和形態(tài)都不一樣。

再次，電連接是一個(gè)困難點(diǎn)。從芯片接口到天線的信號(hào)連接路徑上有五種不同的傳輸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，每一種傳輸結(jié)構(gòu)都需要考慮到信號(hào)的匹配、損耗等指標(biāo)。

然后，封裝方面需要考慮封裝技術(shù)工藝和材料。不同的封裝工藝中天線的實(shí)現(xiàn)方式不一樣，必須在這里面找到它的平衡點(diǎn)。同時(shí)，還要考慮到散熱等其他問(wèn)題，AiP里面加了非常多的散熱孔，并對(duì)比多種材料來(lái)對(duì)整個(gè)尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

接下來(lái)，確保芯片的可靠性也是至關(guān)重要的。AiP要做到車規(guī)級(jí)別，需要滿足AEC-Q100。因此，加特蘭在可靠性方面做了共計(jì)11項(xiàng)、超過(guò)6000小時(shí)的可靠性實(shí)驗(yàn)。

最后一道關(guān)卡就是量產(chǎn)前的自動(dòng)化測(cè)試，通過(guò)自動(dòng)化測(cè)試確保芯片出廠前的功能和性能，而這個(gè)測(cè)試，當(dāng)加特蘭第一天設(shè)計(jì)AiP開(kāi)始就在同步進(jìn)行，并貫穿始末。整個(gè)設(shè)定獨(dú)特的測(cè)試方案，也是加特蘭用時(shí)三年自主研發(fā)出來(lái)的，并和四家全球最頂級(jí)供應(yīng)商一起探討方案實(shí)現(xiàn)，最終形成一套擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的測(cè)試方案。

未來(lái)可期，持續(xù)探索新應(yīng)用

毫米波雷達(dá)在業(yè)界最為廣泛的應(yīng)用之一便是汽車行業(yè)，可應(yīng)用于汽車ADAS上的AEB、FCW、CLA等系統(tǒng)。隨著AiP技術(shù)和產(chǎn)品的問(wèn)世，加特蘭開(kāi)始思考該技術(shù)更廣泛的創(chuàng)新應(yīng)用領(lǐng)域，加特蘭微電子公司產(chǎn)品經(jīng)理吳翔強(qiáng)調(diào)：

首先，在汽車自動(dòng)泊車輔助功能上，需要加裝很多傳感器來(lái)探測(cè)周圍障礙物，且對(duì)探測(cè)的精度和距離提出更高要求，這是目前超聲波傳感器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

此外，在汽車艙內(nèi)，毫米波雷達(dá)傳感器還可以實(shí)現(xiàn)例如手勢(shì)對(duì)車載娛樂(lè)系統(tǒng)的控制，對(duì)駕駛員生命體征如心跳呼吸等探測(cè)，對(duì)艙內(nèi)是否有活體存在的檢測(cè)等，這是目前很多車廠對(duì)傳感器功能的需求。

使用AiP技術(shù)，車廠只需要在車頂燈或后視鏡的位置加裝一個(gè)很小的傳感器，便可以完成對(duì)車艙內(nèi)生命體征的探測(cè)，包括移動(dòng)和微動(dòng)的探測(cè)，例如呼吸、心跳等帶來(lái)的面部表情的微動(dòng)。

吳翔接著說(shuō)，加特蘭還針對(duì)空調(diào)市場(chǎng)開(kāi)發(fā)了一套智能空調(diào)解決方案，通過(guò)毫米波雷達(dá)對(duì)物體移動(dòng)或微動(dòng)狀態(tài)的判斷來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)人的位置的追蹤，從而幫助空調(diào)實(shí)現(xiàn)均勻送風(fēng)功能。還可以通過(guò)多通道天線技術(shù)，來(lái)判斷運(yùn)動(dòng)人體的高度、姿態(tài)等信息，從而區(qū)分大人、小朋友或?qū)櫸?。利用相似的技術(shù)還可以檢測(cè)人的心跳呼吸，判斷是否進(jìn)入睡眠狀態(tài)，從而控制空調(diào)的狀態(tài)和模式。

除此之外，監(jiān)控市場(chǎng)中毫米波的應(yīng)用也會(huì)帶來(lái)新的突破。當(dāng)下常用的監(jiān)控?cái)z像頭是基于光學(xué)CMOS傳感器，通過(guò)光學(xué)原理采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，這就會(huì)存在陰雨天氣或黑夜期間無(wú)法識(shí)別，或產(chǎn)生誤報(bào)，對(duì)遠(yuǎn)距離物體清晰度辨識(shí)度不夠等情況發(fā)生。而毫米波雷達(dá)技術(shù)則可以有效降低誤報(bào)率，且搭載AiP芯片的雷達(dá)產(chǎn)品體積更小，便于安裝。

那AiP產(chǎn)品為何可以被應(yīng)用于這些領(lǐng)域？吳翔說(shuō)：“第一，足夠小。在一個(gè)12mm x 12mm的面積上完成了一個(gè)帶雷達(dá)天線全尺寸的SoC，支持77GHz或者是60GHz的頻段，在里面有4路的發(fā)射，有4路的接收，集成片上天線等；第二，整個(gè)模塊的生產(chǎn)難度，原先如果說(shuō)做一個(gè)板載天線，整個(gè)天線的校準(zhǔn)、測(cè)試要花費(fèi)客戶很多的時(shí)間，使用了AiP的技術(shù)，客戶自行加工生產(chǎn)就成為一種可能?！?br />
市場(chǎng)的需求永無(wú)止境，就像創(chuàng)新永不止步一樣，面對(duì)客戶對(duì)AiP提出的面積是否可以做到更小、能耗是否可以更低等需求，吳翔表示，雖然加特蘭所有產(chǎn)品功耗在行業(yè)內(nèi)來(lái)說(shuō)已經(jīng)達(dá)到最低，但是面對(duì)新需求仍會(huì)繼續(xù)研發(fā)更強(qiáng)性能、更小體積、更低功耗、更易開(kāi)發(fā)、成本更優(yōu)的產(chǎn)品。

利用AiP技術(shù)優(yōu)勢(shì)，加特蘭打開(kāi)了各行各業(yè)創(chuàng)新應(yīng)用的新局面。Alps在2019年3月份發(fā)布之后，得到了國(guó)內(nèi)外許多客戶的認(rèn)可，客戶數(shù)量增長(zhǎng)非常可觀。值得驕傲的是，有三分之一是來(lái)自海外。

同時(shí)，2019年，加特蘭微電子60GHz COMS毫米波雷達(dá)SoC芯片獲得了中國(guó)國(guó)際博覽會(huì)創(chuàng)新科技獎(jiǎng)。2020年，加特蘭微電子獲得德國(guó)萊茵TUV集團(tuán)ISO 26262功能安全管理認(rèn)證證書(shū)，并于今年成功入選“EE Times Silicon 100”，成為最受關(guān)注的芯片公司之一。

一系列來(lái)自專業(yè)權(quán)威社會(huì)機(jī)構(gòu)的認(rèn)可，以及市場(chǎng)和客戶的信賴，是加特蘭在未來(lái)創(chuàng)新研發(fā)的道路上一往無(wú)前的動(dòng)力。

原文標(biāo)題：加特蘭：AiP技術(shù)四代更迭，國(guó)產(chǎn)毫米波雷達(dá)再進(jìn)階

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