一文读懂汽车芯片--毫米波雷达&触控传感器芯片

智能汽车设计 2023-08-21 07:39

【北京12.5号】无线前沿新技术与测试技术峰会 【有奖直播】提升毫米波信号测试精度

（一）毫米波雷达

1. 毫米波雷达基本技术

（1）工作原理

毫米波雷达是使用天线发射毫米波（波长1-10mm），通过处理回波测得汽车与探测目标的相对距离、速度、角度及运动方向等信息的传感器。因具有全天候全天时、精确度较高、体积小、性价比高等特性，在环境监测传感器中毫米波雷达是除车载摄像头外另一主流方案。

毫米波雷达原理及系统结构示意

资料来源：《智能驾驶汽车毫米波雷达应用》、南京汽车集团有限公司汽车工程研究院

（2）技术趋势

按辐射电磁波的频率不同，车载毫米波雷达主要有24GHz、77GHz、79GHz三种。其中，24GHz主要用于短距离（60m以内），短距离雷达被称为SRR；77GHz主要用于长距离（150-250m），长距离雷达被称为LRR；79GHz通常用于中短距离，其中中距离雷达被称为MRR。

24GHz（2019年全球市占率54.35%）：探测距离60m，主要应用于BSD（盲点监测）、LCA、PA，目前为毫米波雷达中最常见产品。根据美国FCC和欧洲ESTI规划，24GHz的宽频段（21.65-26.65GHz）将于2022年过期，欧洲和美国都已经宣布将逐步限制和停止24GHz频段在汽车雷达中的使用。

77GHz（2019年全球市占率45.52%）：探测距离100-250m，主要应用于ACC、AEB、FCW等。由于相对24GHz产品体积更小、识别率更高，77GHz雷达正逐步替代24GHz方案成为主流产品。

79GHz（2019年全球市占率0.12%）：探测距离可达200米，具有高探测范围和角度精度。主要应用于BSW、LCA、FCTA等。79GHz雷达在分辨率、探测距离等方面可与77GHz产品比肩，需求有望不断攀升。工信部已于《汽车雷达无线电管理暂行规定（征求意见稿）》提出将76-79GHz频段规划用于汽车雷达，但79GHz产品目前在中国尚未开放民用。

24GHz、77GHz及79GHz毫米波雷达对比分析

资料来源：头豹研究院

根据佐思汽研，2018年77GHz毫米波雷达出货量已超过24GHz方案。相比24GHz方案，77GHz雷达有多种性能优势：

体积更小：77GHz雷达波长约为24GHz方案的三分之一，由于天线尺寸随载波频率上升而减小，所以77GHz雷达尺寸相比24GHz大幅减小，有利于实现器件的小型化、轻量化。

探测距离长：24GHz雷达主要用于中短距离，通常应用于侧向，探测距离通常在30-60米之间；77GHz为长距离雷达，通常应用于前向，探测距离在100-250米之间。

距离分辨率高：距离分辨率指雷达区分两个相邻物体的能力，分辨率越高，能识别的最小距离就越小。距离分辨率随带宽增加而提高。24GHz下的ISM频段仅有200MHz带宽，而77GHz下的SRR频段可提供高达4GHz的扫描带宽。因此与24GHz雷达相比，77GHz雷达有更高的测距精度，能更好地应用于高等级自动驾驶。

速度分辨率高：毫米波雷达可以分辨位于同一距离处以不同速度移动的多个物体。随着波长的减小，雷达的速度分辨率和精度相应提高。根据高工汽研，77GHz相比24GHz雷达速度测量性能可以提高3倍，可得到更高分辨率的距离-速度图像，更好应用于汽车停车辅助应用、交通检测等。

77GHz雷达有更高的速度分辨率

资料来源：TI

由于在短距离探测具有成本优势，短期24GHz将与77GHz方案共存，长期来看，由于具备更小的尺寸、更高的精度、更远的探测距离等特性，77GHz方案将会逐步替代24GHz产品。

（3）发展背景

ADAS升级与渗透率提升双轮驱动，毫米波雷达前景可期：ADAS（advanced driver assistance system，高级驾驶辅助系统）通过收集车辆周边环境数据，判断是否存在潜在危险，并将结果以预警、执行等方式反馈给驾驶员。目前，汽车智能驾驶正站在了L2向L3、L4升级的档口，自动驾驶有赖于ADAS加持，智能化趋势也有助于ADAS普及。

ADAS升级进程

资料来源：盖世汽研

汽车传感器是ADAS感知层的核心部件，遍布车辆全身。一辆汽车所搭载的传感器数量的多寡，直接决定了其智能化水平的高低。目前，L2级别自动驾驶汽车普遍拥有20个以上环境探测方面的智能传感器，包括超声波雷达、摄像头、毫米波雷达和激光雷达等。其中，毫米波雷达是车载摄像头外ADAS功能落地的另一成熟上车方案。

ADAS各项功能的实现，需要短程、中程、长程多颗毫米波雷达的结合。按探测距离来看，毫米波雷达可分为SRR、MRR、LRR。探测角度和探测距离通常不可兼得，例如SRR探测距离短，但探测角度大，多颗SRR结合可实现车身近距离全方位覆盖。因此，L1/L2级别车辆通常需要在车辆前方、车身和车辆后方安装多颗短程、中程和长程毫米波雷达，以对汽车周围环境实现全方位探测，协同实现ADAS系统ACC、AEB、FCW等功能。

车载毫米波雷达的应用

资料来源：麦姆斯咨询，清华大学微电子研究所

毫米波雷达为L2/L2.5级车标配，ADAS渗透率提升带动毫米波雷达装配量提升。目前，L2/L2.5级别车辆一般装配3-5颗毫米波雷达（1前向+2侧向+2后向），例如小鹏G3采用3颗毫米波雷达（1前向+2后向），蔚来ES8装配5颗毫米波雷达。随着车规安全要求提高，感知冗余和容错性需求提升迫在眉睫，毫米波雷达已成为实现智能驾驶的标配，有望随着智能驾驶系统落地持续放量。

L3自动驾驶汽车中传感器融合成为主流方案，毫米波雷达仍为标配。汽车传感器中，超声波雷达主要用于倒车雷达以及近距离障碍监测，摄像头、毫米波雷达和激光雷达则广泛应用于各项ADAS及高级别自动驾驶功能中。四类传感器的探测距离、分辨率、角分辨率等探测参数各异，对应于物体探测能力、识别分类能力、三维建模、抗恶劣天气等特性优劣势分明。各种传感器能形成良好的优势互补，融合传感器的方案已成为主流的选择。

环境监测传感器特性对比

资料来源：安富利、OFweek

当前业界并无终极解决方案。基于探测距离、视场角、信噪比、体积、稳定性、成本控制、技术成熟度等多维度，对于不同测距原理、扫描方式下方案的整理如下表所示，可见不同方案均有各自优劣，主机厂在当前阶段需在不同考量维度中进行取舍。

（4）竞争格局

按竞争格局来看，全球毫米波雷达市场由国外Tier 1供应商主导。据OFweek统计，2018年博世、大陆、海拉、富士通天、电装为全球前五的厂商，合计占据68%的份额，国内主要有华域汽车。

2. 毫米波雷达产业链

按产业链来看，毫米波雷达硬件部分主要由射频前端MMIC、高频PCB和信号处理系统组成，每一部分均有较高的技术壁垒，国内较为落后、处于追赶状态。

总结来看，毫米波雷达在向更小的尺寸、更高的精确度、更远的探测距离发展。虽然当前毫米波雷达主要元器件仍为外国厂商主导，但全新的市场也给了国内厂商以机会，随着我国在毫米波雷达整机市场份额的不断提升，有望提升产业链相关国内公司的发展机会，国产前景可期。

（1）射频前端MMIC：短期SiGe为主要应用方案，长期CMOS有望成为主流

射频前端是毫米波雷达的硬件核心，目前主流方案为MMIC（Monolithic Microwave Integrated Circuit，单片微波集成电路），由低噪声放大器（LNA）、功率放大器、混频器、压控振荡器等部分构成，负责毫米波信号调制、发射、接收以及回波信号的解调。

MMIC示意图

资料来源：ResearchGate

从工艺来看，MMIC共经历两次重要技术迭代:

①SiGe（锗硅）取代GaAs（砷化镓）工艺：

1990年代，毫米波雷达主要采用GaAs工艺，一个GaAs雷达中至少需要配备7-8颗以上的芯片，成本昂贵，已于2009年被成本较低的SiGe替代。目前，大多数毫米波雷达前端MMIC均采用SiGe技术，SiGe集成度较高、高频特性好，基于SiGe技术的雷达芯片在稳定性、精度、探测距离等性能上具有优势。

②从SiGe（锗硅）向CMOS发展：

SiGe MMIC大都为分立式，整体方案体积庞大，随着单车配备毫米波雷达数量增加，SiGe工艺难以胜任。CMOS相对SiGe工艺：1）集成度更高，降低雷达模块板级设计的复杂度，提升开发效率，甚至可将MMIC与MCU（微控制单元）和DSP（数字信号处理）集成，降低系统尺寸及功率。2）成本更低，根据高工汽研，CMOS相对于SiGe而言，整体造价下降40%。

不同工艺技术的MMIC性能对比

资料来源：OFweek

CMOS有望逐步成为主要应用方案。CMOS工艺拥有集成度高、体积小和成本低等优势。早期CMOS工艺频率较低达不到要求，但随着摩尔定律推动CMOS工艺发展，CMOS目前已经能应用于高频领域。

从竞争格局来看，MMIC市场集中度高，技术由国际龙头主导。国际龙头英飞凌、TI、NXP、ST、ADI等产品线较全，基本覆盖24GHz及77GHz频段，如德州仪器AWR2243是76GHz 至 81GHz 频带内运行的集成式单芯片FMCW 收发器。矽杰微、厦门意行等国内厂商仍处于追赶状态，产品以24GHz为主，加特兰、岸达科技在77GHz CMOS工艺上已实现突破。国产MMIC厂商低成本、低功耗产品的推出将推动毫米波雷达的国产替代进程。

总体来看，MMIC的技术发展方向可以归纳为向体积更小、功耗更低、集成度更高方向发展。得益于稳定性高、高频特性好等优势，中短期内，SiGe仍将是毫米波雷达MMIC芯片的主要应用方案。但未来随着CMOS工艺提高及器件小型化，CMOS将成为毫米波雷达MMIC的主流选择。

（2）高频PCB：毫米波雷达大规模商用引领高频PCB/CCL需求扩容

天线是毫米波发射和接收的重要部件，目前主流方案是“微带贴片天线”，即将多根天线集成在一块PCB（Printed Circuit Board，印制电路板）上，实现更小的体积、更低的成本及更高的集成度。CCL（Copper Clad Laminate，覆铜板）是制作PCB的基本材料，是由专用木浆纸或电子级玻纤布等作增强材料，浸以树脂，单面或双面覆以铜箔，经热压而成的一种产品，对PCB主要起互连导通、绝缘和支撑的作用，对电路中信号的传输速度、能量损失和特性阻抗等有很大的影响。

毫米波雷达工作频段较高，对PCB性能提出更高要求。在24GHz/77GHz等毫米波雷达工作频段上，传统的FR-4材料难以满足高频段的工作需求，在高频段下会出现较大的信号损耗，并且无法支持大带宽。此外，高频PCB板对电路尺寸精度要求较高，利用较小的高频印刷电路板空间产生足够的天线辐射强度的同时还要实现和芯片的互连。为了满足高频段的需求，各厂商研发出混合PTFE / FR4基板等特殊树脂体系的覆铜板，以满足高频高速、低损耗、高散热性能等的需求。

基于以上原因，毫米波雷达放量有望带动PCB价值量进一步提升。相比普通材料，高频高速板材附加值更高，利润率更好。从深南电路的板材价格可以看到普通FR-4板材价格只有不到100/平米，改良过后的板材价格在2016年超过了200元/平米，高端特殊板材价格突破了600元。毫米波雷达的持续推广将推动高频PCB量价提升，作为PCB的上游厂商，提前布局高频CCL的相关厂商也会因此受益。

2018年全球高频CCL市场格局

资料来源：CNKI

从竞争格局来看，目前高频高速板材的主流玩家还是日本/美国厂商，例如日本松下、美国罗杰斯等高端产品及份额全球领先。根据CNKI数据，2018年国际龙头全球市占率超过90%。近年来韩国、中国台湾等厂商开始进入市场，逐步占有一席之地。

PCB方面，目前雷达天线高频PCB板由沪电股份、Rogers（罗杰斯）、Isola、Schweizer（施瓦茨，目前沪电股份持有公司19.74%股权）等少数公司掌握。国内高频PCB板厂商暂无技术储备，只能根据图纸代加工，仍需国外进口。CCL方面，国内由于通信行业的快速进步，国内厂商在覆铜板CCL开始突破，生益科技/华正新材/南亚新材等公司在高端特种覆铜板上积极投入，目前部分高频CCL已可对标国际龙头高端产品，亦进入大客户供应链。

（3）基带信号处理芯片：“DSP+FPGA”融合成为当下主旋律

①技术：“DSP+FPGA”融合或为当前主流应用

基带数字信号处理系统通过嵌入不同的信号处理算法，提取从前端采集得到的中频信号，获得特定类型的目标信息，是毫米波雷达稳定性、可靠性的核心。毫米波雷达的数字处理主要通过DSP芯片或FPGA芯片实现：

1）DSP（Digital Signal Processor，数字信号处理器）芯片：是一种微处理器芯片，它将外部输入的模拟信号转换为数字信号，并实时实现各种数字信号处理算法，具有低功耗、可编程化、高速、实时性等特点。

2）FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）芯片：是专用集成电路中的一种半定制电路，FPGA芯片集成了大量可编程逻辑组件门并连接大量单元，能实现复杂的组合逻辑功能。

考虑到DSP芯片在复杂算法处理上具备优势，FPGA在大数据底层算法上具备优势，“DSP+FPGA”融合在实时信号处理系统中的应用逐渐广泛。德国大陆汽车研发的4D成像毫米波雷达ARS540使用了来自赛灵思Zynq UltraScale+ MPSoC系列芯片，内部集成了FPGA芯片和大量DSP运算资源，大幅提升FFT精度，两者的结合使得ARS540水平方位角分辨率能达到1°，在测量高度方面也能力出众。

①竞争格局：国际龙头主导，国内高端信号处理芯片基础薄弱

从竞争格局来看，目前高端DSP及FPGA芯片均由国际公司主导：1）DSP芯片方面，市场主要由国际龙头把控，目前全球市场主要包括TI、ADI、NXP等公司；2）FPGA芯片方面，市场主要厂商有赛灵思、Altera、Microsemi以及莱迪思等。国内公司在高端DSP及FPGA芯片领域较为薄弱，但近几年随着紫光国微、安路科技等公司的崛起，国产FPGA有望实现快速增长，并逐步向汽车电子等高端领域渗透。

2018年全球FPGA芯片市场格局

资料来源：产业信息网

（二）触控传感器

随着新能源车智能化的不断演进，人车交互能力要求不断提升，提升了触控传感器在汽车内的应用。触控传感器主要分为电容式和电阻式两种，电容式传感器基于电容性耦合，可检测任何导电或具有不同于空气的电介质，手指与传感器接触时通过检测局部静电场的变化来感知，电阻式传感器通过将手指压力变化转换为电阻，进而转换成电压信号来进行识别。

国内已经有企业存在相关产品，以兆易创新触控传感器为例：

（1）互容触控芯片特点

32位CPU，强大的处理能力

极强的抗RF，LCD和电源干扰能力

完美的舒适柔和触感

自动调屏和自动校准

（2）通道数量

通道数多达26＊14

同时探测多达10个触摸点

扫描顺序可编程

（3）零附加元件数量

零附加元件数量，只需电源旁路电容

（4）信号处理

先进的防电磁干扰信号及软硬件协同处理

自校准

大面积水和脸触控抑制

支持分辨率向上和向下缩放，以匹配LCD分辨率.

支持X，Y轴镜像翻转和90，270度旋转模式.

算法，传承无线通信统计信号处理

支持大阻抗，可有效降低TP模组成本

（5）相应时间

初始延迟＜10ms（休眠状态时第一次接触）

（6）传感器

支持PET或玻璃传感器，包括弯曲型材.

支持单层或双ITO层

支持所有市场上所有的传感器图形.

支持被动式触笔

（7）盖板厚度

支持玻璃最大厚度到2.5mm，视屏幕大小而定

支持塑料最大厚度到1.2mm，视屏幕大小而定

（8）接口

I2C兼容，从属模式，400KHz，提供主机中断信号

（9）电源

单电源供电，2.8v~3.3v

I／O接口兼容1.8／3.3V

（10）封装

QFN52. 6x6mm

（11）出货状况

月出货量：2kk＋ .

主要客户：联想、传音、百度、阿里等

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