8分钟就懂的毫米波雷达系统及毫米波技术发展趋势

8 分钟就懂的毫米波雷达系统及毫米波技

术发展趋势

随着ADAS 普及率的提升，要能够全方位覆盖汽车周围环境的感测，一辆汽车会装载“长+ 中+ 短”多颗毫米波雷达，到了最终L5 级自动驾驶阶段甚至超过10 颗，预计2021 年全球毫米波雷达的出货量将达到8400 万个。

在上一篇《毫米波雷达在ADAS 中的应用》中，麦姆斯咨询提到随着ADAS 普及率的提升，要能够全方位覆盖汽车周围环境的感测，一辆汽车会装载“长+ 中+ 短”多颗毫米波雷达，到了最终L5 级自动驾驶阶段甚至超过10 颗，预计2021 年全球毫米波雷达的出货量将达到8400 万个。这是一个可预见的庞大市场，所以无论是传统的汽车Tier 1 厂商，还是新兴的初创企业，都纷纷加入到汽车雷达产业中来，希望能分一杯羹!

不过现实的竞争又是很残忍的。首先，汽车的空间容量有限，特别是现在汽车主流是向轻便、节能方向发展，别说增加零部件了;其次，精明的消费者只接受加量不加价，性能提高了，价格还得降低。所以，能不能抢到市场先机，摆在各家毫米波雷达厂商面前的主要问题是如何实现“更小巧、更便宜、更智能”的毫米波雷达!带着这些疑问，今天我们来了解一下车载毫米波雷达系统及其核心元器件，探一探毫米波雷达技术的发展趋势。

毫米波雷达系统基本结构在《认识毫米波雷达》文章中，我们

知道了毫米波雷达是基于多普勒原理，根据回波和发射波之间的时间差和频率差来实现对目标物体距离、速度以及方位的测量。根据辐射电磁波方式不同，毫米波雷达主要有脉冲和连续波两种工作方式（图1）。其中连续波又可以分为FSK（频移键控）、PSK（相移键控）、CW（恒频连续波）、FMCW（调频连续波）等方式。

图 1 、毫米波雷达工作方式

FMCW 雷达具有可同时测量多个目标、分辨率较高、信号处理复杂度低、成本低廉、技术成熟等优点，成为目前最常用的车载毫米波雷达，德尔福（Delphi）、电装（Denso）、博世（Bosch）等Tier 1 供应商均采用FMCW 调制方式。

以FMCW 为例（图2），毫米波雷达系统主要包括天线、前端收发组件、数字信号处理器（DSP）和控制电路，其中天线和前端收发组件是毫米波雷达的最核心的硬件部分。以下将分别详细介绍。

图2、FMCW 雷达系统

天线

天线作为毫米波发射和接收的重要部件，是汽车毫米波雷达有效工作的关键设计之一，同时也影响到毫米波雷达能否赢得市场芳心。如果你路过雷达基站，一定对其庞大的机械扫描天线印象深刻（图3），显然这些天线对于外观和体积要求苛刻的汽车是不适合的。那么毫米波雷达的天线要如何设计?首先，天线的生产要能够大批量且低成本。其次，天线的设计要便于安装在车的头部。同时，天线必须被集成在车内而不能影响汽车的外观。

图3 、不同尺寸与性状的的雷达天线

理论和实践证明，当天线的长度为无线电信号波长的1/4 时，天线的发射和接收转换效率最高。因此，天线的长度将根据所发射和接收信号的频率或波长来决定。幸运的是，毫米波的波长只有几个毫米，所以毫米波雷达的天线可以做的很小，同时还可以使用多根天线来构成阵列天线，达到窄波束的目的。目前毫米波雷达天线的主流方案是微带阵列，最常见的一种是设计成可集成在PCB 板上的“微带贴片天线” 如图4 ，在PCB 板上的ground 层上铺几个开路的微带线形成天线。

图 4 、24GHz 毫米波雷达PCB 天线

相比一般的微波天线，这种微带天线具有的优点：（1）体积小，重量轻，低剖面，能与载体（如飞行器）共形;（2）低成本，适合于印刷电路技术大批量生产;（3）电性能多样化，不同设计的微带元，其最大辐射方向可以从边射到端射范围内调整，易于得到各种极化;（4）易集成，能和有源器件、电路集成为统一的组件等。上述优点极大地满足了车载雷达低成本和小体积的需求。

当然，由于毫米波的波长较短，电路极易发射色散和产生高次模，而且基板材料的介电常数和损耗随频率的增加也变化非常明显，为了确保电路性能稳定一致，毫米波雷达需要选择介电常数稳定、损耗特性低等高性能的高频PCB 基材。车载毫米波雷达市场的扩大，同样也驱动着高频基材及基材生产企业在此市场中的竞争，目前主要的国内外高频PCB 基材厂商有：Rogers（美国）、Taconic（美国）、Isola（德国）、生益科技（中国）、沪士（中国）等。

前端收发组件前端收发组件是毫米波雷达的核心射频部分，负责毫米波信号调制、发射、接收以及回波信号的解调。车载雷达要求前端收发组件具有体积小、成本低、稳定性好等特点，最可行方法就是将前端收发组件集成化。目前前端收发组件集成

的方法主要有混合微波集成电路(HMIC) 和单片微波集成电路(MMIC) 两种形式。

HMIC 是采用薄膜或厚膜技术，先将微波电路制作在适合传输微波信号的基片(如蓝宝石、石英等) ，再将分立的有源器件连接、组装起来的集成电路。而MMIC 则是采用平面技术，将所有的微波功能电路用半导体工艺制造在砷化镓(GaAs) 、锗硅(SiGe) 或硅(Si) 等半导体芯片上的集成电路。MMIC 集成的功能电路主要包括低噪声放大器(LNA) 、功率放大器、混频器、上变频器、检波器、调制器、压控振荡器(VCO) 、移相器、开关、MMIC 收发前端，甚至整个发射/ 接收(T/R) 组件(收发系统)。相比HMIC ，显然MMIC 大大简化了雷达系统结构，集成度高、成本低且成品率高，更适合于大规模生产。

图5、MMIC 组成

早期的MMIC 主要采用化合物半导体工艺，如砷化镓

(GaAs) 、磷化铟(InP) 等。化合物半导体具有大的禁带宽度、高的电子迁移率和击穿场强等优点，但缺点是集成度不高且价格昂贵。所以，近十几年来低成本、集成度高的硅基(CMOS 、SiGe BiCMOS 等)MMIC 发展迅速。图6 对这几种MMIC 工艺技术的性能进行了对比。

图 6 、不同工艺技术的MMIC 性能对比目前大多数毫米波雷达前端MMIC 基于SiGe BiCMOS 技术，SiGe 高频特性良好，材料安全性佳，导热性好，而且制程成熟，整合度较高，成本较低的优势。不过SiGe MMIC 大都是分立式的，即发射器、接收器和处理组件均为独立单元，这使得其设计过程十分复杂，并且整体方案体积庞大。正如文章开头所说，一辆自动驾驶汽车最终需要有10 多个雷达传感器，如果采用SiGe 传感器，空间上的限制使得其“难堪重任”。所以，成本更低、产业链更成熟的CMOS 工艺将成为“中意”的选择。利用CMOS 工艺，不仅可将MMIC 做得更小，甚至可以与微控制单元(MCU) 和数字信号处理(DSP)集成在一起，实现更高的集成度。所以这不仅能显著地降低系统尺寸、功率和成本，还能嵌入更多的功能。