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毫米波雷达卷向“单芯片”战场

时间:2023-05-16 08:25  来源:盖世汽车  编辑:子墨   阅读量:14788   

汽车市场变化有多快?日新月异,还是翻天覆地。

传统生产与制造工艺不断受到挑战,代表未来的智能科技则无孔不入,渗透进现代汽车的每一个角落。而这些变化,又带来了一波又一波的技术革新。毫无疑问,雷达行业也正身处其中。

近年来,车载毫米波雷达市场迎来了两个重要趋势:24GHz雷达向77GHz雷达升级,且份额逐渐萎缩;另一边,SiGe工艺朝着RFCMOS的方向转型。

技术路线和工艺转变的最根本原因,源于市场可观的需求。据Yole Développement预测,全球毫米波雷达市场规模将从2022年的18亿美元,增加到2025年的30亿美元,年复合增长率约18.56%。

越来越多的车辆装配毫米波雷达,同时自动驾驶等级提升,单车雷达使用量将明显增加。不仅如此,对于性能更高的4D成像毫米波雷达,其所需的半导体价值量也会更多。

而如何在不牺牲性能并满足车企降本要求的前提下,实现更多雷达上车,已是汽车产业链的重要课题。

性能与成本的“既又也还”

Yole Développement;恩智浦预估值

举个例子,角分辨率不足一直以来都是毫米波雷达的性能短板。对4D成像雷达来说,一个解决方案是,通过前端射频芯片MMIC级联提供更多的天线虚拟通道,从而增加分辨率。

不过,这就带来了许多问题,比如级联之间的同步信号要做到始终同步,甚至阻抗要完全一致。对于精度、功耗、设计复杂度以及雷达尺寸都构成了不小挑战。此外,这里面也涉及到一个关键问题——成本。

可以明显看到,无论是前向雷达还是角雷达,都面临着半导体进一步集成的问题。眼下,角雷达领域已经出现单芯片的集成方案,即所有射频和工艺在一颗芯片中实现。

“2025年以后,单芯片将成为角雷达领域的主导方案。”恩智浦半导体执行副总裁兼射频处理业务部总经理Torsten Lehmann如此表示。

从行业数据来看,毫米波雷达的核心元器件包括MMIC、雷达专用处理器、PCB等,这三部分占BOM的比重分别为20%、30%、10%。单芯片由于集成度更高,一定程度上能够减少额外的BOM成本。

另外,相比套片方案,单芯片雷达可以有效减少PCB面积,简化设计并加速产品推向市场的时程。更重要的是,由于节省了外围器件和射频传输线路所占据的空间,单芯片方案可以满足雷达小型化的设计需求。

CES 2023上,恩智浦首度展示了其4R4T单芯片雷达解决方案SAF85xx,基于28nm工艺打造,集成收发器、处理器、内存、安全模块和通信接口,封装尺寸仅有指甲盖大小,检测距离超过300米。

当然更加重要的是,工艺的持续演进仍是雷达芯片降本的第一个大前提。

MMIC芯片从GaAs到SiGe,再到目前的RFCMOS,使得整体系统成本得以持续下探。据悉,恩智浦在第四代雷达芯片推出之际就过渡到了RFCMOS技术,对于第六代产品,RFCMOS也将进一步提升系统的集成度并降低系统成本。

单芯片雷达方案的“甜蜜期”

但实际上,单芯片雷达方案仍然存在许多挑战。

要知道,77GHz的波长不足24GHz的三分之一,收发天线面积大幅减小,雷达体积可以更小。但也正因如此,射频线路的设计、PCB制版的难度较大,最终影响到芯片的成品率。

Torsten Lehmann进一步指出,77GHz单芯片中要布置天线,但又要很好地控制干扰。原因在于,芯片集成了模拟前端,在实现高性能的同时,其敏感性也非常高。另外,处理器的噪声非常大。这些都需要企业具备非常专业的技术积累。

对于想要进行内部开发的Tier1或者OEM来说,射频相关专业知识是不可或缺的。尤其77GHz雷达芯片的设计上,射频和天线的设计人员需要具备相关领域经验。另外,处理器的设计也要有相关能力或者具备微处理器和雷达的相关经验。此外,信号处理算法等知识也不能少。

总体上,单芯片雷达方案有着一定的专利和技术壁垒。但恩智浦不是第一家推出单芯片方案的供应商,譬如德州仪器从一开始便采用了RFCOMS技术制造集成DSP的单芯片产品,然而到目前为止,单芯片方案还没有成为市场主流。

对此,Torsten Lehmann称,在雷达芯片早期发展阶段,市场需求一度变化。这个变化的过程中,共经历了7代产品。对于输出、噪声、探测距离和发射器、接受器的数量,市场需求一直是在变化的,并不是处于一个非常稳定的状态。这也是,恩智浦最早将处理器和MMIC芯片相分开的原因之一。

而现阶段,单芯片雷达市场的成熟度和稳定性基本上得到了确认。同时在恩智浦看来,单芯片的雷达芯片,需要选择最好以及最合适的技术节点。比如28nm,就是一个最好的、所谓的“甜区”,在性能、工艺和集成度上都是较合适的选择。

不同于过去大部分雷达都采用芯片组,单芯片的方案正慢慢渗透进汽车领域。尽管如此,考虑到分辨率等要求,高端4D成像雷达仍会继续使用芯片组。当然,也不排除未来可以在单芯片中集成更多虚拟通道的可能。

4D成像雷达是下一个战场?

技术路线与工艺的迭代,也让我们看到,车载毫米波雷达的发展潜力。毫米波雷达因其全天候、同时不受雨雪雾等天气影响的属性,被视为是高阶辅助驾驶的“标配”传感器。

业内有一种观点是,4D成像雷达有望取代一部分激光雷达的市场份额。

在某些应用中,一些高端4D成像雷达的性能表现要优于激光雷达,而成本较后者更低;此外,激光雷达往往会有一些机械元器件,显得十分笨重。

但在恩智浦看来,高级别的自动驾驶,成像雷达和激光雷达之间并不存在替代与否的关系。L3及以上级别的自动驾驶车辆,应当有这三种不同的感知体系,有毫米波雷达、摄像头、激光雷达,多模态的传感器可以实现互相补充、冗余的功能,从而确保最高的安全性。

说到底,低端市场由成本驱动,高端市场则由性能驱动。不过在以L2+为代表的市场上,4D成像雷达的性价比会更加明显。因而近日,恩智浦和蔚来也官宣两家公司将就高端4D成像雷达系统展开合作。

需要注意的是,4D成像雷达有一个突出问题需要解决。

比如,在高速公路上,行车后方有一辆卡车和一辆两轮车。卡车含金属量很大,所以对雷达发出的无线电波的反射能力非常强,但两轮车的体积很小,所含金属量也非常小,它反射的无线电波的能力就非常弱。这时,如何很好地探测到远距离的这两个行驶速率不同的物体,同时如何进行区分,是一个挑战。

“好消息是单芯片方案,通过提高分辨率以及物体之间的区分能力,能够解决这样一个挑战,从而实现更远距离的探测。”Torsten Lehmann认为,未来的成像雷达技术可以非常精准地实现4D环境映射,实现接近激光雷达的分辨率,同时针对周边环境形成点云图,实现清晰的感知。

写在最后

4D成像雷达市场刚刚起步,今年会有更多的产品等待交付。如果站在智能汽车产业的发展角度,无论从更集成的单芯片,还是更优的生产工艺来看,毫米波雷达都亟需找到成本与性能之间的平衡点。毕竟,汽车市场变化实在太快了。

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