一文解讀毫米波雷達(dá)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

什么是毫米波雷達(dá)

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(shí)現(xiàn)窄波束，雷達(dá)分辨率高，不易受干擾。毫米波雷達(dá)是測量被測物體相對距離、現(xiàn)對速度、方位的高精度傳感器，早期被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，毫米波雷達(dá)傳感器開始應(yīng)用于汽車電子、無人機(jī)、智能交通等多個(gè)領(lǐng)域。

目前各個(gè)國家對車載毫米波雷達(dá)分配的頻段各有不同，但主要集中在24GHz和77GHz，少數(shù)國家（如日本）采用60GHz頻段。由于77G相對于24G的諸多優(yōu)勢，未來全球車載毫米波雷達(dá)的頻段會趨同于77GHz頻段（76-81GHz）。

車載毫米波雷達(dá)的原理

車載毫米波雷達(dá)通過天線向外發(fā)射毫米波，接收目標(biāo)反射信號，經(jīng)后方處理后快速準(zhǔn)確地獲取汽車車身周圍的物理環(huán)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(yùn)動(dòng)方向等），然后根據(jù)所探知的物體信息進(jìn)行目標(biāo)追蹤和識別分類，進(jìn)而結(jié)合車身動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，最終通過中央處理單元（ECU）進(jìn)行智能處理。經(jīng)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(shí)對汽車做出主動(dòng)干預(yù)，從而保證駕駛過程的安全性和舒適性，減少事故發(fā)生幾率。

毫米波雷達(dá)工作路徑簡圖

根據(jù)輻射電磁波方式不同，毫米波雷達(dá)主要有脈沖體制以及連續(xù)波體制兩種工作體制。其中連續(xù)波又可以分為FSK（頻移鍵控）、PSK（相移鍵控）、CW（恒頻連續(xù)波）、FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）等方式。

由于可測量多個(gè)目標(biāo)、分辨率較高、信號處理復(fù)雜度低、成本低廉、技術(shù)成熟，F(xiàn)WCW雷達(dá)成為最常用的車載毫米波雷達(dá)，德爾福、電裝、博世等Tier1供應(yīng)商均采用FMCW調(diào)制方式。

FMCW雷達(dá)系統(tǒng)主要包括收發(fā)天線、射頻前端、調(diào)制信號、信號處理模塊等。毫米波雷達(dá)通過接收信號和發(fā)射信號的相關(guān)處理實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的探測距離、方位、相對速度。

毫米波雷達(dá)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，毫米波雷達(dá)主要為24GHz和77GHz。

24GHz的雷達(dá)測量距離較短（5～30m），主要應(yīng)用于汽車后方；77GHz的雷達(dá)測量距離較長（30～70m），主要應(yīng)用于汽車前方和兩側(cè)。毫米波雷達(dá)主要包括雷達(dá)射頻前端、信號處理系統(tǒng)、后端算法三部分。在現(xiàn)有的產(chǎn)品中，雷達(dá)后端算法的專利授權(quán)費(fèi)用約占成本的50%，射頻前端約占成本的40%，信號處理系統(tǒng)約占成本的10%。

1、射頻前端

射頻前端通過發(fā)射和接收毫米波，得到中頻信號，從中提取距離、速度等信息。因此，射頻前端直接決定了雷達(dá)系統(tǒng)的性能。當(dāng)前毫米波雷達(dá)射頻前端主要為平面集成電路，有混合微波集成電路（HMIC）和單片微波集成電路（MMIC）兩種形式。其中，MMIC形式的射頻前端成本低，成品率高，適合于大規(guī)模生產(chǎn)。在生產(chǎn)工藝上，一般采用的是外延MESFET、HEMT和HBT等器件工藝。其中，GaAs基的HEMT工藝最為成熟，具有優(yōu)秀的噪聲性能。

2、信號處理系統(tǒng)

信號處理系統(tǒng)也是雷達(dá)重要的組成部分，通過嵌入不同的信號處理算法，提取從射頻前端采集得到的中頻信號，獲得特定類型的目標(biāo)信息。信號處理系統(tǒng)一般以DSP為核心，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字信號處理算法，滿足雷達(dá)的實(shí)時(shí)性需求。

3、后端算法

后端算法占整個(gè)毫米波雷達(dá)成本的比例最高。針對毫米波雷達(dá)，國內(nèi)研究人員從頻域、時(shí)域、時(shí)頻分析多個(gè)角度提出了大量的算法，離線實(shí)驗(yàn)的精度也較高。但是，國內(nèi)的雷達(dá)產(chǎn)品主要采用基于頻域的快速傅里葉變換及其改進(jìn)算法進(jìn)行分析，測量精度和適用范圍有一定局限性而國外算法受專利嚴(yán)格保護(hù)，價(jià)格非常昂貴。

毫米波雷達(dá)市場概況及未來發(fā)展前景

1、毫米波雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛多種功能

ADAS采用的傳感器主要有攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光、超聲波、紅外等。毫米波雷達(dá)傳輸距離遠(yuǎn)，在傳輸窗口內(nèi)大氣衰減和損耗低，穿透性強(qiáng)，可以滿足車輛對全天氣候的適應(yīng)性的要求，并且毫米波本身的特性，決定了毫米波雷達(dá)傳感器器件尺寸小、重量輕等特性。很好的彌補(bǔ)了攝像頭、激光、超聲波、紅外等其他傳感器，在車載應(yīng)用中所不具備的使用場景。

把毫米波雷達(dá)安裝在汽車上，可以測量從雷達(dá)到被測物體之間的距離、角度和相對速度等。利用毫米波雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)巡航控制（AdaptiveCruiseControl），前向防撞報(bào)警（ForwardCollisionWarning），盲點(diǎn)檢測（BlindSpotDetection），輔助停車（Parkingaid），輔助變道（Lanechangeassistant），自主巡航控制（ACC）等高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）功能。比較常見的汽車毫米波雷達(dá)工作頻率在24GHz和77GH附近。24GHz雷達(dá)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)近距離探測（SRR），而77GHz系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的探測（LRR）。

2、毫米波雷達(dá)市場空間廣闊

由于各國汽車安全標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，導(dǎo)致主動(dòng)安全技術(shù)高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）近年來呈快速發(fā)展趨勢。汽車毫米波雷達(dá)因?yàn)槟軌蛉旌蚬ぷ鳎殉蔀槠囯娮?a target="_blank">廠商公認(rèn)的主流選擇，擁有巨大的市場需求。2014年全球汽車毫米波雷達(dá)市場出貨量在1900萬個(gè)，據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)PlunkeetResearch預(yù)測，預(yù)計(jì)到2020年全球汽車毫米波雷達(dá)將近7000萬個(gè)，2015-2020年的年均復(fù)合增速約為24%。目前汽車毫米波雷達(dá)市場主要被大陸、博世、天合、海拉等歐美廠商占據(jù)。

目前汽車毫米波雷達(dá)處于高速發(fā)展中，一般支持ADAS功能的汽車會使用2或3個(gè)毫米波雷達(dá)，全新奧迪A4使用5個(gè)毫米波雷達(dá)，奔馳的S級汽車采用7個(gè)毫米波雷達(dá)，預(yù)計(jì)未來單車采用毫米波雷達(dá)的平均數(shù)量將繼續(xù)增長，對于汽車?yán)走_(dá)PCB的需求也將快速增長。

由于毫米波發(fā)送和接收信號的頻率為24GHz和77GHz，并且雷達(dá)PCB高頻電路包括時(shí)鐘、信號調(diào)制、功放、濾波器、天線等部分，對PCB板材和制造工藝都有較高的要求。因此，汽車?yán)走_(dá)PCB會帶來更高的價(jià)值量。以占全球高頻PCB市場30%的Schweizer為例，ElectronicAG的高頻PCB通常需要PTFE填充陶瓷和玻璃材料才可以滿足高于77GHz的設(shè)計(jì)需求。