基于CMOS工藝的毫米波雷達對行業(yè)的影響增大

在目前三類主要的自動駕駛傳感器中，毫米波雷達被視為性價比最高，有極強的穿透率，能夠穿過光照、降雨、揚塵、下霧或霜凍來準(zhǔn)確探測物體，可以在全黑的環(huán)境工作，可全天候工作。

車載毫米波雷達的性能指標(biāo)，通常有探測距離、分辨率等，而決定這些指標(biāo)優(yōu)劣的，是毫米波雷達內(nèi)部的天線、射頻、基帶以及控制處理部分。當(dāng)中射頻的技術(shù)難度較高，主要負(fù)責(zé)微波信號的發(fā)射與接收。

雷達要實現(xiàn)相應(yīng)的功能，需要通過各個處理模塊配合完成，而由于汽車的使用環(huán)境，對尺寸以及穩(wěn)定性的要求較高，這些特性回溯到源頭，就取決于以上不同模塊的集成。

傳統(tǒng)的做法是在雷達內(nèi)集成各個不同模塊，以SiGe工藝為主，技術(shù)成熟，但集成度較低，新興的CMOS工藝可將不同模塊集成到單芯片上，集成度較高，但還處在早期。

傳統(tǒng)的SiGe工藝

半導(dǎo)體材料可以分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體兩大類，元素半導(dǎo)體指硅、鍺單一元素形成的半導(dǎo)體，化合物指砷化鎵、磷化銦等化合物形成的半導(dǎo)體。

毫米波雷達芯片的工藝，主要分為鍺硅(SiGe)和CMOS兩種，SiGe工藝最早是由IBM 于1998年推出量產(chǎn)方案，之后便廣泛用于無線通信IC制程技術(shù)之一。SiGe高頻特性良好，材料安全性佳，導(dǎo)熱性好，而且制程成熟、整合度高，具成本較低之優(yōu)勢。

SiGe既擁有硅工藝的集成度、良率和成本優(yōu)勢，又具備第3到第5類半導(dǎo)體（如砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP））在速度方面的優(yōu)點。

毫米波雷達射頻前端MMIC芯片、主處理器是毫米波雷達的硬件核心，前端主要包括收發(fā)模塊、功放和處理模塊。

目前大多數(shù)毫米波雷達前端基于鍺硅(SiGe)技術(shù)，大都是分立式的，即發(fā)射器、接收器和處理組件均為獨立單元，這使得其設(shè)計過程十分復(fù)雜，并且整體方案體積龐大。

而在汽車應(yīng)用中，一般會配備多個雷達傳感器，如果采用鍺硅(SiGe)傳感器，空間上的限制使得其“難堪重任”。

英飛凌的前端芯片采用轉(zhuǎn)換頻率為200 GHz的硅鍺（SiGe）制造工藝。該工藝作為KOKON項目的一部分，由德國聯(lián)邦教育與研究部（BMBF）協(xié)助開發(fā)，專門設(shè)計用于汽車行業(yè)，并通過了相關(guān)認(rèn)證。

與目前使用的砷化鎵（GaAs）組件不同，SiGe工藝可制造出更加小巧且經(jīng)濟實惠的雷達傳感器。此外，英飛凌還推出了全新的集成測試方法，確保雷達傳感器滿足汽車行業(yè)苛刻的質(zhì)量要求。

CMOS工藝

CMOS 與傳統(tǒng) SiGe 雙極型晶體管相比,由于在低電壓條件下也可運行，因此可降低耗電量。雖然 CMOS 存在低頻區(qū)噪聲偏大的問題，但兩者在毫米波區(qū)域(76-81GHz)具有大致同等的性能，對于77-79GHz車載毫米波雷達應(yīng)用,，CMOS 低頻區(qū)噪聲大的問題并不太突出。

同時，全球CMOS 產(chǎn)業(yè)鏈已十分成熟，可大批量生產(chǎn)，基于CMOS技術(shù)實現(xiàn)毫米波雷達關(guān)鍵器件，可使整個雷達系統(tǒng)的成本顯著下降。

CMOS工藝一般分為RFCMOS、Ultra CMOS、Si BiCMOS。RF CMOS工藝可分為兩大類：體硅工藝和SOI（絕緣體上硅）工藝。

采用RFCMOS制程最大的好處，當(dāng)然是可以將射頻、基頻與存儲器等組件合而為一的高整合度，減小系統(tǒng)的尺寸、降低功耗、成本。

在工藝技術(shù)改進的推動下，CMOS的速度可不斷提高，79GHz波段可提供4GHz帶寬，能夠探測5cm范圍以內(nèi)的物體，提升了探測精度，實現(xiàn)更高范圍的分辨率。

NXP推出了高集成的雷達收發(fā)器技術(shù)（RFCMOS或BiCMOS）提供可擴展的系統(tǒng)解決方案，可解決超短距離，短距離，中距離和遠(yuǎn)距離雷達。TEF810X是一款完全集成的RFCMOS 77GHz汽車?yán)走_收發(fā)器。

MR3003是一款完全集成的BiCMOS雷達收發(fā)器，符合汽車要求的76-81 GHz單芯片。MR3003具有同類最佳性能，例如具有TX相位旋轉(zhuǎn)的高角度分辨率，由于低相位噪聲和線性造成的最佳物體分離效果，以及由于高輸出功率和低噪聲系數(shù)導(dǎo)致的長檢測范圍。

TI最新推出的毫米波雷達芯片AWR1642，采用德州儀器低功耗45納米RFCMOS工藝制造，它是一款高端單芯片方案，實現(xiàn)了RF+MCU+DSP全集成，MCU可運行汽車開放式系統(tǒng)架構(gòu)、集群和跟蹤算法，DSP則可執(zhí)行定點和浮點運算以提升處理效率。

相比于傳統(tǒng)的24GHz方案，其外形尺寸縮小33%、功耗減少50%、范圍精度提高10倍以上、整體方案成本更低。

集成度更高是大勢所趨

博世中距雷達MRR工作在76-77GHz頻段，三發(fā)四收，工作張角（aperture angle）可達±45度，能探測遠(yuǎn)達160米的物體。

MRR采用了英飛凌77GHz的SiGe單片微波集成電路（MMIC）用作高頻發(fā)射器和接收器，使用混合PTFE/FR4基板制作非對稱結(jié)構(gòu)，并配有平面天線。這兩個RF裸片采用由英飛凌研發(fā)的嵌入式晶圓級BGA（embedded wafer level BGA）、扇出晶圓級封裝（Fan-Out Wafer Level Package）。

大陸集團77GHz雷達ARS4-A也使用了NXP的方案，射頻（RF）芯片采用重分布芯片封裝（RCP）扇出晶圓級封裝，該封裝最初由飛思卡爾（Freescale）開發(fā)和制造。

奧托立夫77GHz多模雷達集成了兩塊電子板，包括德州儀器（TI）的微控制器和汽車視覺處理器。射頻（RF）板使用混合PTFE/FR4基板制作成不對稱結(jié)構(gòu)，并且配備有平面天線。

該雷達使用英飛凌（Infineon）77GHz SiGe單片集成微波集成電路（MMIC）作為其高頻發(fā)射器和接收器。射頻（RF）芯片采用最新的eWLB封裝，這是英飛凌開發(fā)和制造的扇出型晶圓級封裝。發(fā)射器和接收器連接到雙功率放大器和英飛凌的波形發(fā)生器。

德爾福RACam集成了76 GHz第二代短距離雷達和攝像頭，其中雷達芯片便采用了英飛凌76 GHz雷達接收器和發(fā)射器：RRN7740和RTN7750。

從以上可以看出，目前全球主流的毫米波雷達廠商，還是采用SiGe工藝的芯片，部分芯片廠商也在推基于CMOS工藝的芯片。后者代表著高集成度，低功耗以及小尺寸，未來將會成為行業(yè)趨勢。

目前，各家芯片廠商也在努力推進cmos制程的芯片商用量產(chǎn)。但每一項新的工藝取代傳統(tǒng)工藝，在初期都會面臨成本的壓力，作為一項新的技術(shù)，CMOS的工藝尺寸未來還會減小，集成度也還會越來越高。