董?輝

77?GHz車載毫米波雷達傳感器

董?輝

介紹車載毫米波雷達系統(tǒng)在汽車碰撞安全系統(tǒng)與避撞安全系統(tǒng)的運用，簡述車載毫米波雷達傳感器的工作頻率與頻帶，分析英飛凌SiGe工藝的毫米雷達傳感器成本問題。

碰撞安全系統(tǒng)；避撞安全系統(tǒng)；車載毫米波雷達；頻帶

為了減輕交通事故帶來的傷害，相關部門與廠家都在開發(fā)汽車的安全系統(tǒng)。汽車的安全系統(tǒng)可以分為碰撞安全系統(tǒng)與避撞安全系統(tǒng)，前者稱為被動安全系統(tǒng)，后者稱為主動安全系統(tǒng)或預碰撞安全系統(tǒng)。在發(fā)生交通事故時，碰撞安全系統(tǒng)起著減輕被害的作用，例如安全帶、安全氣囊以及高剛性的車身就起著這種作用。避撞安全系統(tǒng)是防止事故的發(fā)生以及在碰撞前減輕事故可能造成的傷害，如防止制動時車輛抱死的ABS（Antilock Brake System 防抱死制動系統(tǒng)）、防止轉(zhuǎn)彎等時出現(xiàn)側(cè)滑的ESC（Electronic Stability Control車身電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)）、高速行駛時與前方車輛保持適當距離的ACC（Adaptive Cruise Control 自適應巡航控制系統(tǒng)）、碰撞前自動制動的避撞安全系統(tǒng)等。

為了減少由于交通事故引發(fā)的人員傷亡，充分利用汽車雷達等技術(shù)手段提高汽車的主動安全性能已成為當今汽車制造業(yè)努力的方向。目前車載雷達主要包括超聲波雷達、激光雷達和微波雷達等幾種。超聲波雷達探測距離相對較短，主要應用于汽車倒車控制系統(tǒng)，目前多數(shù)的普通家用轎車均已裝配了采用超聲波的倒車雷達裝置。激光雷達探測距離遠、精度高，但容易受雨、雪、霧等不良天氣的影響。相比之下，使用微波頻段的車載雷達探測距離遠、分辨率高、運行可靠，測量性能受天氣等因素的影響較小，成為車載雷達應用的主流。在實際應用中，微波高分辨率車載雷達能夠?qū)崟r測量主車與目標車之間的距離、相對速度以及相對方位角等信息，并將其傳送給系統(tǒng)的控制單元。主車可據(jù)此采取減低油門、制動等降速制動措施，從而避免追尾等碰撞事故的發(fā)生。在無線電業(yè)務分類中，車載雷達被劃入了無線電定位業(yè)務的范疇。

1 車載毫米波雷達系統(tǒng)運用概述

車載毫米波雷達系統(tǒng)的研究工作領先地區(qū)主要分布在美國、歐洲和日本。研究內(nèi)容主要集中在前視汽車雷達（FLAR：Forward Looking Automobile Radar）和自適應巡航控制系統(tǒng)（ACC：Adaptive Cruise Control）兩個方面［1］。前視汽車雷達只需完成危險預警功能，自適應巡航控制系統(tǒng)需要通過雷達系統(tǒng)實時監(jiān)測車輛的間距和相對運動速度信息，自動控制汽車的轉(zhuǎn)向、加速、減速或者制動，從而自動地調(diào)整主車與前車的間距，或者控制相對速度使之保持在一個安全的范圍內(nèi)。從智能汽車發(fā)展的趨勢看，目前已經(jīng)加速從預警提示向閉環(huán)自動控制功能升級切換。

在主動安全系統(tǒng)中，ACC與避撞安全系統(tǒng)降低交通事故中被害程度效果最為顯著。因此期望這兩種系統(tǒng)的普及程度能夠進一步提高。但是，從前幾年的狀況來看，因為系統(tǒng)的成本較高，所以還只達到了高檔車選配的程度。由此看來，要想實現(xiàn)民眾車輛也能裝用這兩種系統(tǒng)，就需要降低系統(tǒng)的成本。重點就變成了需要降低作為傳感器的毫米波雷達的成本。

汽車安全系統(tǒng)的關鍵部件是傳感器。例如ABS的關鍵是其上設置的檢測車輪是否抱死的輪速傳感器。當前，在監(jiān)測車輛的外側(cè)環(huán)境（同時行駛的車輛、行人、自行車、障礙物、車線及交通標志等）的外部傳感器技術(shù)也在不斷地發(fā)展，各種車外傳感器的檢測特性如表1所示。

表1 各種避撞安全系統(tǒng)用車外傳感器的檢測特性

表1所列出的車外監(jiān)測傳感器中，77 GHz頻帶和24 GHz頻帶毫米波雷達的最大特點是耐天候性好（不受雨、雪、霧等天候的影響）。為了使ACC與避撞安全系統(tǒng)在任何行駛環(huán)境下都能發(fā)揮出最佳的效果，這兩種系統(tǒng)上廣泛地采用了毫米波雷達。

采用毫米波雷達的各種預防安全系統(tǒng)如圖1所示。各系統(tǒng)的檢測距離和所用毫米波的頻帶如表2所示。長距離（50～200 m）的檢測只用77 GHz頻帶的毫米波雷達；中距離（20～50 m）與近距離（0～20 m）的檢測既用77 GHz頻帶的毫米波雷達，也用24 GHz頻帶的毫米波雷達。

圖1 采用毫米波雷達的各種預防安全系統(tǒng)

表2 各系統(tǒng)的檢測距離與毫米波雷達的頻帶

當高速行車、車間距離較長時，就需要利用ACC與避撞系統(tǒng)檢測前方車輛，這時一般采用可以檢測長距離的77 GHz頻帶的毫米波雷達；在高速公路上換道時，作為確認換道的車線上有無后續(xù)車輛的系統(tǒng)，一般采用24 GHz頻帶的毫米波雷達。

對近距離用系統(tǒng)來講，策劃為駕駛員檢測在低速行車及停車時肓區(qū)的行人等采用BSD（Blind Spot Detetion）系統(tǒng)，但目前上市的例子還比較少。

2 車載毫米波雷達傳感器的工作頻率與頻帶

2.1 2015年世界無線電通信大會（WRC-15）召開以前

在2015年世界無線電通信大會召開以前，車載毫米波雷達傳感器的工作頻率與頻帶是由各國與地區(qū)分別規(guī)定的，表3列出了歐洲、美國與日本規(guī)定的車載毫米波雷達可使用的頻帶。

表3 歐洲、美國與日本規(guī)定的車載毫米波雷達可使用的頻率與頻帶

77 GHz頻帶在美國、歐洲與日本都得到了認可?？梢詸z測中距離-近距離的24 GHz頻帶作為產(chǎn)業(yè)/科學/醫(yī)療的窄帶（NB）也得到了認可。作為中距離-近距離的車載毫米波雷達對較小的物體也可以檢測，即可以追求更高的距離分解能力。因此，已經(jīng)實際應用的24 GHz頻帶毫米波雷達往往用于效果最好的超寬帶區(qū)（UWB），以便提高檢測尺寸的分解能力。

但是，美、歐、日對24 GHz頻帶用于UWB的法規(guī)不盡相同。歐洲對此規(guī)定了時限，規(guī)定24 GHz頻帶可以使用到2013年6月底。此外，又將79 GHz頻帶也劃分給中距離-近距離的車載毫米波雷達使用。因為對車載使用79 GHz頻帶沒有設定年限，也許最終匯總為79 GHz頻帶。日本認可的UWB使用時限為2016年底，為了避免與其它的通信設備產(chǎn)生干擾，對使用這一頻率的設備臺數(shù)作了限制（允許的普及率為0.1%）；而美國對24 GHz頻帶的UWB的車載應用幾乎沒有什么限制。

歐洲與日本之所以對24 GHz頻帶的使用時限加以設定，是因為與77 GHz頻帶相比，24 GHz頻帶用發(fā)送、接收電路的成本較低的緣故?，F(xiàn)行的77 GHz頻帶毫米波雷達的發(fā)送、接收電路采用的是GaAs（砷化鎵） 材料的分立元件，與此相比24 GHz頻帶毫米波雷達的發(fā)送、接收電路采用的是成本較低的SiGe（硅鍺）工藝的集成電路。

2.2 2015年世界無線電通信大會（WRC-15）召開之后

2005年至2013年，歐盟將24 GHz作為車載毫米波雷達的頻譜，隨后又增加了79 GHz；美國則使用24 GHz、76～77GHz兩個頻帶；日本則選用了60～61 GHz的頻段。隨著世界范圍76～77 GHz毫米波雷達的廣泛應用，日本也逐漸轉(zhuǎn)入了76～77 GHz毫米波雷達的開發(fā)中。各大國的車載雷達頻段主要集中在在23～24 GHz、60～61 GHz 76～ 77 GHz（即79 GHz）3個頻段，而世界各國對毫米波車載雷達頻段使用的混亂情況，使得汽車行業(yè)車載雷達的發(fā)展受到了限制。直到在日內(nèi)瓦召開的2015年世界無線電通信大會（WRC-15），各國討論決定，77.5～ 78.0GHz頻段劃分給無線電定位業(yè)務，以支持短距離高分辨率車載雷達的發(fā)展，車載雷達才獲得了全球統(tǒng)一頻率劃分。

從中國的情況來看，無線電主管部門對車載雷達的頻率劃分一直在積極推進之中。為了適應車載雷達應用的需要，早在2005年，原信息產(chǎn)業(yè)部就發(fā)布了《微功率（短距離）無線電設備的技術(shù)要求》，將76～77 GHz頻段規(guī)劃給了車輛測距雷達使用，并將其定義為免執(zhí)照的微功率應用。此后，為適應車載雷達應用對無線電頻率的需求，工業(yè)和信息化部于2012年將24.25～26.65 GHz頻段規(guī)劃用于短距離車載雷達業(yè)務的頻率。

2015年世界無線電通信大會（WRC-15）于2015年11月2日在日內(nèi)瓦盛大開幕，本屆大會參會人數(shù)多達3800人，中國派出了140多人的代表團，會議于11月27日結(jié)束。在WRC-15大會上 ，積極倡導79 GHz頻段的汽車雷達國家主要為德國、日本等。這些國家在多年以前，就對79 GHz頻段的汽車雷達進行了研究與開發(fā)。如有機會，筆者將另文對這方面的技術(shù)加以介紹。至2016年11月，國內(nèi)很少查到關于對車載毫米波雷達傳感器的工作頻率與頻帶議題的報道文獻。

WRC-15還決定在79 GHz頻段（WRC）進行高清晰度短距汽車雷達運行所需射頻頻譜的劃分，為提高車輛安全并減少交通事故的汽車防撞雷達提供了全球協(xié)調(diào)的規(guī)則性框架。

“為汽車雷達協(xié)調(diào)79 GHz頻段的決定，將使汽車行業(yè)能夠在全球部署防撞雷達設備，”國際電聯(lián)秘書長趙厚麟說，“這將極大推動聯(lián)合國提高全球道路安全并預防惡性交通事故目標的實現(xiàn)?！蹦橙湛瘜?9 GHz頻段汽車雷達的報導［2］：為了提高汽車的安全性與加速無人駕駛的進一步實用，大會同意為提高汽車用雷達性能而擴展工作頻率。并進一步介紹：目前的車載雷達可以識別車前100 m處20 cm大小的物體，但通過雷達工作頻率的擴展，期望可以識別7.5 cm左右的物體。如果可以達到這一目標的話，就可以識別車前100 m處步行的兒童。

3 毫米波雷達成本問題

毫米波雷達的最大課題是成本較高的問題［1］。2000年毫米波雷達ACC價格超過3萬元。為此，有的廠家開發(fā)出采用激光雷達與攝像機的低價ACC與避撞系統(tǒng)，盡管在耐天候方面還存在問題，但其成本較低。2006年，大發(fā)工業(yè)開發(fā)出具有ACC與避撞功能的系統(tǒng)供客戶選用，其價格為1.2萬元左右。從2010年起，富士重工業(yè)公司為力獅牌汽車提供使用彩色視頻攝像頭代替黑白攝像頭作為傳感器的EyeSight系統(tǒng)（EyeSight系統(tǒng)是斯巴魯品牌的行車主動安全輔助系統(tǒng)），其價格為6000元左右。

3.1 SiGe技術(shù)工藝的接收/發(fā)送IC塊

當前，車載毫米波雷達的一級供應商在產(chǎn)品開發(fā)的過程中，都強烈地意識到降低成本的問題。例如，早在2006年，富士通天就將2003年生產(chǎn)的77 GHz車載毫米波雷達減薄其厚度，在2003～2010年的8年之間，其出廠的車載毫米波雷達超過20萬臺。2006生產(chǎn)的雷達與其改進的產(chǎn)品如圖2所示。

圖2 毫米波雷達總成的外觀

降低價格與薄形化是改進品實現(xiàn)的2個措施。第1個措施為：將雷達為了檢測水平方向上的一定范圍所進行的掃描，從機械掃描方式更改為電子掃描方式。2006年以前生產(chǎn)的77 GHz車載毫米波雷達上的毫米波發(fā)送、接收電路與天線的模塊是利用電動機加以左右驅(qū)動的，稱此為機械掃描方式。與此相比，電子掃描方式則利用多個頻道進行接收，利用接收頻道之間所產(chǎn)生的相位差計算出檢測角度。在機械掃描方式中，使用電動機驅(qū)動模塊就需要占地與其它部件，而電子掃描方式這些都不需要。改進品與老產(chǎn)品相比：毫米波發(fā)射/接收開口部位的面積幾乎沒有變化，但厚度減少到不足一半，部件的個數(shù)也大幅度縮減。此外，通過采用電子掃描方式，檢測角度范圍達到了老產(chǎn)品的2倍，擴展到了±15°。

第2個措施是發(fā)射、接收電路的集成化。 與老產(chǎn)品采用GaAs襯底的發(fā)送、接收電路相比，改進產(chǎn)品采用了高度集成化的電路。發(fā)送/接收電路的集成化為成本的降低做出了較大的貢獻。一般認為，發(fā)送/接收電路采用的是SiGe工藝的IC塊。改進產(chǎn)品的控制軟件是按照車載軟件標準AUTOSAR編制的。

3.2 采用SiGe工藝的77 GHz頻帶

一般認為：毫米波雷達的成本之中發(fā)送/接收電路占較高的比例。在77 GHz頻帶車載毫米波雷達投入市場的1990年代，能夠在77 GHz頻帶振蕩的部件僅限于GaAs襯底的分立IC。因此，發(fā)送/接收電路還是由印制板上GaAs襯底的振蕩IC、放大發(fā)送/接收波形的功率放大器PA、對發(fā)送波形與接收波形加以比較的混頻器IC、將雷達的模擬信號變換成數(shù)字信號的A/D變換器、完成最終處理的微機等單個部件組成。批量生產(chǎn)的車輛上裝用的77 GHz頻帶車載毫米波雷達幾乎還是采用了GaAs襯底的振蕩IC的發(fā)送/接收電路，其集成度較低。

從2000年起，與高頻振蕩對應的半導體制造技術(shù)獲得了加速發(fā)展，以前必須采用GaAs襯底才能實現(xiàn)的77 GHz頻帶部件也可以通過SiGe技術(shù)實現(xiàn)。

就SiGe工藝來講，除部分電路結(jié)構(gòu)需要采用鍺材料之外，完全可以采用與制造普通半導體時Si工藝大致相同的制造技術(shù)。由此，與需要基片材料與專業(yè)制造流水線的GaAs襯底的化合物半導體相比，SiGe工藝可以降低制造成本。而且，采用GaAs基片作為振蕩IC時，構(gòu)成發(fā)送/接收電路需要5～6片集成電路，采用SiGe工藝實現(xiàn)集成化，可以減少到1～2片。采用SiGe工藝開發(fā)毫米波雷達發(fā)送/接收電路IC的供貨商有英飛凌（Infineon）公司和美國飛思卡爾半導體有限公司（Freescale Semiconductor）2家公司，但是這2家公司所開發(fā)的SiGe工藝不盡相同，且產(chǎn)品發(fā)展方向也不同。

3.2.1 英飛凌公司SiGe工藝

2005年，英飛凌公司開發(fā)了車載毫米波雷達用SiGe雙極工藝B7HF200，布線寬度為0.35 μm。2008年末，該公司開始批量生產(chǎn)采用B7HF200工藝的77 GHz頻帶的發(fā)送/接收電路IC芯片RXN7740。此RXN7740與ACC/避撞系統(tǒng)配套，裝載于德國奧迪公司的奧迪A8 車型上。羅伯特博世（Robert Bosch）公司的第3代長距離毫米波雷達LRR3也用過這種芯片。從現(xiàn)在來看，裝用SiGe工藝的發(fā)送/接收電路IC芯片只有77 GHz頻帶的車載毫米波雷達。

英飛凌公司雷達系統(tǒng)IC系列（RASIC）開發(fā)擔當者黃先生介紹說：在SiGe工藝中，與采用小于150 mm晶圓片的GaAs襯底的化合物半導體不同，采用200 mm晶圓片的話，可以降低成本；但是，若想降低成本，需要達到批量生產(chǎn)規(guī)模。有人調(diào)查后得出，批量化生產(chǎn)規(guī)模超過50萬個的話，GaAs襯底的發(fā)送/接收電路才能發(fā)揮出成本降低的優(yōu)點。

現(xiàn)在，車載毫米波雷達的市場規(guī)模是100萬臺/年，大部分與ACC/避撞系統(tǒng)配套。但是，采用SiGe工藝的發(fā)送/接收電路能夠進一步降低成本的話，3年后市場規(guī)?？赡芴岣叩?00萬～800萬臺/年。到那時，不僅是與ACC/避撞系統(tǒng)配套，按理還可以應用到包括BSD在內(nèi)的各個方面。

英飛凌公司的SiGe工藝為雙極工藝。在雙極工藝中，PA與混頻電路為集成電路，為了降低振蕩時的相位噪聲干擾，采用了PLL（相位同步）電路。 此后，該公司就在開發(fā)將SiGe工藝制造的發(fā)送/接收電路芯片與集成有PLL等電路的CMOS芯片為一體的eWLB封裝（晶圓級封裝），在2011年，此試制品已處于評價階段，如圖3所示，于2012年投放市場。

圖3 英飛凌公司采用eWLB封裝的發(fā)送/接收電路

黃先生說：博世公司的LRR3發(fā)送/接收電路中，裸片RXN740可直接裝配在陶瓷基片上，RXN7740與PLL等其它電路部件可以采用引線鍵合方式進行連接。與此相比，如果開發(fā)過程中有單件封裝品的話，因為實現(xiàn)了包括PLL等部件都封裝在BGA之中，所以再裝配到印制板上就更簡單了。引進采用SiGe工藝的發(fā)送/接收電路IC，與發(fā)送/接收電路的部件成本相比，裝配成本降低的效果更大些。英飛凌公司強調(diào)：該公司開發(fā)出單件封裝品的話，與采用裸片RXN7740 相比，發(fā)送/接收電路系統(tǒng)的成本可降低26%。

3.2.2 飛思卡爾BiCMOS工藝

飛思卡爾公司開發(fā)的SiGe工藝是可利用雙極與CMOS兩者的BiCMOS工藝。由于其是在0.18μm的CMOS 工藝HiP6基礎上開發(fā)的，所以其工藝名稱為HiP6MW。早在2010年11月，該公司就向多個廠家提供了采用HiP6MW工藝的77 GHz頻帶的毫米波雷達的發(fā)送/接收電路IC片的樣品。

［1］ 普及の鍵は、ミリ波レーダーの低価格化：大衆(zhòng)車にも求められる「予防安全」［J］. Automotive Electronics，2011.

［2］ 小山 敏.高度道路交通システム（ITS）の世界的調(diào)和へのトレンド―WRC-15 議題1.18とWRC-19 議題［C］.2016.

（編輯 心 翔）

福特與Lyft在自主駕駛上進行合作

福特與Lyft在自主駕駛上進行合作，福特通過其自駕車和ArgoAI的虛擬駕駛系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)展其自主駕駛技術(shù)，Lyft擁有一個客戶網(wǎng)絡不斷增長的乘客需求并且對城市內(nèi)部交通運輸知識的了解程度很高，這兩家公司都擁有車隊管理和大數(shù)據(jù)經(jīng)驗。

福特和Lyft將共同努力探索：

如何創(chuàng)建一個技術(shù)平臺可以輕松連接到合作伙伴的平臺（如Lyft的平臺）以有效地派遣自駕車。根據(jù)共享數(shù)據(jù)和信息，哪些城市可以提供自駕車服務。

為維持和維護自駕車輛所需的一種基礎設施以最大程度地提高消費者的可用性。

伙伴關系的重點是圍繞人的實際需求和建立服務的需求，高度重視安全性和可靠性，以建立消費者對自主駕駛技術(shù)終有一天能夠?qū)崿F(xiàn)的信心。

作為開發(fā)聯(lián)合技術(shù)平臺的一部分，福特將在Lyft的網(wǎng)絡上部署人工駕駛車輛以測試接口，并確保與Lyft面向客戶的平臺Lyft應用程序兼容。兩家公司的開發(fā)團隊已經(jīng)在一起工作，編程系統(tǒng)，以便他們可以彼此溝通而不會影響Lyft應用程序的用戶。

福特還將把自駕測試車輛連接到Lyft網(wǎng)絡，它們不可用于客戶使用，但允許福特開發(fā)技術(shù)，并確保為未來的用戶實現(xiàn)積極的令人放心的體驗。未來的計劃是讓自駕車與Lyft當前社區(qū)的駕駛員一起運作，以幫助適應重大消費者需求的時間，以及確保交通運輸保持及時并負擔得起。

（信息來源：2017.9.27 Green Car Congress） 戴朝典編譯

Introduction to 77 GHz Millimeter Wave Radar Sensor on Vehicles

DONG Hui

This paper introduces the application of millimeter wave radar sensors in vehicle crash security system and crash avoidance security system，briefs its work frequency and band，and analyzes the cost of millimeter wave radar sensor using Infineon SiGe.

crash security system；crash avoidance security system；vehicle millimeter wave radar；frequency band

U463.675

B

1003-8639（2017）11-0012-04

2016-09-05；

2016-09-10

董輝，男，高級工程師，研究方向為汽車電氣的發(fā)展現(xiàn)狀與動向，曾著有《汽車用傳感器》一書。