相較于激光雷達、攝像頭等傳感器,毫米波雷達由于具備全天候全天時的探測能力,即使在雨雪、塵霧等惡劣環(huán)境條件下依舊可以正常工作,再加上通過直接測量距離和速度,更容易實現(xiàn)對目標(biāo)運動狀態(tài)的檢測,正逐漸在越來越多的新車上搭載。
以77 GHz毫米波雷達為例,據(jù)研究院統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,今年上半年國內(nèi)新車?yán)塾嫶钶d前向77GHz毫米波雷達201.65萬顆,相較于2019年同期增長29.36%。下半年隨著搭載ADAS功能的新車陸續(xù)上市,預(yù)計今年全年前向77GHz毫米波雷達搭載量同比增速將維持30-40%。
盡管如此,相較于整個汽車市場來說,毫米波雷達的裝配率仍然處于低位,如何進一步推動這項技術(shù)在汽車領(lǐng)域的普及是亟待解決的問題。要想讓毫米波雷達成為各級別車型都用得上的技術(shù),還需要在性能、成本等多方面進一步突破,這里面毫米波雷達芯片將起到十分關(guān)鍵的作用。軟板廠發(fā)現(xiàn),特別是基于CMOS工藝的毫米波雷達芯片,由于可以幫助毫米波雷達同時實現(xiàn)高性能、易開發(fā)、小型化、經(jīng)濟性等多重優(yōu)勢,正逐漸成為越來越多整車廠和零部件供應(yīng)商的選擇。
讓毫米波雷達真正普及,小型化和經(jīng)濟性是關(guān)鍵
毫米波雷達在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用早已有之。不過早期毫米波雷達里的核心芯片所采用的工藝主要是GaAs、SiGe等化合物半導(dǎo)體,其中基于GaAs工藝的毫米波雷達芯片前端大都是分立式的,即發(fā)射器、接收器和處理組件均為獨立單元,這使得雷達的設(shè)計過程十分復(fù)雜,產(chǎn)品體積也往往較大。
不僅如此,因上述原材料價格昂貴,導(dǎo)致毫米波雷達整體價格也相對較高,特別是77GHz毫米波雷達。所以在過去相當(dāng)長的一段時間里,毫米波雷達主要是歐美高端車型的專屬。
憑借多年研發(fā)毫米波集成電路板的經(jīng)驗,毫米波雷達在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用前景絕不止于此,特別是在未來的輔助駕駛上將大有可為——只要這個傳感器足夠小,足夠經(jīng)濟。彼時是2014年,就是“那個時候自動和輔助駕駛也并沒有現(xiàn)在這么火,無論是整車廠還是一級供應(yīng)商,在這些方面沒有特別明顯的戰(zhàn)略方向” 。
采用完全不同的CMOS工藝取代價格相對較昂貴的化合物半導(dǎo)體工藝,從而降低毫米波雷達的價格。CMOS工藝在消費電子產(chǎn)品領(lǐng)域已經(jīng)有了很成熟的應(yīng)用,例如手機里的WiFi、藍牙以及電腦中的處理器,都是用CMOS工藝實現(xiàn)的。相較于化合物半導(dǎo)體,這項技術(shù)具備更大體量的經(jīng)濟規(guī)模,如果毫米波雷達芯片也能夠享受這種CMOS工藝所能帶來的規(guī)?;б?,價格是可以大幅下降的。
為此,特別推出了AiP(封裝集成片上天線),通過在芯片封裝內(nèi)部集成天線陣列,減少客戶天線設(shè)計和高頻板材投入,并大幅縮短模塊研發(fā)和生產(chǎn)周期,加速毫米波雷達在汽車和行業(yè)市場的普及。
客戶拿到這款產(chǎn)品之后,連天線都不用設(shè)計了。因為雷達里面除了電子部分,設(shè)計難度和成本比較高、良率控制比較復(fù)雜的就數(shù)天線了,推出這款產(chǎn)品相當(dāng)于大大降低了客戶的開發(fā)難度。 且由于將天線集成在芯片封裝上,在易用性和降低雷達模塊的體積方面,又有了進一步的提升。
雖然相較于傳統(tǒng)的化合物半導(dǎo)體,CMOS工藝無論是在經(jīng)濟性還是集成度、可擴展性等方面都具有明顯的優(yōu)勢,但是要基于這項技術(shù)研發(fā)真正符合車規(guī)級需求的毫米波雷達產(chǎn)品,并不容易。汽車領(lǐng)域的企業(yè)來做,最大的挑戰(zhàn)在于怎么用CMOS工藝實現(xiàn)77GHz這樣高頻的電路板PCB,并且保證噪聲在可控范圍內(nèi)。
此前就是因為未能實現(xiàn)技術(shù)上的突破,所以在77GHz毫米波雷達的普及方面,行業(yè)遲遲未有大的進展。尤其是要符合汽車開發(fā)的要求,比如芯片的工作溫度范圍要能夠覆蓋-40℃~125℃,而且要保證在汽車的整個生命周期內(nèi),芯片都能夠在這么寬的溫度范圍內(nèi)正常工作,整體的可靠性要求是非常高的。另外,功能安全也是很重要的一方面。功能安全最重要的作用是確保任一隨機故障、系統(tǒng)故障或共因失效,都不會導(dǎo)致安全系統(tǒng)的故障,避免造成人員的傷害或死亡、環(huán)境的破壞、設(shè)備財產(chǎn)損失等。
從Transceiver、SoC到AiP的解決方案,多方面助力毫米波雷達量產(chǎn)
第一代產(chǎn)品Yosemite從研發(fā)到量產(chǎn),加特蘭花了3年的時間。算是一個小小的里程碑,2017年推出第一代CMOS芯片的時候,也是全球首個汽車級CMOS工藝77GHz毫米波雷達射頻前端芯片。
在第一代產(chǎn)品里,毫米波射頻收發(fā)芯片用單顆CMOS芯片實現(xiàn)了,而在此之前,按業(yè)界的慣常做法需要用多顆化合物半導(dǎo)體才能達到同樣的效果,如此一來體積也小了,毫米波雷達的價格自然就降下來了。該產(chǎn)品于2018年正式開始在奇瑞、上汽等品牌相關(guān)車型上搭載,用于盲點監(jiān)測、變道輔助、前方碰撞預(yù)警等。
緊接著,又于2019年推出了第二代產(chǎn)品Alps。與Yosemite相比,Alps將毫米波雷達里面的模擬、數(shù)字和雷達算法等用單芯片實現(xiàn)了,相比第一代集成度更高,且在性能、成本、功耗等方面也到了進一步的改善。特別需要指出的是芯片之間的級聯(lián),通過這項技術(shù)加特蘭可以實現(xiàn)多款芯片之間的同步信號發(fā)射和數(shù)字處理信號的交互等,從而有效拓展芯片通道數(shù)量,優(yōu)化產(chǎn)品性能,這也是加特蘭獨創(chuàng)的技術(shù)。
除了傳統(tǒng)的汽車?yán)走_應(yīng)用,毫米波雷達也將更多的被應(yīng)用在“車外場景”,比如通過Alps AiP實現(xiàn)輔助泊車,環(huán)車的超短距探測,其中后者在擁堵等復(fù)雜的交通場景中尤為適用,可極大地彌補現(xiàn)有中長距傳感器在近距離感知方面的不足,代替超聲波傳感器等實現(xiàn)相關(guān)的駕駛輔助功能。
還有車內(nèi)生命體征探測,因為毫米波雷達可以用來監(jiān)測呼吸心跳,現(xiàn)實生活中常有車主將兒童較長時間‘遺忘’在座艙內(nèi),在夏天這是非常危險的,借助毫米波雷達傳感器可以很好地避免此類事故的發(fā)生。并且因為有了AiP技術(shù),毫米波雷達可以做得特別小,在車內(nèi)安裝也十分方便,還不會涉及任何隱私問題。由此甚至可以拓展另一項技術(shù)——DMS的功能,通過將毫米波雷達與攝像頭結(jié)合,對駕駛員的呼吸心跳等體征信息進行監(jiān)測,以對潛在危險狀態(tài)及時預(yù)警。
迎接自動駕駛商業(yè)化,高精度成像也是剛需
毋庸置疑,憑借CMOS工藝不僅極大地降低了毫米波雷達的開發(fā)門檻,使其真正成為了大多數(shù)品牌車型都用得起的一項技術(shù),也推動了CMOS工藝在毫米波雷達芯片領(lǐng)域的“走熱”,讓這項技術(shù)逐漸成為行業(yè)主流。那么在已有產(chǎn)品相繼市場化之后,更長遠的未來毫米波雷達還將呈現(xiàn)怎樣的發(fā)展趨勢呢?主要有兩個方向:第一、高精度成像;第二、依舊是小型化和經(jīng)濟性。
其中在高精度成像方面,傳統(tǒng)的毫米波雷達雖然可以準(zhǔn)確探測目標(biāo)與雷達之間的距離、方位、速度等信息,但由于無法探測高度信息,所以無法成像,不能準(zhǔn)確識別目標(biāo)的形態(tài),這也是毫米波雷達相較于攝像頭和激光雷達的短板所在。但對于L3及以上級別的自動駕駛汽車來說,這類高精度探測需求又十分迫切,如果毫米波雷達也可以實現(xiàn)高精度成像,不僅可以與其他傳感器進行互補,甚至能在一定程度上取代昂貴的激光雷達。
至于經(jīng)濟性和小型化方面,雖然現(xiàn)在毫米波雷達已經(jīng)逐漸在新車上搭載,但整體的滲透率其實還很低,特別是二十萬以下的車,至少還有一半沒有搭載,而未來5~10年考慮到ADAS在汽車領(lǐng)域仍將是主流,如何進一步提升毫米波雷達的普及率?成本一定是關(guān)鍵因素。小型化帶來的好處則是安裝方便,并且可以同時在車上安裝多個毫米波雷達。
要想真正推動ADAS產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,還需要更多的企業(yè)和上下游的伙伴參與其中,讓產(chǎn)品更好更快地落地。好的芯片設(shè)計也將帶動產(chǎn)品競爭力的提升和產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。良性的競爭環(huán)境、車企客戶的快速導(dǎo)入、ADAS的普及等因素,最終會相互促進,從而更好地助力汽車產(chǎn)業(yè)加速邁向智能化時代。