77GHz汽車雷達方案及集成芯片對比分析

汪子煜，何少斌，褚永強，朱子甲，韓芳菲

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，汽車智能網(wǎng)聯(lián)技術安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601）

前言

由于世界各國的汽車安全標準、汽車電子化水平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(tǒng)呈現(xiàn)快速發(fā)展的勢頭。傳感器技術是汽車電子的關鍵核心技術之一，各種傳感器技術的創(chuàng)新發(fā)展為主動安全提供了技術可行性，汽車微波/毫米波雷達傳感器正是實現(xiàn)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(fā)現(xiàn)目標并測定其位置的。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，從而減少由于不需要的反射所引起的誤動作和干擾，另一方面由于多普勒頻移大，相對速度的測量精度高。在汽車主動安全領域，汽車微波/毫米波雷達傳感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(yè)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(fā)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、質(zhì)量輕和空間分辨率高的特點。與紅外、激光、攝像頭等光學傳感器相比，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。

1 雷達應用市場

據(jù)市場研究機構預測，隨著ADAS系統(tǒng)的廣泛應用，汽車微波/毫米波雷達傳感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/毫米波雷達傳感器的話，市場規(guī)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(tǒng)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(chǎn)品是其核心產(chǎn)品，主要應用在自巡航控制系統(tǒng)ACC和緊急自動剎車AEB 中；Hella 則是以24GHz雷達為其核心，客戶范圍廣泛。

2 雷達方案概述

目前市場主流使用的車載毫米波雷達按照其頻率的不同，主要可分為兩種：24GHz 毫米波雷達和 77GHz毫米波雷達。通常 24GHz 雷達檢測范圍為中短距離，用作實現(xiàn)BSD、LCA等功能，而 77GHz長程雷達用作實現(xiàn) ACC、AEB等功能。

從技術角度看，24GHz雷達與 77GHz雷達都是處于毫米波的頻段，本質(zhì)上并沒有形成大的區(qū)別。而根據(jù)波的傳播理論，在無線通信系統(tǒng)中，頻率較高的信號比頻率較低的信號容易穿透建筑物，而頻率越低，波長越長，繞射能力越強，信號損失衰減越小，傳輸距離越遠。因此 24GHz雷達比77GHz的繞射能力更強，但77GHz雷達得益于更小的波長，相比24GHz距離檢測精度高，因此在使用的時候各有利弊。

圖1 毫米波雷達

3 雷達方案對比

目前在國內(nèi)市場，24GHz 毫米波雷達與 77GHz 毫米波雷達的主要區(qū)別在于以下幾點：

1）77GHz毫米波雷達的體積更小。24 GHz 毫米波雷達和77GHz毫米波雷達的性能及算法其實相差不遠，更主要的差距還是在雷達體積上。由于 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毫米波雷達最大的制造難度體現(xiàn)在其工藝上，77GHz毫米波雷達由于體積小，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。因此未來對于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(yōu)勢。

4）24GHz毫米波雷達的射頻芯片對相對77GHz雷達 射頻芯片更易獲取。各大廠商經(jīng)過多年對 24GHz 毫米波雷達的研發(fā)，市場上 24GHz 毫米波雷達的產(chǎn)品體系已經(jīng)相對成熟，供應鏈已經(jīng)相對穩(wěn)定，在國內(nèi)，24GHz的核心芯片射頻芯片能從英飛凌、飛思卡爾等芯片供應商獲得。但是，目前在全球范圍內(nèi) 77GHz 毫米波雷達芯片并沒有穩(wěn)定的供應體系，由于相關知識產(chǎn)權與合作協(xié)議的原因，英飛凌、飛思卡爾、意法半導體等芯片商對中國并沒有放開 77GHz 雷達芯片的供應，因此國內(nèi) 77GHz 毫米波雷達的開發(fā)受到一些限制。

表1 77GHz雷達主要功能、性能參數(shù)表

全球發(fā)達國家向 77GHz升級切換，24GHz產(chǎn)品在國內(nèi)短期仍有市場。考慮到中國的實際國情以及芯片研發(fā)進度等行業(yè)特點， 24GHz 毫米波雷達在國內(nèi)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(guī)模應用將稍微推后。隨著技術的發(fā)展，77GHz 毫米波雷達將在行業(yè)普遍產(chǎn)業(yè)化。

4 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(tǒng)上。車載毫米波雷達利用電磁波發(fā)射后遇到障礙物反射的回波對其不斷檢測，計算出與前方或后方障礙物的相對速度和距離。當車輛行進中時，發(fā)射機產(chǎn)生的雷達窄波束向前發(fā)射調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）信號，當發(fā)射信號遇到目標時被反射回來，并為同一天線接收，經(jīng)混頻放大處理后，可用其差拍信號時間差來表示雷達與目標的距離，再根據(jù)差頻信號相差與相對速度關系，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(tǒng)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(tǒng)的研究工作領先地區(qū)主要分布在美國、歐洲和日本。目前研究內(nèi)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(tǒng) (ACC) 等。二者的區(qū)別在于前者只需完成危險預警功能，而后者需要通過雷達系統(tǒng)實時監(jiān)測車輛間距和相對運動速度信息，自動控制汽車的轉向、加速、減速或者剎車，從而自動地調(diào)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范圍內(nèi)。從智能汽車發(fā)展的趨勢看，目前已經(jīng)加速從預警提示向閉環(huán)自動控制功能升級切換。

圖3 車載雷達模塊

圖4 防碰撞功能

圖5 雷達系統(tǒng)原理框圖

5 毫米波雷達系統(tǒng)方案

汽車微波/毫米波雷達主要由天線、前端雷達傳感器和后端信號處理器組成。其中雷達傳感器是最關鍵核心部件，而目前汽車雷達傳感器都采用集成電路技術實現(xiàn)。汽車微波/毫米波雷達傳感器集成電路主要為：英飛凌、恩智浦∕飛思卡爾、和ST（意法）等公司。針對77G汽車雷達其主要設計方案如下：

（1）英飛凌77GHz 汽車雷達方案

圖6 英飛凌雷達集成芯片框圖

圖7 英飛凌雷達系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)特點：發(fā)射模塊、接收模塊分離，集成度較高，采用該方案來設計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；但由于涉及到比較多的控制電路設計，后期的調(diào)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(tǒng)框圖

圖10 恩智浦∕飛思卡爾雷達系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)特點：發(fā)射模塊、接收模塊分離，VCO、MCU等電路，集成度較高，采用該方案來設計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；但由于也涉及到比較多的控制電路設計，后期的調(diào)試工作量也較大。目前已推出新款集成度更高的芯片樣片，收發(fā)模塊等進行了集成，支持3發(fā)4收。

（3）UMS 77GHz 汽車雷達方案

圖11 UMS雷達系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)特點：發(fā)射模塊、接收模塊分離，VCO、MCU等電路，集成度較高，采用該方案來設計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；但由于也涉及到比較多的控制電路設計，后期的調(diào)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(tǒng)特點：發(fā)射模塊、接收等模塊集成設計，輔以MCU等部分電路可構建雷達系統(tǒng)，集成度高。采用該方案來設計77GHz射頻前端電路內(nèi)部配置靈活，整體消化難度有所提高；但由于也涉及到控制電路少，后期的調(diào)試工作量較少、成本低。

綜合情況分析如下：

表2

6 總結

汽車毫米波雷達在我國屬于新興的產(chǎn)品，汽車主動安全系統(tǒng)也是未來發(fā)展的一個重要方向。隨著目前我國自主品牌汽車上ADAS產(chǎn)品的普遍應用和國家標準對汽車主動安全系統(tǒng)的要求逐漸提高。在未來的產(chǎn)品汽車制造中，汽車行業(yè)應當將毫米波雷達的搭載應用作為戰(zhàn)略性的發(fā)展目標，以市場為導向，抓住難得的發(fā)展機遇，早日實現(xiàn)我國汽車防撞雷達產(chǎn)業(yè)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平，可以帶來巨大的社會和經(jīng)濟效益。

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