MMIC芯片技術(shù)-毫米波雷達(dá)前段收發(fā)射頻組件

隨著汽車(chē)智能化的發(fā)展，自動(dòng)駕駛技術(shù)不斷成熟，汽車(chē)搭載的攝像頭和傳感器數(shù)量也在大幅增加。在自動(dòng)駕駛技術(shù)的帶動(dòng)下，毫米波雷達(dá)芯片市場(chǎng)空間廣闊。

MMIC是什么？

MMIC是單片微波集成電路的縮寫(xiě)，是在半絕緣半導(dǎo)體襯底上用一系列的半導(dǎo)體工藝方法制造出無(wú)源和有源元器件，并連接起來(lái)構(gòu)成應(yīng)用于微波頻段的功能電路。

MMIC-至關(guān)重要的雷達(dá)心臟

隨著汽車(chē)智能化的發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)于行車(chē)安全的提高及自動(dòng)駕駛技術(shù)的不斷成熟，汽車(chē)搭載的攝像頭和傳感器數(shù)量也在大幅增加。車(chē)載雷達(dá)是高級(jí)輔助駕駛、無(wú)人駕駛核心傳感器之一。毫米波雷達(dá)芯片是車(chē)載雷達(dá)的核心，負(fù)責(zé)毫米波信號(hào)的調(diào)制、發(fā)射、接收以及回波信號(hào)的解調(diào)。

根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)的種類(lèi)不同，可將雷達(dá)分為脈沖雷達(dá)、調(diào)頻連續(xù)波(FrequencyModulatedContinuousWave,FMCW)雷達(dá)、調(diào)相連續(xù)波(PhaseModulatedContinuousWave,PMCW)雷達(dá)等不同類(lèi)型。根據(jù)天線控制方式不同，又可將雷達(dá)分為機(jī)械掃描雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)等?？梢?jiàn)，多功能性也是雷達(dá)系統(tǒng)芯片未來(lái)可能的發(fā)展趨勢(shì)。

毫米波雷達(dá)芯片設(shè)計(jì)難點(diǎn)

全集成毫米波雷達(dá)芯片的基本架構(gòu)包括發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、雷達(dá)信號(hào)源等射頻毫米波組件，中頻處理、A/D轉(zhuǎn)換等基帶處理模擬組件，微控制器、數(shù)字信號(hào)處理等數(shù)字組件。

毫米波雷達(dá)芯片的設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要集中在高功率寬帶發(fā)射機(jī)、高靈敏度寬帶接收機(jī)、高精度雷達(dá)信號(hào)源等方面，需要毫米波雷達(dá)芯片中毫米波放大器的阻抗匹配、功率有所提高，此外相控陣等關(guān)鍵技術(shù)也相當(dāng)重要。

來(lái)源：《毫米波雷達(dá)前端芯片關(guān)鍵技術(shù)探討》

毫米波阻抗匹配技術(shù)

在毫米波雷達(dá)芯片中，射頻信號(hào)帶寬主要由射頻毫米波組件直接決定，提高射頻毫米波組件尤其是毫米波放大器的工作帶寬是實(shí)現(xiàn)更高距離分辨率的必經(jīng)途徑。在毫米波帶寬放大器中，常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是分布式結(jié)構(gòu)和多級(jí)放大器結(jié)構(gòu)。分布式結(jié)構(gòu)雖然可實(shí)現(xiàn)較寬的帶寬，但具有較高的功耗和較大的芯片面積，從而在毫米波雷達(dá)中較為少見(jiàn)。多級(jí)放大器結(jié)構(gòu)的帶寬主要受到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的寄生電容和匹配電路的影響，匹配電路的帶寬響應(yīng)是拓展毫米波放大器帶寬的關(guān)鍵。

輸出功率提高技術(shù)

當(dāng)目標(biāo)受到雷達(dá)發(fā)射電磁波的照射時(shí)，將對(duì)所截獲的雷達(dá)電磁波再次輻射，因而將產(chǎn)生目標(biāo)散射回波。散射功率的大小與目標(biāo)所在點(diǎn)的發(fā)射功率密度以及目標(biāo)本身的電磁特性有關(guān)。在雷達(dá)檢測(cè)目標(biāo)、收發(fā)天線工作環(huán)境一定的情況下，提高雷達(dá)最大可工作距離Rmax的直接有效途徑是：

提高雷達(dá)接收機(jī)的靈敏度；

增大雷達(dá)發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率。

通過(guò)大規(guī)模雷達(dá)芯片陣列的方式，可明顯提高雷達(dá)的最大可工作距離Rmax，但仍然會(huì)受限于毫米波雷達(dá)單芯片的性能。在毫米波雷達(dá)芯片層面，提高雷達(dá)接收機(jī)的靈敏度需要通過(guò)提高低噪聲放大器的增益和線性度、降低低噪聲放大器的噪聲系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而要增大雷達(dá)發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率，則需要提高毫米波功率放大器芯片的飽和輸出功率(saturatedoutputpower,Psat)。鑒于先進(jìn)半導(dǎo)體工藝中晶體管的擊穿電壓有限，尤其是先進(jìn)硅基工藝，例如，65nmCMOS工藝的標(biāo)準(zhǔn)電源電壓為1.2V，這限制了晶體管的輸出電壓擺幅，從而限制了功率放大器的飽和輸出功率。因此，在毫米波功率放大器中，常采用晶體管堆疊技術(shù)和多路功率合成技術(shù)來(lái)提高放大器的輸出功率。

相控陣技術(shù)

傳統(tǒng)機(jī)械掃描雷達(dá)的波束掃描通過(guò)天線的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，相控陣技術(shù)出現(xiàn)后，相控陣?yán)走_(dá)通過(guò)控制每個(gè)天線單元發(fā)射或接收電信號(hào)的幅度或相位信息來(lái)改變陣列等效波束的方向和強(qiáng)度，從而大大提高了雷達(dá)波束掃描的靈活性和可控性。與單個(gè)接收通道相比，N個(gè)相控陣接收通道可以將接收機(jī)的靈敏度提高10lg(N)dB。

與單個(gè)發(fā)射通道相比，N個(gè)相控陣發(fā)射通道可以將發(fā)射機(jī)的有效全向輻射功率(EquivalentIsotropicallyRadiatedPower,EIRP)提高20lg(N)dB。因此，相控陣技術(shù)可以降低對(duì)接收單通道噪聲系數(shù)和發(fā)射單通道輸出功率的要求，是大規(guī)模毫米波雷達(dá)陣列芯片中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

基于變壓器的反饋技術(shù)和高階耦合諧振腔技術(shù)在提高帶寬、降低噪聲和減小芯片面積方面均有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，是毫米波低噪聲放大器和功率放大器在帶寬提高方面的研究熱點(diǎn)。在功率提高方面，堆疊技術(shù)和多路合成技術(shù)是兩個(gè)重要的發(fā)展方向，基于變壓器的多路合成結(jié)構(gòu)在合成效率優(yōu)化、諧波阻抗匹配等方面的靈活性更強(qiáng)，但Wilkinson合成器和零度合成器在16路以上合成以及在毫米波高頻段功率放大器中損耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)更為明顯。

在相控陣技術(shù)方面，開(kāi)關(guān)切換型結(jié)構(gòu)適用于移相精度要求不高、線性度要求高的系統(tǒng)，反射型結(jié)構(gòu)適用于相位需要電壓連續(xù)控制的系統(tǒng)，而矢量合成移相器更適用于高精度相位控制系統(tǒng)。結(jié)合相控陣技術(shù)的大規(guī)模毫米波雷達(dá)陣列，在逐漸往具有更寬工作帶寬的毫米波高頻段發(fā)展，是毫米波雷達(dá)芯片今后的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

主流模式：77GHz 毫米波雷達(dá)將會(huì)是市場(chǎng)的主打產(chǎn)品。

根據(jù)ICVTank數(shù)據(jù)，隨著越來(lái)越多企業(yè)采用“攝像頭+毫米波雷達(dá)”的自動(dòng)駕駛方案，預(yù)計(jì)2025年全球車(chē)載毫米波雷達(dá)市場(chǎng)可達(dá)130億美元（約845億人民幣）其中中國(guó)車(chē)載毫米波雷達(dá)市場(chǎng)可達(dá)211億元。

毫米波雷達(dá)按照頻率可分為24GHz和 77GHz以上的毫米波雷達(dá)。24GHz毫米波雷達(dá)主要適用短距離范圍，應(yīng)用范圍多為盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)，車(chē)道保持和自動(dòng)泊車(chē)等場(chǎng)景。77GHz毫米波雷達(dá)測(cè)距范圍可達(dá)100-250 米，探測(cè)距離長(zhǎng)、識(shí)別精度高且穿透力強(qiáng)，主要用于自適應(yīng)巡航、向前碰撞預(yù)警和自動(dòng)緊急剎車(chē)等場(chǎng)景中。

77GHz or 24GHz如何抉擇？

無(wú)論兩個(gè)頻帶的雷達(dá)系統(tǒng)有多強(qiáng)大，任何雷達(dá)系統(tǒng)都需要優(yōu)秀的相位噪聲，這是擴(kuò)大傳感器有效范圍和精度的首要條件。這兩種頻帶雷達(dá)技術(shù)在應(yīng)用中的特點(diǎn)是什么，如何選擇？

來(lái)源：國(guó)發(fā)創(chuàng)投

第一：77GHz毫米波雷達(dá)的檢測(cè)精度更高。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)于檢測(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)。

第二：77GHz毫米波雷達(dá)的相對(duì)體積更小巧，利于車(chē)上器件安裝和布局。在同性能的24GHz毫米波雷達(dá)和77GHz毫米波雷達(dá)來(lái)對(duì)比講，最主要的差距還是在雷達(dá)體積上。由于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。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。

第三：77GHz毫米波雷達(dá)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造工藝更高。77GHz毫米波雷達(dá)最大的制造難度體現(xiàn)在其工藝上，77GHz毫米波雷達(dá)由于體積小，其線路板的面積很小，因此射頻線路的設(shè)計(jì)、PCB制版難度極大，成片的成品率也相對(duì)較低。

第四：芯片獲取難易程度不同，24GHz毫米波雷達(dá)的射頻芯片相對(duì)77GHz雷達(dá)射頻芯片更易獲取。由于24GHz毫米波雷達(dá)技術(shù)趨于成熟，產(chǎn)品供應(yīng)體系已經(jīng)相對(duì)健全，供應(yīng)鏈已經(jīng)逐步穩(wěn)定，在國(guó)內(nèi)，24GHz的核心芯片也更容易獲取。但是，目前在全球范圍內(nèi)77GHz毫米波雷達(dá)芯由于相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)與合作協(xié)議的原因，目前可獲取的芯片供應(yīng)商較少。

國(guó)產(chǎn)替代大步向前

從毫米波雷達(dá)芯片國(guó)內(nèi)外企業(yè)的市場(chǎng)占有率來(lái)看，目前國(guó)際市場(chǎng)主要被恩智浦（NXP）、英飛凌、德州儀器（TI）等芯片設(shè)計(jì)公司占據(jù)，代表廠商有得捷電子、富士通、飛思卡爾、英飛凌、安森美、恩智浦、意法半導(dǎo)體、瑞薩電子等。從激光雷達(dá)芯片來(lái)看，目前國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的主要參與者有英飛凌、安森美、瑞薩電子、Luminar、Lumotive、Aeva等。目前，我國(guó)大量研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)都在努力開(kāi)發(fā)雷達(dá)傳感器用芯片技術(shù)，并且已經(jīng)有了一些重大突破，國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)口的實(shí)現(xiàn)指日可待。

清華大學(xué)、清能華波等單位在毫米波雷達(dá)芯片領(lǐng)域有著深厚的積累，東南大學(xué)毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已完成8mm波段混頻器、倍頻器、開(kāi)關(guān)、放大器等單功能芯片的研制，目前正在開(kāi)展單片接收/發(fā)射前端的設(shè)計(jì)與研制；國(guó)內(nèi)24GHz/77GHz MMIC關(guān)鍵技術(shù)也在不斷獲得突破，其中由意行半導(dǎo)體自主研發(fā)的24GHz SiGe雷達(dá)射頻前端MMIC套片，率先實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域零的突破，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)和供貨。加特蘭微電子發(fā)布了其國(guó)內(nèi)首款77GHz CMOS車(chē)載毫米波雷達(dá)收發(fā)芯片。

加特蘭微電子致力于應(yīng)用在汽車(chē)輔助及自動(dòng)駕駛、安檢成像、智能家居等領(lǐng)域的77GHz CMOS工藝毫米波雷達(dá)芯片的研發(fā)。2017年，該公司發(fā)布了第一代77GHz毫米波雷達(dá)射頻單芯片。2019年3月，發(fā)布第二代CMOS毫米波雷達(dá)芯片SoC-ALPS系列。Alps系列芯片集成了高速ADC、完整的雷達(dá)信號(hào)處理baseband以及高性能的CPU核。目前，加特蘭微電子在全球已與90多家客戶(hù)展開(kāi)合作。

杭州岸達(dá)科技成立于2016年7月，從事77GHz CMOS毫米波雷達(dá)單芯片IC設(shè)計(jì)、研發(fā)及銷(xiāo)售，為無(wú)人機(jī)、汽車(chē)、工業(yè)控制等行業(yè)提供毫米波雷達(dá)全面的射頻前端解決方案和雷達(dá)模組開(kāi)發(fā)及銷(xiāo)售。2019年2月，岸達(dá)科技發(fā)布了77GHz CMOS毫米波雷達(dá)芯片ADT2001，是全球首款基于CMOS工藝,采用相控陣系統(tǒng)架構(gòu),單顆芯片集成16通道的車(chē)載77GHz CMOS毫米波雷達(dá)芯片。

廈門(mén)意行半導(dǎo)體成立于2010年，是國(guó)內(nèi)最早從事民用毫米波雷達(dá)射頻前端集成電路產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及提供雷達(dá)解決方案的企業(yè)。2018年11月意行半導(dǎo)體正式發(fā)布了一顆24GHz、一發(fā)四收、收發(fā)一體的毫米波雷達(dá)單芯片SG24TR14 MMIC。目前，該公司已經(jīng)量產(chǎn)SG24T1/SG24R1套片和SG24TR12一發(fā)兩收集成單芯片，產(chǎn)品在車(chē)載產(chǎn)業(yè)、無(wú)人機(jī)、智能交通、安防以及消費(fèi)電子等多個(gè)產(chǎn)業(yè)有較好的應(yīng)用。

《<中國(guó)制造 2025>重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)路線圖》將智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)與節(jié)能汽車(chē)、新能源汽車(chē)并列，成為中國(guó)未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展的制造領(lǐng)域。該文件對(duì)智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的發(fā)展制定了宏偉的目標(biāo)。具體為：2025 年， DA、 PA 占有率保持穩(wěn)定，高度自動(dòng)駕駛（對(duì)應(yīng) L3）車(chē)輛占有率約 10%-20%。2030 年，完全自動(dòng)駕駛（對(duì)應(yīng) L4）市場(chǎng)占有率近 10%。高等級(jí)自動(dòng)駕駛對(duì)傳感器的性能要求提升，單車(chē)搭載的雷達(dá)傳感器及攝像頭種類(lèi)及數(shù)量均有所提升，芯片的計(jì)算量也隨之提高，需要更高的芯片頻率和更新的異構(gòu)設(shè)計(jì)以達(dá)到快速的數(shù)據(jù)處理速度。自動(dòng)駕駛的高速增長(zhǎng)將帶來(lái)對(duì)雷達(dá)傳感器的需求快速上升，進(jìn)而促進(jìn)雷達(dá)傳感器用芯片需求量上升及產(chǎn)品的更新?lián)Q代。雷達(dá)傳感器用芯片市場(chǎng)前景樂(lè)觀。

作者：豐寧