前言：由於世界各國(guó)的汽車(chē)安全標(biāo)準(zhǔn)、汽車(chē)電子化水準(zhǔn)不斷提高以及人們對(duì)駕駛安全需求不斷增長(zhǎng)，具備主動(dòng)安全技術(shù)的ADAS系統(tǒng)呈現(xiàn)快速發(fā)展的勢(shì)頭。感測(cè)器技術(shù)是汽車(chē)電子的關(guān)鍵核心技術(shù)之一，各種感測(cè)器技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展為主動(dòng)安全提供了技術(shù)可行性，汽車(chē)微波/毫米波雷達(dá)感測(cè)器正是實(shí)現(xiàn)該功能的核心部件之一。微波/毫米波雷達(dá)是利用目標(biāo)對(duì)電磁波反射來(lái)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)並測(cè)定其位置的。
  

毫米波頻率高、波長(zhǎng)短，一方面可縮小從天線輻射的電磁波射束角幅度，從而減少由於不需要的反射所引起的誤動(dòng)作和干擾，另一方面由於多普勒頻移大，相對(duì)速度的測(cè)量精度高。在汽車(chē)主動(dòng)安全領(lǐng)域，汽車(chē)微波/毫米波雷達(dá)感測(cè)器因?yàn)槟軌蛉旌蚬ぷ?，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(rèn)的主流選擇，擁有巨大的市場(chǎng)需求，因而也是汽車(chē)電子廠商當(dāng)前的主要研發(fā)方向。毫米波雷達(dá)同超聲波雷達(dá)相比，毫米波雷達(dá)具有體積小、品質(zhì)輕和空間解析度高的特點(diǎn)。與紅外、鐳射、攝像頭等光學(xué)感測(cè)器相比，毫米波雷達(dá)穿透霧、煙、灰塵的能力強(qiáng)，具有全天候全天時(shí)的特點(diǎn)。
 

▌雷達(dá)應(yīng)用市場(chǎng)
 

據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，隨著ADAS系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，汽車(chē)微波/毫米波雷達(dá)感測(cè)器市場(chǎng)的年均增長(zhǎng)率將高達(dá)23%，預(yù)計(jì)到2021年的市場(chǎng)需求總量將達(dá)5000萬(wàn)部。2015年中國(guó)汽車(chē)銷(xiāo)售量為2459.8萬(wàn)輛，保守按中國(guó)汽車(chē)銷(xiāo)售量中有20%（491萬(wàn)輛）裝配汽車(chē)微波/毫米波雷達(dá)感測(cè)器的話，市場(chǎng)規(guī)模就很可觀，前景廣闊。
 

目前來(lái)說(shuō)，毫米波雷達(dá)的技術(shù)主要由大陸、博世、電裝、奧托立夫、Denso、德?tīng)柛５葌鹘y(tǒng)零部件巨頭所壟斷，特別是77GHz毫米波雷達(dá)，只有博世、大陸、德?tīng)柛?、電裝、TRW、富士通天、Hitachi等公司掌握。目前，博世的長(zhǎng)距離毫米波雷達(dá)產(chǎn)品是其核心產(chǎn)品，主要應(yīng)用在自巡航控制系統(tǒng)ACC和緊急自動(dòng)剎車(chē)AEB中；Hella則是以24GHz雷達(dá)為其核心，客戶範(fàn)圍廣泛。

                      圖1 毫米波雷達(dá)
 

▌雷達(dá)方案對(duì)比

目前在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，24GHz毫米波雷達(dá)與77GHz毫米波雷達(dá)的主要區(qū)別在於以下幾點(diǎn)：
  1）77GHz毫米波雷達(dá)的體積更小。24GHz毫米波雷達(dá)和77GHz毫米波雷達(dá)的性能及演算法其實(shí)相差不遠(yuǎn)，更主要的差距還是在雷達(dá)體積上。由於24GHz雷達(dá)的頻率更低波長(zhǎng)更長(zhǎng)，因此雷達(dá)所需要的天線就更長(zhǎng)，做成小體積雷達(dá)的難度就更高，因此24GHz毫米波雷達(dá)會(huì)比77GHz毫米波雷達(dá)的體積更大，在追求美觀與輕量化的車(chē)載領(lǐng)域體積是個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。
  2）77GHz毫米波雷達(dá)所需要的工藝更高。77GHz毫米波雷達(dá)最大的製造難度體現(xiàn)在其工藝上，77GHz毫米波雷達(dá)由於體積小，其線路板的面積很小，因此射頻線路的設(shè)計(jì)難度非常高，成片的成品率也比較低。
  3）77GHz毫米波雷達(dá)的檢測(cè)精度更好。相比于24GHz雷達(dá)，77GHz雷達(dá)的波長(zhǎng)更小，雖然繞射能力比24GHz雷達(dá)要弱，但是其檢測(cè)精度更高。因此未來(lái)對(duì)於檢測(cè)精度精益求精的自動(dòng)駕駛來(lái)說(shuō)，77GHz毫米波雷達(dá)無(wú)疑更具有一定優(yōu)勢(shì)。
  4）24GHz毫米波雷達(dá)的射頻晶片對(duì)相對(duì)77GHz雷達(dá)射頻晶片更易獲取。各大廠商經(jīng)過(guò)多年對(duì)24GHz毫米波雷達(dá)的研發(fā)，市場(chǎng)上24GHz毫米波雷達(dá)的產(chǎn)品體系已經(jīng)相對(duì)成熟，供應(yīng)鏈已經(jīng)相對(duì)穩(wěn)定，在國(guó)內(nèi)，24GHz的核心晶片射頻晶片能從英飛淩、飛思卡爾等晶片供應(yīng)商獲得。但是，目前在全球範(fàn)圍內(nèi)77GHz毫米波雷達(dá)晶片並沒(méi)有穩(wěn)定的供應(yīng)體系，由於相關(guān)智慧財(cái)產(chǎn)權(quán)與合作協(xié)定的原因，英飛淩、飛思卡爾、意法半導(dǎo)體等晶片商對(duì)中國(guó)並沒(méi)有放開(kāi)77GHz雷達(dá)晶片的供應(yīng)，因此國(guó)內(nèi)77GHz毫米波雷達(dá)的開(kāi)發(fā)受到一些限制。

            表1 77GHz雷達(dá)主要功能、性能參數(shù)表
全球發(fā)達(dá)國(guó)家向77GHz升級(jí)切換，24GHz產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)短期仍有市場(chǎng)?？紤]到中國(guó)的實(shí)際國(guó)情以及晶片研發(fā)進(jìn)度等行業(yè)特點(diǎn)，24GHz毫米波雷達(dá)在國(guó)內(nèi)仍有較大市場(chǎng)空間，相比全球而言我國(guó)77GHz毫米波雷達(dá)的大規(guī)模應(yīng)用將稍微推後。隨著技術(shù)的發(fā)展，77GHz毫米波雷達(dá)將在行業(yè)普遍產(chǎn)業(yè)化。
  
▌毫米波雷達(dá)測(cè)距原理
  車(chē)載毫米波雷達(dá)主要應(yīng)用在汽車(chē)的防撞系統(tǒng)上。車(chē)載毫米波雷達(dá)利用電磁波發(fā)射後遇到障礙物反射的回波對(duì)其不斷檢測(cè)，計(jì)算出與前方或後方障礙物的相對(duì)速度和距離。當(dāng)車(chē)輛行進(jìn)中時(shí)，發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的雷達(dá)窄波束向前發(fā)射調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）信號(hào)，當(dāng)發(fā)射信號(hào)遇到目標(biāo)時(shí)被反射回來(lái)，並為同一天線接收，經(jīng)混頻放大處理後，可用其差拍信號(hào)時(shí)間差來(lái)表示雷達(dá)與目標(biāo)的距離，再根據(jù)差頻信號(hào)相差與相對(duì)速度關(guān)係，計(jì)算出目標(biāo)對(duì)雷達(dá)的相對(duì)速度及危險(xiǎn)時(shí)間，從而通過(guò)防撞系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛做出預(yù)判警告。

                 圖2 汽車(chē)防撞雷達(dá)原理框圖

目前，毫米波車(chē)載雷達(dá)系統(tǒng)的研究工作領(lǐng)先地區(qū)主要分佈在美國(guó)、歐洲和日本。目前研究?jī)?nèi)容主要集中在兩個(gè)方面，即前視汽車(chē)?yán)走_(dá)(FCW)和自主巡航控制系統(tǒng)(ACC) 等。二者的區(qū)別在於前者只需完成危險(xiǎn)預(yù)警功能，而後者需要通過(guò)雷達(dá)系統(tǒng)即時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)輛間距和相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度資訊，自動(dòng)控制汽車(chē)的轉(zhuǎn)向、加速、減速或者剎車(chē)，從而自動(dòng)地調(diào)整己車(chē)與前車(chē)的間距或者相對(duì)速度使之保持在一個(gè)安全的範(fàn)圍內(nèi)。從智慧汽車(chē)發(fā)展的趨勢(shì)看，目前已經(jīng)加速?gòu)念A(yù)警提示向閉環(huán)自動(dòng)控制功能升級(jí)切換。

             圖3 車(chē)載雷達(dá)模組

             圖4 防碰撞功能

                圖5 雷達(dá)系統(tǒng)原理框圖
 

▌毫米波雷達(dá)系統(tǒng)方案
  在描述設(shè)計(jì)方案之前，不得不提到一個(gè)好消息。牛喀網(wǎng)於1月19日，邀請(qǐng)了國(guó)內(nèi)雷達(dá)開(kāi)發(fā)首席技術(shù)專(zhuān)家劉博士，為工程師朋友們帶來(lái)3天的培訓(xùn)。將重點(diǎn)針對(duì)77GHz毫米波雷達(dá)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、信號(hào)處理、天線設(shè)計(jì)等技術(shù)進(jìn)行深層剖析。詳情可點(diǎn)擊以下海報(bào)瞭解：

 汽車(chē)微波/毫米波雷達(dá)主要由天線、前端雷達(dá)感測(cè)器和後端信號(hào)處理器組成。其中雷達(dá)感測(cè)器是最關(guān)鍵核心部件，而目前汽車(chē)?yán)走_(dá)感測(cè)器都採(cǎi)用積體電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)。汽車(chē)微波/毫米波雷達(dá)感測(cè)器積體電路主要為：英飛淩、恩智浦∕飛思卡爾和ST（意法半導(dǎo)體）等公司。針對(duì)77GHz汽車(chē)?yán)走_(dá)其主要設(shè)計(jì)方案如下：

（1）英飛淩77GHz汽車(chē)?yán)走_(dá)方案

         圖6 英飛淩雷達(dá)集成晶片框圖

            圖7 英飛淩雷達(dá)系統(tǒng)框圖
 

系統(tǒng)特點(diǎn)：發(fā)射模組、接收模組分離，集成度較高，採(cǎi)用該方案來(lái)設(shè)計(jì)77GHz射頻前端電路具有一定的靈活性，單獨(dú)電路消化難度有所降低；但由於涉及到比較多的控制電路設(shè)計(jì)，後期的調(diào)試工作量較大。
（2）恩智浦∕飛思卡爾77GHz汽車(chē)?yán)走_(dá)方案

        圖8 恩智浦∕飛思卡爾雷達(dá)框架

         圖9 恩智浦∕飛思卡爾雷達(dá)系統(tǒng)框圖

           圖10 恩智浦∕飛思卡爾雷達(dá)系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)特點(diǎn)：發(fā)射模組、接收模組分離，VCO、MCU等電路，集成度較高，採(cǎi)用該方案來(lái)設(shè)計(jì)77GHz射頻前端電路具有一定的靈活性，單獨(dú)電路消化難度有所降低；但由於也涉及到比較多的控制電路設(shè)計(jì)，後期的調(diào)試工作量也較大。目前已推出新款集成度更高的晶片樣片，收發(fā)模組等進(jìn)行了集成，支持3發(fā)4收。

（3）UMS 77GHz汽車(chē)?yán)走_(dá)方案

                 圖11 UMS 雷達(dá)系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)特點(diǎn)：發(fā)射模組、接收模組分離，VCO、MCU等電路，集成度較高，採(cǎi)用該方案來(lái)設(shè)計(jì)77GHz射頻前端電路具有一定的靈活性，單獨(dú)電路消化難度有所降低；但由於也涉及到比較多的控制電路設(shè)計(jì)，後期的調(diào)試工作量也較大。

（4）ST 77GHz 汽車(chē)?yán)走_(dá)方案

              圖12 ST 77G DEMO板圖

系統(tǒng)特點(diǎn)：發(fā)射模組、接收等模組集成設(shè)計(jì)，輔以MCU等部分電路可構(gòu)建雷達(dá)系統(tǒng)，集成度高。採(cǎi)用該方案來(lái)設(shè)計(jì)77GHz射頻前端電路內(nèi)部配置靈活，整體消化難度有所提高；但由於也涉及到控制電路少，後期的調(diào)試工作量較少、成本低。
 

綜合情況分析如下：

結(jié)論

汽車(chē)毫米波雷達(dá)在我國(guó)屬於新興的產(chǎn)品，汽車(chē)主動(dòng)安全系統(tǒng)也是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要方向。隨著目前我國(guó)自主品牌汽車(chē)上ADAS產(chǎn)品的普遍應(yīng)用和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)汽車(chē)主動(dòng)安全系統(tǒng)的要求逐漸提高。在未來(lái)的產(chǎn)品汽車(chē)製造中，汽車(chē)行業(yè)應(yīng)當(dāng)將毫米波雷達(dá)的搭載應(yīng)用作為戰(zhàn)略性的發(fā)展目標(biāo)，以市場(chǎng)為導(dǎo)向，抓住難得的發(fā)展機(jī)遇，早日實(shí)現(xiàn)我國(guó)汽車(chē)防撞雷達(dá)產(chǎn)業(yè)化。國(guó)家應(yīng)該加大研究資金的投入，推動(dòng)汽車(chē)防撞雷達(dá)的研究進(jìn)度，當(dāng)防撞雷達(dá)技術(shù)達(dá)到一定的水準(zhǔn)，可以帶來(lái)巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益