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              77G毫米波雷達PCB板/ADAS應用及方案分析

              時間:2023-07-27 人氣:167


                                                                                 77G毫米波雷達PCB板/ADAS應用及方案分析




                  近年來ADAS功能逐步趨向于自動駕駛場景。面對復雜的交通環境、天氣及晝夜的變化,毫米波雷達表現卓越的性能更加搶眼、使之成為當前自動駕駛技術方案的標配。本文基于毫米雷達技術特點和應用場景,對比目前主流芯片廠商的集成方式,以及雷達模組廠商的主要產品,給出毫米波雷達選擇準則和配置規律。本文主要包括部分內容,第一節介紹毫米波雷達的工作原理和前端電路結構。第二節介紹 76~81 GHz 毫米波雷達在 ADAS 功能和 AD 自動駕駛中的角色和功能,重點介紹相較激光雷達和攝像頭兩種技術方案毫米波雷達的技術特點和優勢。第三節重點介紹和對比主要雷達前端半導體廠商的 77 GHz雷達方案和特點,為汽車雷達研發人員提供方案選型依據。

               毫米波雷達3個主要的測量能力和特點

              作為 ADAS 或AD自動駕駛汽車空間感知系統的重要組件,毫米波雷達可為主機車輛提供多種高精度的路面空間信息,如目標車輛的距離、方位角和相對速度等。這些信息對車輛主動控速、避讓其他車輛,甚至執行緊急安全措施都具有非常重大的意義。

                                                                                              圖1.png

              圖1為例,展示了車載雷達的3個主要的測量能力,即與目標車輛(物體)的距離、方位角和相對徑向速度。而對于高分辨率雷達還具有一定物體特征的檢測能力,從而判斷目標的性質,比如轎車、卡車、行人、路燈桿、冰面路等。

              從原理上說,傳統的脈沖雷達是通過測量發射波和反射波之間的傳輸延時求得與目標物體的距離參數;通過水平旋轉雷達天線的發射面實現機械掃描來獲取目標的方位角度;對于被測目標的速度,則必須采用發射連續波,經過測量反射波的多普勒頻移并計算獲得。

              可以看出,單一測量目的的雷達原理并不復雜,但是如何將它們集成到一具雷達組件上,并且具有的小型化、輕量化、低功耗和耐震動的特點就是一個不小的挑戰了。這也成為各大廠商摒棄機械雷達,不約而同的選擇固態毫米波雷達的主要原因。

              首先,毫米波波長短,收發天線尺寸小,組件裝置就可以做的很??;其次,伴隨著射頻技術的發展,毫米波半導體技術已經比較成熟,雷達前端電子器件集成度很高,雷達模組重量輕,抗震性能理想。

              而且隨著雷達芯片的大規模量產,組件成本低,可以在車身上安裝多組、級聯和拼接后實現 360°環視,這樣就無需復雜而精密的機械掃描構造;

              而且從信號處理的角度,毫米波雷達采用的特殊調制方式,可以在極短時間內完成距離和角度的雙重測量,效率非常高。而且通過反射波的微多普勒特征,通過算法可以判斷目標物體屬性,實現目標識別。


              車載雷達收發器結構

              傳統的脈沖雷達是通過測量收發信號的脈沖時間差來算出與目標距離。但是三角FMCW或 Chirp 雷達卻是要測量發射信號和接收信號之間的頻率差,這就需要在雷達收發器中加入一個混頻器,將收發信號進行混頻得到頻率差(也可稱為 IF 中頻信號)。毫米波雷達組件是如何實現它的功能的呢?下邊需要介紹一下雷達的電路結構。


              如圖5展示了基本的毫米波雷達原理框圖。三角波發生器通過控制鎖相環PLL內的VOC壓控振蕩器 產生一個周期性的調頻信號。經過n倍頻器將其變換到76 GHz~81 GHz的發射頻率。

              經過PA放大,由Tx 天線將雷達波束發射出去照射目標物體。雷達波經物體反射回到Rx天線。微弱的反射信號再經過LNA 低噪聲放大器再與 Tx 信號進行混頻,從而得到 IF差頻信號 fB 。

              以上在整個毫米波雷達系統中被稱為“射頻前端”(RFFE)。而后模擬的 IF 信號通過“數字前端”的ADC電路進行采樣和量化轉換數字基帶信號。接下來的數字型號通過總線接口傳輸給執行 FFT 運算的數字信號處理器DSP,最終計算獲得目標物體的距離、方位和速度等信息。

              從電路結構來看,在數字處理之前是被稱為“雷達收發器”的部分,也是各車載雷達芯片公司主要的戰場。而之所以將車載毫米波雷達系統劃分成射頻 前端、數字前端和數字處理這三部分。

              主要是因為各雷達半導體廠商通過對這三部分電路的集成和分割體現各自在半導體工藝、雷達性能和集成度方面的差異化和優勢化。


              最新車載毫米波雷達的分類和應用 

              ADAS/AD對車載雷達的需求 

              從市場角度,全球汽車工業朝著電動化、智能化、網聯化的方向發展,市場對具有ADAS功能的汽車需求增加,也帶來了車載雷達需求總量的激增。

              這期間各大IC廠商紛紛進入,與汽車部件供應商和車廠一起建立了一套完整的車載雷達技術與供給產業鏈。同時單車雷達的數量、性能和安裝位置也已經與具體的ADAS任務之間產生了特定關系

              從雷達裝備數量來看,表1展示了NXP恩智浦半導體公司預估自動駕駛 Level 1~Level 5 各級車載雷達及其他傳感器數量需求。

              ADAS 至自動駕駛 Level 1~Level 5級的進階是汽車駕駛朝著自動化和智能化 升級的過程,它同時伴隨著車身雷達Radar和攝像頭Camera數量的增加。

              可以看出毫米波雷達和攝像頭的數量遠大于同程度的激光雷達LiDAR。這不只是原理和用途上的差異,更是成本的考量??梢哉f未來車載毫米波雷達使用的普遍性、總裝數量和市場都會非常的龐大。

              車載雷達及傳感器種類 

              毫米波雷達是通過電磁波束對目標進行探測的,因為發射功率與探測距離,天線排布與探測角度之間制約關系,很難讓一具雷達同時具備大角度和遠距離的性能。所以毫米波雷達根據不同的探測需要被分為遠距 LRR、中距 MRR 和近距 SRR 3 個類型,如表 2 所示。

                                                                                       圖2.png

              作為ACC自適應巡航功能的前視雷達采用LRR,它要看的足夠遠以保證車輛在高速行駛過程中有足夠的減速時間和制動距離,但LRR的波束集中限制了它的視場角。而MRR中距雷達主要支持如LCA變道輔助等功能。

              它可以提前檢測目標車道的路面情況,確定其他車輛的位置和速度,車載計算機通過計算就可以制定變道時機、切入角度和速度等行駛動作策略。

              SSR則和當前很多車輛的超聲波雷達的功能有一定重合,主要支持車身環視、自動泊車和障礙物檢測功能。同時較Ultrasonic超聲波雷達,SRR其探測范圍更大,可以精確定位車身周圍行人或障礙物的位置。除了上述提到的從功能上劃分,當前車載毫米波雷達還可以從波段和帶寬上劃分(表3

                                                                                       圖3.png

              備注:由于歐洲24G頻段占用衛星/航天服務共享頻段,車載24G雷達頻段將于2022年取消車載毫米波雷達中心頻率從 24G 提高到 77G 除了考慮各國頻段資源分配的法規,更重要的是77G可以承載的更高的工作帶寬,從而提供更高分辨率和目標檢測能力。

              比如,77G雷達在1G的帶寬時,在前方 250 m的范圍內分辨行人和車輛,這對車輛駕駛決策 具有非常重要的意義。 


              圖4.png

              最新車載毫米波雷達在ADAS上對應的具體功能 

              當前帶有高級輔助駕駛功能的汽車,會根據其支持的項目來部署車載雷達和其他傳感器(表4)。

              表 4 總結了當前已經實現的 L3 級 ADAS 的主要 功能。其中9項需采用毫米波雷達的支持??梢哉f毫 米波雷達是未來高級輔助駕駛和自動駕駛系統的“標 配”。

              毫米波雷達在全天候條件下,測量效率和系統成本優勢遠高于激光雷達和攝像頭。但其在交通標志、標線和物體識別方面的缺陷,則要由攝像頭傳感器來支撐。

                

                                                          圖6.png

              如圖 6 所示,當前車載毫米波雷達 Radar 都是固態的,安裝在車身的固定位置,并探測車外相應區域,如前視 MRR 中距雷達、后視 MRR 中距雷達和近距 SRR 環視雷達。

              攝像頭也同樣采用固定職位安裝,并監視相應的區域。而當前比較成熟激光雷達 基本采用機械掃描方式,一般安裝在車頂以此實現 360°掃描。 


               77G毫米波雷達方案-典型ADAS/AD駕駛雷達方案  

              為了更好的了解最新毫米波雷達的硬件方案,我們先關注一下前沿的 ADAS/自動駕駛感知系統的硬件拓撲結構。

              如圖7展示,首先明確的將固態激光雷達、毫米波雷達和攝像頭傳感器分成獨立的3個域,每個域一個單獨的域控制器(Sensor Domain Processor)。

              而一個域控制器下掛多個同類的傳感器或雷達。比如,毫米波雷達域就有2組共6具雷達收發器。要說明的是最新的車載毫米波雷達支持級聯技術,它通過將多個收發器串聯在一起,增加某一方向上收發天線數量,通過域控制器的同步使這個方向的雷達具有更大的視場角度和探測能力。圖7.png

              如圖7中,6個SRR/MRR中短毫米波雷達就是 3 個一組的級聯方式,2 組分別負責不同的探測方向。同時LRR遠距毫米波雷達被獨立出來,因為前看雷達采用寬帶高分辨率窄波束模式, 專門負責ACC和AEB等高安全級別功能。

              其數據接口要滿足大帶寬和低延時要求,因此直接鏈接融合控制器,而不經由域控制器的分支。當然,這種以控制融合單元(Control Fusion Unite) 為中心的拓撲結構,可以拓展多個域控制器,結構非常靈活。

              不同類型的雷達或傳感器獲取的空間數據在這個單元中進行融合計算,最終建立起一個三維空 間地圖,實現如安全預警、變道、環視和自動泊車等 ADAS功能。

              77/79G雷達系統方案   

              如 1.4 節所展示的,一個完整車載毫米波雷達收發器模塊,包括射頻前端(含天線)、數字前端、數字處 理DSP以及電源這4個部分。毫米波雷達作為整車前裝部件,且單車裝備數量多,所以整車廠對其成本非常敏感。

              早期的毫米波雷達方案,由于受到射頻半導體工藝的限制,其電路主要由分離器件搭建,性能和質量并不穩定,成本也下不來。但隨著MMIC微波芯片技術和制造工藝的提高,不同的半導體公司都提出各自特點的集成方案。

              如歐洲的英飛凌(Infineon)其車載雷達方案發展的較早,他們最早采用離散器件電路,后逐步集成形成今天基于BiCMOS工藝收發器+數字DSP的套片方案。

              歐洲的另外一個廠商恩智浦(NXP)2017年開始從BiCMOS轉向集成度更高的RFCMOS收發器+數字DSP的方案。

              而大洋彼岸的美國德州儀器(TI)則從一開始就采用 RFCOMS 技術制造集成數字處理后端的單芯片方案。

              這里可以看出從工藝角度有 BiCMOS vs RFCMOS 兩大流派;從結構上有“套片方案”vs“單 芯片方案”2種方案。

              下面就從成本和優缺點來分析這3種典型毫米波雷達IC方案:

              BiCMOS vs RFCMOS BiCMOS主要為SiGe(硅鍺)工藝,BiCOMS是當前 MMIC領域一種比較成熟的模擬制程。

              它是將雙極型 BJT晶體管和0.5 μm的CMOS技術結合在一起,讓芯片既擁有硅工藝一定的集成度、較高的優良品率和較低的成本,又具備第3到第5類半導體在高截止頻率、 高功率、高線性度、低噪聲等優良射頻性能。

              BiCMOS 非常適合制造毫米波雷達射頻收發器IC。而采用RF? CMOS工藝的優勢是可以將射頻前端,運算處理與存儲器等數字組件制作在一塊晶片上。

              這就意味著可以將雷達系統的模擬前端、數字前端和數字處理這3 部分完全集成在一顆芯片里,實現雷達的單芯片化和低成本目標。

              但是由于將系統的模擬模塊和數字模塊集成在一起,引入的開關噪聲和RFCMOS自身的高噪聲問題與改善性能所需增加的成本等問題,成為擺在 RFCMOS 雷達芯片面前的突出障礙。

              從另一個角度也正是因為長期的積累和采用BiCMOS工藝,確立了英飛凌在LRR遠距離毫米波雷達上的優勢,包括兼備探測距離遠和接收靈敏度高等特點。

              但是正如圖7 所示,LRR在ADAS系統上的需求有限,而環視和角雷 達等SRR和MRR中近距離的毫米波雷達需求數量很大,而RFCOMS的高集成度和高優良品率帶來的成本優勢將會在未來逐漸顯現出來,所以恩智浦近年來改變BiCOMS路線,開始全面推廣RFCOMS工藝的中近 距離雷達方案。

              但是NXP不同于TI方案,沒有直接一步邁入射頻前端和數字后端集成在一起的單芯片方案,而是RFCOMS的收發器和數字處理分制在兩個芯片上,這樣既可以有效的隔離數字后端的噪聲,保證雷達的靈敏度,防止假目標出現,又可以一定程度降 低成本,創造一些價格優勢。 

              總結來看BiCOMS的車載毫米波雷達在探測距離和接收靈敏度上較RFCOMS雷達優勢明顯,但是RF? COMS雷達成本低,在布置總量更大的中近距離雷達 市場更有優勢。 

              1. 英飛凌RXS8160PL方案

              Infineon 英飛凌方案采用 3 發 4 收天線陣列和 BiCMOS制程(圖8)。當前,英飛凌最新的77G車載雷達方案包括收發器前端(RF FE)RXS8160PL、第二代AURIX多核內嵌 DSP 的專用 MCU 以及 TLF30684 電源管理芯片 PMIC 的套片方案。 圖8.png

              英飛凌在上一代離散的模擬前端的基礎上,將 VCO、發射通道、接收通道和ADC數模轉換器集成在一顆BiCMOS制成的MMIC上。而后級的MCU主要是執行雷達的FFT快速傅里葉變換來獲得頻差和多普勒頻移等信息,通過計算獲取目標物體的空間數據


              因為收發器中的中頻電路對電源數字噪聲就非常敏感,如果不能很好的隔離,在 FFT 后會出現虛假目標。為了保證目標識別的穩定,采用一顆PMIC芯 片將整車的12 V轉換為多路相互獨立的電源輸出,有 效保證模擬電源對數字噪聲的隔離。

              2. 恩智浦TEF810E方案 

              NXP的Dolphin 77/81G車載雷達方案也采用3發4 收的天線陣列和Infineon相同模擬數字分離的套片方案。

              但是NXP的收發前端采用的是RFCOMS工藝。之前文章提到過RFCMOS的優勢在于數?;旌霞?,可以將DSP集成和模擬前端集成在一起。

              但是NXP依然采用模數分離的套片方案,除了上節提到靈敏度和假目標的原因,還有是從功耗和方面的考慮。

              BiCMOS的晶體管電路需要偏執電壓保證靜態工作點和放大電路的線性度,所以前端電壓不能做到很低。圖9.png

              而RFCMOS 的前端電路中VCO、LNA、PA、混頻器和分頻器的電源電壓可以做到1.1 V左右,這樣最極大限度的降低收發 器電路的功耗。如圖9,TEF810供電可低至1.1 V,而 SiGe 的 BiCMOS 最低只能做到 2.5 V(Infineon 方案為 3.3 V)。

              從2017年開始NXP的TEF810x采用RFCMOS 方案,替換BiCMOS的MR2001分離套片方案。其中一個目的就是降低系統功耗,使其更適合車載能耗需求,特別是在電力消耗更為苛刻的新能源汽車上

              (注:MR2001方案是NXP 2016年對出的76~77G 車載雷達方案,其射頻前端有發射器Tx,接收器Rx和 壓控震蕩器VOC三個獨立的IC組成的套片方案) 

              3. 德州儀器AWR1443 單芯片方案

              德州儀器作為專注數?;旌掀骷拿绹雽w公司,其進入車載毫米波雷達領域時間較晚。但是多年在RFCMOS上的積累,讓它一開始就著眼于低成本低功耗的單芯片方案上。

              TI的AWR1443(圖10)將內 部電路分為 RF/Analog 系統、數字前端和 Master 主控器子系統3部分,這是對應毫米波雷達的模擬前端、數字前端和數字處理3個模塊。AWR1443得益于RFC? MOS技術才把數?;旌想娐?、DSP、CPU和各種內存以 及接口電路集成在一起。

              圖11.png

              但是也是由于較高的數?;旌霞啥仁沟媚M雷達收發器的性能受到了一定的影響。從表5可以看出,相較 Infineon 和 NXP 方案,TI 的 AWR1443 雷達信 號接受靈敏度較弱(16 dB@77~81 GHz)。

              這也限制了TI方案在LRR上的性能,如最大探測距離等。但隨著算法能力的提高,特別是數字濾波處理,能讓RFC? MOS技術的雷達芯片,盡量接近BiCMOS方案的性能。

              可以說車載毫米波的芯片始終是以市場為導向,出于各廠家在技術方面的優勢,尋找有利于自己的市場空間。

              英飛凌 Infineon作為歐洲汽車電子零部件供應商,很早進入車載雷達市場,當時主要是為德系汽車配套ACC、AEB這樣的長距雷達。但是隨著ADAS 的功能更加豐富,包括未來的自動駕駛在內對中近距離雷達的需求增量會非常巨大。

              性能良好,集成度高,方案擴展性更靈活的低成本雷達方案將越來越受到歡迎。BiCMOS還會占據LRR市場,而RFCMOS將在MRR 和SRR 領域逐漸替代BiCMOS 產品。

              對于套片方案在不久的未來,將會被單芯片方案代替。這個時間取決于,是否能盡早克服RFCMOS在噪聲和靈敏 度上的劣勢。而解決這個問題將會主要從算法軟件的層面推進。


              毫米波雷達技術自身完善

              當前毫米波雷達在ADAS上的功能主要集中在安 全應用和自適應巡航等基礎功能。隨著雷達在多目 標跟蹤和物體識別技術方面的成熟,勢必要在輔助和 Level 3級以上的自動駕駛發揮更大的作用,執行更豐 富和復雜的功能。圖12.png

              相較于激光雷達,隨著高精度大帶寬的毫米波雷 達方案出現,未來它們之間在高精度探測上的距離將 逐漸縮小。高效的算法和新的級聯技術將使毫米波 雷達和激光雷達在可見的未來產生某種競爭關系,甚至通過毫米波+攝像頭的融合方案,完全取代激光雷 達在Level 3級以上自動駕駛應用存在可能。此時毫 米波雷達在成本上的優勢得到釋放。 

              毫米波雷達方案半導體的發展趨勢針對毫米波雷達的方案,各大半導體公司結合自 身優勢會最大程度進行電路的集成,無論是單芯片方案,還是前后端套片方案,目標都是提高系統的靈敏度,抑制各種噪聲對目標識別的影響。整體降低雷達主機硬件成本,加大在車身上的布置數量和實現復雜應用。

              市場前景整車廠和自動駕駛技術應用車載毫米波雷達技術的發展并不算短,但是一直沒有得到大范圍的應用。這是由于過去汽車輔助駕駛并不普遍。整車廠僅僅把它作為高端車型的一個附加功能,或者針對某些安全法規有特殊要求的車輛。

              但是,隨著ADAS和自動駕駛市場和商用局面的打開,毫米波雷達的應用顯得越來越重要。對于整車廠和部件供應商毫米波雷達的市場潛力巨大,而且即便是在高級自動駕駛系統中,機器視覺和高精度感知成為新的技術亮點,

                       騰創達電路是一家專業生產高多層PCB板工廠,一直有在高頻PCB板領域這一塊投入重大研發,所以目前在汽車電子領域,公司與客戶在新能源車三電系統,自動駕駛,智能座艙,車聯網等方面深度合作,開展關鍵技術的研發,深度參與客戶前期設計及驗證。公司在高階汽車用HDI產品開發,汽車用高頻高速材料應用研究,高信賴性產品研發以及生產效率提升等方面加大資源投入,緊跟汽車行業的發展趨勢,提升技術能力和適用性,增強與客戶在技術上的準確支持以及在業務上的長期合作,夯實在ADAS(高級駕駛輔助系統)、動力系統電氣化、汽車電子功能架構等領域高端PCB的競爭優勢,逐步調整優化產品和產能結構。在具體產品方面,應用于4D車載雷達,自動駕駛域控制器,智能座艙域控制器,車載網關等領域的產品已實現量產。77GHz4D毫米波雷達的開發情況:帶寬1GHz,探距0.5-300m,水平角±15度,仰角±15度,角度分辨率0.1-1度,主要應用自動巡航、車道偏離預警、緊急避讓。該產品采用PTFE高頻材料+高Tg不對稱混壓結構,材料加工性難度較大。采用激光鉆孔+機械控深鉆盲孔組合,電鍍采用厚薄銅圖形電鍍工藝流程復雜。目前騰創達電路公司毫米波雷達PCB板已交付多款,現已掌握此類產品的關鍵技術與指標,已具備該產品生產能力。公司有批量生產毫米波雷達板。雷達板主要客戶有:海拉、森思泰克、比亞迪等。

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