毫米波雷達(dá)卷向“單芯片”戰(zhàn)場(chǎng)

汽車市場(chǎng)變化有多快？日新月異，還是翻天覆地。

傳統(tǒng)生產(chǎn)與制造工藝不斷受到挑戰(zhàn)，代表未來(lái)的智能科技則無(wú)孔不入，滲透進(jìn)現(xiàn)代汽車的每一個(gè)角落。而這些變化，又帶來(lái)了一波又一波的技術(shù)革新。毫無(wú)疑問(wèn)，雷達(dá)行業(yè)也正身處其中。

近年來(lái)，車載毫米波雷達(dá)市場(chǎng)迎來(lái)了兩個(gè)重要趨勢(shì)：24GHz雷達(dá)向77GHz雷達(dá)升級(jí)，且份額逐漸萎縮；另一邊，SiGe工藝朝著RFCMOS的方向轉(zhuǎn)型。

技術(shù)路線和工藝轉(zhuǎn)變的最根本原因，源于市場(chǎng)可觀的需求。據(jù)Yole Développement預(yù)測(cè)，全球毫米波雷達(dá)市場(chǎng)規(guī)模將從2022年的18億美元，增加到2025年的30億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率約18.56%。

越來(lái)越多的車輛裝配毫米波雷達(dá)，同時(shí)自動(dòng)駕駛等級(jí)提升，單車?yán)走_(dá)使用量將明顯增加。不僅如此，對(duì)于性能更高的4D成像毫米波雷達(dá)，其所需的半導(dǎo)體價(jià)值量也會(huì)更多。

而如何在不犧牲性能并滿足車企降本要求的前提下，實(shí)現(xiàn)更多雷達(dá)上車，已是汽車產(chǎn)業(yè)鏈的重要課題。

性能與成本的“既又也還”

Yole Développement；恩智浦預(yù)估值

舉個(gè)例子，角分辨率不足一直以來(lái)都是毫米波雷達(dá)的性能短板。對(duì)4D成像雷達(dá)來(lái)說(shuō)，一個(gè)解決方案是，通過(guò)前端射頻芯片MMIC級(jí)聯(lián)提供更多的天線虛擬通道，從而增加分辨率。

不過(guò)，這就帶來(lái)了許多問(wèn)題，比如級(jí)聯(lián)之間的同步信號(hào)要做到始終同步，甚至阻抗要完全一致。對(duì)于精度、功耗、設(shè)計(jì)復(fù)雜度以及雷達(dá)尺寸都構(gòu)成了不小挑戰(zhàn)。此外，這里面也涉及到一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題——成本。

可以明顯看到，無(wú)論是前向雷達(dá)還是角雷達(dá)，都面臨著半導(dǎo)體進(jìn)一步集成的問(wèn)題。眼下，角雷達(dá)領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)單芯片的集成方案，即所有射頻和工藝在一顆芯片中實(shí)現(xiàn)。

“2025年以后，單芯片將成為角雷達(dá)領(lǐng)域的主導(dǎo)方案?！?a class="article-link" target="_blank" href="/manufacturer/1000215/">恩智浦半導(dǎo)體執(zhí)行副總裁兼射頻處理業(yè)務(wù)部總經(jīng)理Torsten Lehmann如此表示。

從行業(yè)數(shù)據(jù)來(lái)看，毫米波雷達(dá)的核心元器件包括MMIC、雷達(dá)專用處理器、PCB等，這三部分占BOM的比重分別為20%、30%、10%。單芯片由于集成度更高，一定程度上能夠減少額外的BOM成本。

另外，相比套片方案，單芯片雷達(dá)可以有效減少PCB面積，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并加速產(chǎn)品推向市場(chǎng)的時(shí)程。更重要的是，由于節(jié)省了外圍器件和射頻傳輸線路所占據(jù)的空間，單芯片方案可以滿足雷達(dá)小型化的設(shè)計(jì)需求。

CES 2023上，恩智浦首度展示了其4R4T單芯片雷達(dá)解決方案SAF85xx，基于28nm工藝打造，集成收發(fā)器、處理器、內(nèi)存、安全模塊和通信接口，封裝尺寸僅有指甲蓋大小，檢測(cè)距離超過(guò)300米。

當(dāng)然更加重要的是，工藝的持續(xù)演進(jìn)仍是雷達(dá)芯片降本的第一個(gè)大前提。

MMIC芯片從GaAs到SiGe，再到目前的RFCMOS，使得整體系統(tǒng)成本得以持續(xù)下探。據(jù)悉，恩智浦在第四代雷達(dá)芯片推出之際就過(guò)渡到了RFCMOS技術(shù)，對(duì)于第六代產(chǎn)品，RFCMOS也將進(jìn)一步提升系統(tǒng)的集成度并降低系統(tǒng)成本。

單芯片雷達(dá)方案的“甜蜜期”

但實(shí)際上，單芯片雷達(dá)方案仍然存在許多挑戰(zhàn)。

要知道，77GHz的波長(zhǎng)不足24GHz的三分之一，收發(fā)天線面積大幅減小，雷達(dá)體積可以更小。但也正因如此，射頻線路的設(shè)計(jì)、PCB制版的難度較大，最終影響到芯片的成品率。

Torsten Lehmann進(jìn)一步指出，77GHz單芯片中要布置天線，但又要很好地控制干擾。原因在于，芯片集成了模擬前端，在實(shí)現(xiàn)高性能的同時(shí)，其敏感性也非常高。另外，處理器的噪聲非常大。這些都需要企業(yè)具備非常專業(yè)的技術(shù)積累。

對(duì)于想要進(jìn)行內(nèi)部開(kāi)發(fā)的Tier1或者OEM來(lái)說(shuō)，射頻相關(guān)專業(yè)知識(shí)是不可或缺的。尤其77GHz雷達(dá)芯片的設(shè)計(jì)上，射頻和天線的設(shè)計(jì)人員需要具備相關(guān)領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)。另外，處理器的設(shè)計(jì)也要有相關(guān)能力或者具備微處理器和雷達(dá)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。此外，信號(hào)處理算法等知識(shí)也不能少。

總體上，單芯片雷達(dá)方案有著一定的專利和技術(shù)壁壘。但恩智浦不是第一家推出單芯片方案的供應(yīng)商，譬如德州儀器從一開(kāi)始便采用了RFCOMS技術(shù)制造集成DSP的單芯片產(chǎn)品，然而到目前為止，單芯片方案還沒(méi)有成為市場(chǎng)主流。

對(duì)此，Torsten Lehmann稱，在雷達(dá)芯片早期發(fā)展階段，市場(chǎng)需求一度變化。這個(gè)變化的過(guò)程中，共經(jīng)歷了7代產(chǎn)品。對(duì)于輸出、噪聲、探測(cè)距離和發(fā)射器、接受器的數(shù)量，市場(chǎng)需求一直是在變化的，并不是處于一個(gè)非常穩(wěn)定的狀態(tài)。這也是，恩智浦最早將處理器和MMIC芯片相分開(kāi)的原因之一。

而現(xiàn)階段，單芯片雷達(dá)市場(chǎng)的成熟度和穩(wěn)定性基本上得到了確認(rèn)。同時(shí)在恩智浦看來(lái)，單芯片的雷達(dá)芯片，需要選擇最好以及最合適的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。比如28nm，就是一個(gè)最好的、所謂的“甜區(qū)”，在性能、工藝和集成度上都是較合適的選擇。

不同于過(guò)去大部分雷達(dá)都采用芯片組，單芯片的方案正慢慢滲透進(jìn)汽車領(lǐng)域。盡管如此，考慮到分辨率等要求，高端4D成像雷達(dá)仍會(huì)繼續(xù)使用芯片組。當(dāng)然，也不排除未來(lái)可以在單芯片中集成更多虛擬通道的可能。

4D成像雷達(dá)是下一個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)？

技術(shù)路線與工藝的迭代，也讓我們看到，車載毫米波雷達(dá)的發(fā)展?jié)摿Α：撩撞ɡ走_(dá)因其全天候、同時(shí)不受雨雪霧等天氣影響的屬性，被視為是高階輔助駕駛的“標(biāo)配”傳感器。

業(yè)內(nèi)有一種觀點(diǎn)是，4D成像雷達(dá)有望取代一部分激光雷達(dá)的市場(chǎng)份額。

在某些應(yīng)用中，一些高端4D成像雷達(dá)的性能表現(xiàn)要優(yōu)于激光雷達(dá)，而成本較后者更低；此外，激光雷達(dá)往往會(huì)有一些機(jī)械元器件，顯得十分笨重。

但在恩智浦看來(lái)，高級(jí)別的自動(dòng)駕駛，成像雷達(dá)和激光雷達(dá)之間并不存在替代與否的關(guān)系。L3及以上級(jí)別的自動(dòng)駕駛車輛，應(yīng)當(dāng)有這三種不同的感知體系，有毫米波雷達(dá)、攝像頭、激光雷達(dá)，多模態(tài)的傳感器可以實(shí)現(xiàn)互相補(bǔ)充、冗余的功能，從而確保最高的安全性。

說(shuō)到底，低端市場(chǎng)由成本驅(qū)動(dòng)，高端市場(chǎng)則由性能驅(qū)動(dòng)。不過(guò)在以L2+為代表的市場(chǎng)上，4D成像雷達(dá)的性價(jià)比會(huì)更加明顯。因而近日，恩智浦和蔚來(lái)也官宣兩家公司將就高端4D成像雷達(dá)系統(tǒng)展開(kāi)合作。

需要注意的是，4D成像雷達(dá)有一個(gè)突出問(wèn)題需要解決。

比如，在高速公路上，行車后方有一輛卡車和一輛兩輪車。卡車含金屬量很大，所以對(duì)雷達(dá)發(fā)出的無(wú)線電波的反射能力非常強(qiáng)，但兩輪車的體積很小，所含金屬量也非常小，它反射的無(wú)線電波的能力就非常弱。這時(shí)，如何很好地探測(cè)到遠(yuǎn)距離的這兩個(gè)行駛速率不同的物體，同時(shí)如何進(jìn)行區(qū)分，是一個(gè)挑戰(zhàn)。

“好消息是單芯片方案，通過(guò)提高分辨率以及物體之間的區(qū)分能力，能夠解決這樣一個(gè)挑戰(zhàn)，從而實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的探測(cè)?！盩orsten Lehmann認(rèn)為，未來(lái)的成像雷達(dá)技術(shù)可以非常精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)4D環(huán)境映射，實(shí)現(xiàn)接近激光雷達(dá)的分辨率，同時(shí)針對(duì)周邊環(huán)境形成點(diǎn)云圖，實(shí)現(xiàn)清晰的感知。

寫在最后

4D成像雷達(dá)市場(chǎng)剛剛起步，今年會(huì)有更多的產(chǎn)品等待交付。如果站在智能汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展角度，無(wú)論從更集成的單芯片，還是更優(yōu)的生產(chǎn)工藝來(lái)看，毫米波雷達(dá)都亟需找到成本與性能之間的平衡點(diǎn)。畢竟，汽車市場(chǎng)變化實(shí)在太快了。