毫米波雷达卷向“单芯片”战场

汽车市场变化有多快？日新月异，还是翻天覆地。

(资料图)

传统生产与制造工艺不断受到挑战，代表未来的智能科技则无孔不入，渗透进现代汽车的每一个角落。而这些变化，又带来了一波又一波的技术革新。毫无疑问，雷达行业也正身处其中。

近年来，车载毫米波雷达市场迎来了两个重要趋势：24GHz雷达向77GHz雷达升级，且份额逐渐萎缩；另一边，SiGe工艺朝着RFCMOS的方向转型。

技术路线和工艺转变的最根本原因，源于市场可观的需求。据Yole Développement预测，全球毫米波雷达市场规模将从2022年的18亿美元，增加到2025年的30亿美元，年复合增长率约18.56%。

越来越多的车辆装配毫米波雷达，同时自动驾驶等级提升，单车雷达使用量将明显增加。不仅如此，对于性能更高的4D成像毫米波雷达，其所需的半导体价值量也会更多。

而如何在不牺牲性能并满足车企降本要求的前提下，实现更多雷达上车，已是汽车产业链的重要课题。

性能与成本的“既又也还”

Yole Développement；恩智浦预估值

举个例子，角分辨率不足一直以来都是毫米波雷达的性能短板。对4D成像雷达来说，一个解决方案是，通过前端射频芯片MMIC级联提供更多的天线虚拟通道，从而增加分辨率。

不过，这就带来了许多问题，比如级联之间的同步信号要做到始终同步，甚至阻抗要完全一致。对于精度、功耗、设计复杂度以及雷达尺寸都构成了不小挑战。此外，这里面也涉及到一个关键问题——成本。

可以明显看到，无论是前向雷达还是角雷达，都面临着半导体进一步集成的问题。眼下，角雷达领域已经出现单芯片的集成方案，即所有射频和工艺在一颗芯片中实现。

“2025年以后，单芯片将成为角雷达领域的主导方案。”恩智浦半导体执行副总裁兼射频处理业务部总经理Torsten Lehmann如此表示。

从行业数据来看，毫米波雷达的核心元器件包括MMIC、雷达专用处理器、PCB等，这三部分占BOM的比重分别为20%、30%、10%。单芯片由于集成度更高，一定程度上能够减少额外的BOM成本。

另外，相比套片方案，单芯片雷达可以有效减少PCB面积，简化设计并加速产品推向市场的时程。更重要的是，由于节省了外围器件和射频传输线路所占据的空间，单芯片方案可以满足雷达小型化的设计需求。

图片来源：恩智浦

CES 2023上，恩智浦首度展示了其4R4T单芯片雷达解决方案SAF85xx，基于28nm工艺打造，集成收发器、处理器、内存、安全模块和通信接口，封装尺寸仅有指甲盖大小，检测距离超过300米。

当然更加重要的是，工艺的持续演进仍是雷达芯片降本的第一个大前提。

MMIC芯片从GaAs到SiGe，再到目前的RFCMOS，使得整体系统成本得以持续下探。据悉，恩智浦在第四代雷达芯片推出之际就过渡到了RFCMOS技术，对于第六代产品，RFCMOS也将进一步提升系统的集成度并降低系统成本。

单芯片雷达方案的“甜蜜期”

但实际上，单芯片雷达方案仍然存在许多挑战。

要知道，77GHz的波长不足24GHz的三分之一，收发天线面积大幅减小，雷达体积可以更小。但也正因如此，射频线路的设计、PCB制版的难度较大，最终影响到芯片的成品率。

Torsten Lehmann进一步指出，77GHz单芯片中要布置天线，但又要很好地控制干扰。原因在于，芯片集成了模拟前端，在实现高性能的同时，其敏感性也非常高。另外，处理器的噪声非常大。这些都需要企业具备非常专业的技术积累。

对于想要进行内部开发的Tier1或者OEM来说，射频相关专业知识是不可或缺的。尤其77GHz雷达芯片的设计上，射频和天线的设计人员需要具备相关领域经验。另外，处理器的设计也要有相关能力或者具备微处理器和雷达的相关经验。此外，信号处理算法等知识也不能少。

总体上，单芯片雷达方案有着一定的专利和技术壁垒。但恩智浦不是第一家推出单芯片方案的供应商，譬如德州仪器从一开始便采用了RFCOMS技术制造集成DSP的单芯片产品，然而到目前为止，单芯片方案还没有成为市场主流。

图片来源：Design-Reuse

对此，Torsten Lehmann称，在雷达芯片早期发展阶段，市场需求一度变化。这个变化的过程中，共经历了7代产品。对于输出、噪声、探测距离和发射器、接受器的数量，市场需求一直是在变化的，并不是处于一个非常稳定的状态。这也是，恩智浦最早将处理器和MMIC芯片相分开的原因之一。

而现阶段，单芯片雷达市场的成熟度和稳定性基本上得到了确认。同时在恩智浦看来，单芯片的雷达芯片，需要选择最好以及最合适的技术节点。比如28nm，就是一个最好的、所谓的“甜区”，在性能、工艺和集成度上都是较合适的选择。

不同于过去大部分雷达都采用芯片组，单芯片的方案正慢慢渗透进汽车领域。尽管如此，考虑到分辨率等要求，高端4D成像雷达仍会继续使用芯片组。当然，也不排除未来可以在单芯片中集成更多虚拟通道的可能。

4D成像雷达是下一个战场？

技术路线与工艺的迭代，也让我们看到，车载毫米波雷达的发展潜力。毫米波雷达因其全天候、同时不受雨雪雾等天气影响的属性，被视为是高阶辅助驾驶的“标配”传感器。

业内有一种观点是，4D成像雷达有望取代一部分激光雷达的市场份额。

在某些应用中，一些高端4D成像雷达的性能表现要优于激光雷达，而成本较后者更低；此外，激光雷达往往会有一些机械元器件，显得十分笨重。

但在恩智浦看来，高级别的自动驾驶，成像雷达和激光雷达之间并不存在替代与否的关系。L3及以上级别的自动驾驶车辆，应当有这三种不同的感知体系，有毫米波雷达、摄像头、激光雷达，多模态的传感器可以实现互相补充、冗余的功能，从而确保最高的安全性。

图片来源：镭神智能

说到底，低端市场由成本驱动，高端市场则由性能驱动。不过在以L2+为代表的市场上，4D成像雷达的性价比会更加明显。因而近日，恩智浦和蔚来也官宣两家公司将就高端4D成像雷达系统展开合作。

不过，4D成像雷达有一个突出问题需要解决。

比如，在高速公路上，行车后方有一辆卡车和一辆两轮车。卡车含金属量很大，所以对雷达发出的无线电波的反射能力非常强，但两轮车的体积很小，所含金属量也非常小，它反射的无线电波的能力就非常弱。这时，如何很好地探测到远距离的这两个行驶速率不同的物体，同时如何进行区分，是一个挑战。

“好消息是单芯片方案，通过提高分辨率以及物体之间的区分能力，能够解决这样一个挑战，从而实现更远距离的探测。”Torsten Lehmann认为，未来的成像雷达技术可以非常精准地实现4D环境映射，实现接近激光雷达的分辨率，同时针对周边环境形成点云图，实现清晰的感知。

写在最后

4D成像雷达市场刚刚起步，今年会有更多的产品等待交付。如果站在智能汽车产业的发展角度，无论从更集成的单芯片，还是更优的生产工艺来看，毫米波雷达都亟需找到成本与性能之间的平衡点。毕竟，汽车市场变化实在太快了。