目前,超聲波雷達、毫米波雷達和多攝像頭系統已經在高端汽車上應用,隨著智能駕駛發展勢如破竹,環境感知技術將快速發展,進一步發揮協同作用。毫米波雷達從上世紀起就已在高檔汽車中使用,現已被廣泛應用在ADAS 系統中。
汽車毫米波雷達指利用波長為毫米級(主要使用24GHz、77GHz或79GHz)的雷達(附圖:中國無線電頻率劃分方法)。毫米波雷達具有體積小、質量輕和空間分辨率高的特點。與紅外、激光等光學導引頭相比,毫米波雷達穿透霧、煙、灰塵的能力強,具有全天候(大雨天除外)、全天時的特點,其用在汽車上可以快速準確獲取汽車車身周圍信息如相對距離、相對速度、角度、是否有物體、運動方向等,并根據所探知的信息,進行目標追蹤、目標識別分類,并作出相應警示或決策。
從20世紀80年代中期開始,隨著集成電路技術的發展,系統的集成度大幅提高,成本降低,體積減小,精度較高,系統功能逐步豐富。隨著國內不斷涌現出毫米波雷達終端產品及核心器件公司,中國毫米波雷達領域在相關公司的技術積累和資本的積極推動下,逐步在全球市場也占據了一席之地。
毫米波雷達具有波長短、頻帶寬(頻率范圍大),穿透能力強的特點,這些特點形成了毫米波雷達的優勢。
n 1.穿透能力強,不受天氣影響。大氣對雷達波段的傳播具有衰減作用,毫米波雷達無論在潔凈空氣中還是在雨霧、煙塵、污染中的衰減都弱于紅外線、微波等,具有更強的穿透能力。毫米波雷達波束窄、頻帶寬、分辨率高,在大氣窗口頻段不受白天和黑夜的影響具有全天候的特點。
n 2.體積小巧緊湊,識別精度高。毫米波波長短,天線口徑小,元器件尺寸小,這使得毫米波雷達系統體積小重量輕,容易安裝在汽車上。對于相同的物體,毫米波雷達的截面積大、靈敏度高,可探測和定位小目標,識別精度更高。
n 3.可實現遠距離感知與探測。毫米波雷達分為遠距離雷達(LRR)和近距離雷達(SRR),由于毫米波在大氣中衰減弱,所以可以探測感知到更遠的距離,其中遠距離雷達可以實現超過200m的感知與探測。
毫米波雷達的多項優勢,其目前在汽車防撞傳感器中占比較大,根據IHS的數據,毫米波/微波雷達+攝像頭在汽車防撞傳感器中占比達到了70%。下表列出了目前市場上主流的車用傳感器性能及優缺點:
毫米波雷達主要包括天線、收發模塊、信號處理模塊和報警模塊。通過對接收信號和發射信號的處理,實現對目標的探測距離、方位和相對速度的測量。其中毫米波器件的模塊化、射頻收發前段是雷達系統的核心部位。如何降低成本、提高功率成為各公司在市場上脫穎而出的關鍵因素。
天線作為汽車毫米波雷達系統的一個關鍵元件,其性能將深深地影響雷達的探測距離和角度。
雷達天線的作用是將電能和電磁波之間進行轉換,包括發射天線和接收天線。當前毫米波雷達天線的主流方案是微帶列陣,將天線集成在高頻PCB板上,在較小的集成空間中保持天線足夠的信號強度。
汽車毫米波雷達對天線的要求有:較高的增益、較低的損耗、尺寸小、易于與平面電路集成等。毫米波雷達使用的天線包括:早期的喇叭天線、反射陣天線、微帶天線陣、透鏡天線。喇叭天線空間尺寸較大,難于與平面電路集成;反射陣天線和透鏡天線一般具有相對較高的增益,也具有較大的尺寸,安裝也不便利。平面天線尺寸較小,易于與射頻電路集成,但其增益較低。目前使用較多的是平面陣列的形式。天線的集成對于PCB基板的要求較高,創造了較大需求。前端單片PCB,又稱前端微波集成電路(MMIC),包括發射機、接收機、信號處理器等組成,具有電路損耗小、噪聲低、頻帶寬、動態范圍大、功率大、附加效率高、抗電磁輻射能力強等特點。斯利通作為陶瓷電路板的先驅者,多年來專注于各種新型陶瓷材料的微電子加工技術,除常規的氧化鋁/氮化鋁陶瓷基板外,氮化硅、碳化硅、金剛石、壓電陶瓷材料也能實現電路板制作。斯利通跟多所高校和科研結構保持緊密合作,優秀的技術團隊為客戶提供定制化方案,實力工廠為客戶提供放心產品,專業售后為客戶免去后顧之憂,真正解決客戶的痛難點。
目前大多數毫米波雷達中的MMIC主要工藝為GaAs工藝、SiGe工藝和CMOS工藝。不同于傳統的硅半導體,GaAs(砷化鎵)屬于化合物半導體,又稱III-V族半導體。GaAs材料的電子遷移率非常高,且漂移速度快,具有很好的高頻特性,且電路損耗小、噪聲低、功率大、功率增益高。所以GaAs材料和器件工藝目前比較成熟,在毫米波雷達集成電路中使用最為廣泛。CMOS可在低電壓條件下運行,因此可降低耗電量。且CMOS集成度較高,可以有效降低毫米波雷達的尺寸。同時,相對于GaAs,CMOS材料更加廉價,量產能力強,所以CMOS技術可以降低毫米波雷達的成本。但CMOS技術目前存在發熱量高、低頻區噪聲偏大等問題。隨著新材料性能的開發和研究,未來這些問題也必將能夠解決。
毫米波雷達由于其眾多優勢,成為 ADAS 不可或缺的核心傳感器類型。隨著 ADAS 的發展以及毫米波雷達技術的完善和提高,毫米波雷達有望在無人駕駛領域獲得廣泛應用,并為行車安全提供全天候保障。無人駕駛與智能汽車是工業互聯的發展趨勢,伴隨著行業整體的大發展,國內毫米波雷達企業也將擁有較大的發展機會,并迎來高速發展時期。
審核編輯 黃宇
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