国内这家毫米波雷达公司如何做到20%市占率的？

在毫米波雷达射频前端芯片还普遍基于锗硅（SiGe）工艺之时，加特兰微电子创始人兼CEO陈嘉澍就已经开始考虑并着手基于CMOS工艺做毫米波射频前端芯片了。

所以并不意外的，2017年加特兰量产业界首颗CMOS工艺的77GHz毫米波雷达收发机芯片——陈嘉澍说，这“标志着毫米波雷达进入CMOS半导体工艺时代”；后续加特兰相继推出了CMOS 77/79GHz和60GHz毫米波雷达AiP SoC芯片；2022年又发布了业界第一颗基于22nm的毫米波雷达SoC芯片。

如今加特兰的毫米波雷达芯片涵盖天线封装、射频与模拟、信号处理、数字等组成部分。在前不久的Calterah Day加特兰日活动上，陈嘉澍打趣道：“业界一直认为加特兰是家射频芯片公司，这是个误解。”“除了CPU等少数IP之外，系统里面大部分IP都是我们自研的。”“从我们的体系能力建设和知识产权分布来看，我们在软件、信号处理、专用处理器方面的投入都已经不低于模拟和毫米波。”

“汽车雷达领域内，不是把前端芯片造出来就能占领市场的。”加特兰技术总监刘洪泉在采访中说，“团队扩充加入雷达系统相关团队，开始做算法设计、硬件加速器实现——然后往SoC方向使劲儿。”“现在公司覆盖芯片设计从前端到后端，从模拟到数字，从系统算法到软件实现的各个环节。”

最早基于CMOS工艺实现并量产毫米波雷达芯片，以及全链路的人才、技术与专利储备是在刘洪泉看来，加特兰目前最主要的竞争优势。“现在市面上真正大规模量产这种汽车级CMOS毫米波数模混合SoC芯片的，全球范围内就只有两家：加特兰和TI。”

加特兰的毫米波雷达产品目前已经进入28家车企，实现超过200款车型搭载——其中应用分布为6成角雷达应用，3成前雷达应用，以及1成诸如门雷达应用的新兴应用场景。陈嘉澍在主题演讲中提到，今年加特兰的汽车毫米波雷达芯片在中国的市场份额达到20%。从加特兰过去这些年的发展历史及产品，要理解这个数字的达成也不难。

不过我们打算借助这个机会谈谈加特兰本次发布的3项重要技术/产品：因为在我们看来，这不仅足够找到20%市占率的原因，而且也有助于我们把握毫米波雷达技术近未来的发展方向。

灵活级联，但是非传统结构

成像雷达方向上，加特兰于2022年推出Andes系列芯片。这个系列的车规级SoC芯片主要参数包括有22nm工艺、四核CPU + DSP + RSP（雷达信号处理器）、支持千兆以太网以更大的吞吐率传输点云数据，以及采用所谓的Flex-Cascading灵活级联技术——以支持更大的天线阵列和MIMO通道数量。

这里的灵活级联技术，是加特兰介绍的重点：具体到产品上，2片Andes SoC芯片级联，加上flash、通信物理层芯片和时钟，组成8T8R的方案。想必此前在推出Andes SoC芯片之际，芯片设计就有了级联相关的技术预埋。

级联方案本身不新鲜，不过传统方案是将多颗收发机芯片，加上LO（本振）和同步信号，通过高速并联的MIPI通道，连接后端单独的处理器。而加特兰的灵活级联技术，则是整体Andes SoC通过C2C的级联。

陈嘉澍总结这种级联结构的优势在于，其一随着级联SoC数量的增加，不仅MIMO通道数增加了，运算和存储资源也增加了（因为每颗SoC内部本身就有各自的数字实现构成）；其二是简化了硬件设计架构，多颗SoC通过C2C接口连接，简化板级硬件设计，减少EMC方面的考量；

另外宣传中提到优化了BOM，“只需要维护一颗主BOM，甚至成像雷达和ADAS雷达都可以共平台通用一颗BOM”；以及同一套软件平台，成像雷达和ADAS雷达可复用，也就节省了软件开发投入。

刘洪泉说，灵活级联技术的实现难点，一方面在于本振信号传输：加特兰的方案是模拟本振信号“设计成13GHz，是市面上最低频率”，如此一来就降低了损耗，且能够缩减PCB板材成本（因为对走信号的PCB材料要求降低），再加上“芯片在设计时留足了margin，一定的信号衰减变得可接受”。

另一方面就在于芯片之间的C2C连接，这应当是灵活级联技术的关键——加特兰在灵活级联技术上总共超过25项专利，大概很大一部分就集中在这里，具体是两条高速SERDES连接，5Gbps+速率。“高速SERDES接口是个难点。”

有关主打2片级联的原因，陈嘉澍的解释是虽然MIMO通道数越多的确性能就越好，包括角分辨能力、距离；但系统成本和尺寸也随即增加。而且当MIMO通道超过一定数量以后，“角分辨率与作用距离的提升收益越来越小”，此时系统成本与尺寸提升仍呈线性增长。所以陈嘉澍认为，成像雷达商业化落地最佳的MIMO通道数“在50-150之间”，“双级联系统可能是短期内成像雷达规模落地的最佳选择”。

刘洪泉则提到多年前一些Tier 1就已经在推4片传统级联结构产品，但落地情况不乐观。后来特斯拉及更多国内OEM普遍认为“两片级联的产品性价比达到最大平衡”，“我们的两片方案就是瞄准这一点，提供不错的性价比。”“国内的OEM追求先进技术，同时对性价比也有要求”，在很卷的市场大环境下，“这种方案很符合他们的预期。”

主题演讲中，刘洪泉给出了2片Andes灵活级联方案，与业界主流方案的对比（如上图）。除了更多的MIMO通道数，简化BOM这些前文提到的优势；针对发射部分的移相器（TX Phase Shifter），“我们做了独特的技术与传输线结构，和常见的IQPS不同，能够提供高达1°的移相精度。”

数字部分，由于两颗SoC级联，理论上双份的CPU、DSP算力自然大幅领先于传统结构。这部分比较值得一提的是RSP——雷达信号处理器“提供全流程信号处理加速”——有关RSP的部分，后文在谈Kunlun-USRR时还会做进一步详述。

另外还有更专用的加速引擎，提供SVA算法和DML解角加速；更多的内存资源也能实现更复杂的计算和功能；以及更宽的温区等特性，此处不再赘述。

得到的系统性能，包括在探测距离方面100米±60°，200米±45°，320米±30°；对应水平和垂直方向的角精度，以及帧周期、每一帧点目标数量如图所示，都是相当出色的指标。

刘洪泉在演讲中详细阐述了对应角分离度的实现，以及达成这些系统指标的两片级联信号处理流程——包括MBC（Multi-Band Chirp）、DDM（Doppler Division Multiplexing）、多模式解角等关键技术，其中应当也浓缩了加特兰的不少专利技术。受限于篇幅，此处不再展开。

总体实现的是距离、目标分离度、弱目标检测等指标更出色，包括发布会上演示的车后方被车遮挡的行人、十字路口的多目标、高速路等传统意义上相对困难的检测和识别场景；综合达成灵活、高性能和成本适用的解决方案。这种两片级联Andes SoC的雷达解决方案预期会在6月份推向市场。

USRR短距雷达，但是“通用短距”

本次Calterah Day的另一个亮点是加特兰新发布的Kunlun/Lancang平台，面向新兴短距毫米波雷达应用，也就是诸如自动开合门（门雷达、尾门雷达）、舱内CPD（车内儿童感测系统）等应用方向的雷达。

这类被定义为“新兴雷达”的传感器，在需求上与成像雷达、ADAS雷达又不大一样。陈嘉澍概括此类雷达在角度测量能力方面要求突出——虽然不到成像雷达的精度，但比传统ADAS雷达的角度感知要求高不少；使用场景上，车舱内以及舱外皆有，呈现丰富多样性；以及对尺寸要求较高，故而散热、功耗要求也就比较高。

加特兰在这类型产品上的思路是，把技能树点得更深入一些，不仅在新兴应用要求的角度感知、功耗、尺寸等领域有所建树，甚至在ADAS雷达所需的链路预算（link budget）方面也做一定的优化，令新产品可覆盖短距雷达应用，及部分ADAS雷达场景。这是77GHz的Kunlun-USRR与60GHz的Lancang-USRR诞生的背景。

所以比较有趣的是，这里的USRR在加特兰的解读中并不是Ultra Short Range RADAR，而是Universal Short Range RADAR——通用短距雷达。“它同时能够支持短距离的角雷达应用场景。”加特兰雷达产品线总监王政提到，特指下图中80-100m距离的ADAS应用。

王政谈到了Kunlun-USRR/Lancang-USRR的4个关键特性。其一，角度探测性能。这代产品具有6个发射通道和6个接收通道提供36个虚拟通道（工作在3T6R模式下18 虚拟通道），每通道9.5dBm输出功率、13dB噪声系数。

有关角度探测性能，主题演讲中给出的演示，是在55-75°这样的大角度探测场景，单通道20 dB到0 dB不同SNR下，传统4T4R雷达的角度探测误差会恶化到30°以上，而加特兰的Kunlun-USRR仍可将误差维持在2-3°以内。

基于天线的幅度误差（amplitude error）——在3dB、7dB、10dB幅度误差下，4T4R雷达会带来20°以上的检测误差，而Kunlun-USSR的解角误差仍然控制在2°以内。相对稳定的角度探测，对于设计的小型化，及应对复杂工况都有相当大的价值。

其二，RSP雷达信号处理器。RSP在Kunlun-USRR/Lancang-USRR中的应用，主要是在兼顾计算性能和效率的前提下，让雷达覆盖更多的应用场景——或者说相较于此前传统的BBA（Baseband Accelerator）架构，提供更灵活的处理流程。

简单来说就是兼顾灵活性和性能：包括支持10+ sequencer指令、支持两条并行的指令队列、性能则是超过上代BBA的水平。

比如说，BBA在应对CPD这样的“新兴应用场景”时，由于“需要在帧与帧之间去做第二维FFT（快速傅里叶变换）”，“对于原有BBA结构而言，需要由CPU对数据做重排列后送回BBA引擎，做第二维FFT”。改用RSP之后，数据重排操作可以在RSP内部进行，“通过RSP指令调度内部的DMA引擎进行数据重排列、搬移”，“达到100%以上的性能提升”。

另外“解角部分，可以基于更多指令调用底层算法的算子，搭建最适合CPD的解角算法”。比如基于“Relax算法”，“不需要CPU介入，极大提升了运行效率”——这应该是指BBA在应对舱内CPD场景时，DML引擎的输出结果还需要CPU进行数据的二次加工，而RSP就不需要这么麻烦。

其三，低功耗。刘洪泉说，过去加特兰的产品在低功耗技术方面就一直保持着全球范围内的领先。而新兴雷达应用对雷达的低功耗要求也越来越高。比如门雷达、CPD雷达这类应用需求<2W的功耗水平，哨兵模式下甚至要求雷达功耗<50mW。

加特兰的思路是一方面，在工作模式（Chirping & Processing环节）时“6T6R TDM（时分复用）25%占空比下，做到1W以内的功耗”；针对空闲状态（Idle环节），Kunlun-USRR增加了更多电源开关，射频、RSP部分在空闲状态时可以关断，加上CPU降频；很自然地达到<2W的目标。

另一方面，引入低功耗深睡模式（Deep Sleep Mode），达成1.3mW的待机功耗。且通过启动逻辑的优化，深睡模式唤醒到正常工作<5ms。在哨兵模式场景演示中，这种超低功耗深睡模式占空比在99%，10ms用于发波、信号处理等必要操作，990ms处于深睡模式。RSP在这其中也是功不可没的。

其四，封装尺寸的小型化。这是由诸如舱内雷达应用场景决定的，如CPD应用的毫米波雷达通常比ADAS雷达更小。解决小尺寸问题的方法，主要是采用AiP（Antenna-in-package）封装技术将天线在PCB上所占面积大幅减小。

从加特兰多个“业界首个”记录来看，AiP也是这家公司的拿手技术。加特兰的AiP产品累计出货已经超过了100万片。“芯片集成天线以后，就需要在芯片生产过程中就对天线进行测试和校准，保证整个生命周期和不同工况下的性能稳定。”刘洪泉在采访中表示，“这是我们主要攻克的难点。”

这也让加特兰的最终产品封装做到了13mm x 16mm的尺寸。王政提到，低功耗设计在此也是功不可没的，因为小尺寸对散热提出了更高的要求，更低的功耗也就相应地降低了散热的需求。

尤为值得一提的是，Kunlun-USRR在芯片尺寸（die size）方面，相比上一代Alps Pro减小20%，相比初代Alps也小了7%。

要知道这是在射频部分升级至6T6R，数字部分沿用双核CPU、以太网接口，增加LIN支持，提升网络安全模块的安全等级、BBA升级为RSP、并增加低功耗设计的前提下；片内存储容量虽然略有缩减，但新增了数据压缩方案，据说性能比Alps更好。

王政对此的释义是，因为Kunlun-USRR专门针对短距应用场景定义，“让6T6R每个通道面积做到最优”，加上诸多细节优化，实现了高性能和低成本。

这部分的最后，给出Kunlun-USRR与此前Alps的规格对比，及其角雷达应用场景下的具体规格，如上图。王政总结Kunlun-USRR/Lancang-USSR是“用比2T4R产品更有竞争力的价格，实现比4T4R产品更强大的能力。”Kunlun-USRR和Lancang-USRR预计今年Q4送样。

ROP^®封装，而且量产了

最后要谈的这项技术，是为实现毫米波雷达“看得更远、看得更宽”的目标，而导入的ROP^®（Radiator on Package）封装技术。

在传统封装方案中，射频信号通过锡球连接到PCB，PCB通过铜导线连接至天线。刘洪泉解释说这种方案的问题是毫米波信号的路径损耗大。“雷达信号到达天线发射数据之前，很多信号就在馈线上损耗掉了。”

所以ROP^®封装方案是通过芯片上的辐射片（radiator）将信号辐射到波导腔体内，降低损耗的同时提升隔离度。下面这张图给出了传统封装方案、AiP、ROP^®各维度的对比：

从示意图来看，die通过倒装的方式扣在基板上，radiator则与锡球处于同一侧——信号自die而出，穿过基板连接到radiator，再自radiator通过波导腔体传出去。其各方面参数与AiP相似，成本也相对适中。

加特兰生产技术中心总监王典说，加特兰在ROP^®封装技术领域已经申请了超过24项专利。所以在radiator的性能和损耗指标方面，全频段内于不同的封装误差范围内都保持着稳定。

此处尤为值得一提的是，“传统毫米波频段的波导口，其截止频率（波导可传输信号的最低频率）一般在60GHz左右，性能很不错；但尺寸太大——radiator匹配这样的波导口，最终封装尺寸就会变大。”王典表示，业界相对成熟的方案是用双脊波导（Double-Ridged Waveguide），如下图左侧的红色方案。

这种方案令其尺寸明显减小，但“截止频率接近76GHz，一旦加工工艺略有偏差，则截止频率就会入侵工作频率范围，导致波导天线和芯片的连接无法正常进行”。加特兰采用一种单脊波导（Single-Ridged Waveguide）结构，其截止频率低于双脊波导，同时尺寸相较传统波导口方案也更小；损耗则与传统波导方案“几乎一致”。

最终在射频性能上，加特兰的ROP^®封装技术，达成与传统封装的“标准品”持平的水平；且在封装隔离度方面显著优于标准封装方案，“接近裸片隔离度，基本上达到极限水平”。

与此同时，如前所述由于馈线基于空气波导，相比传统传输线的损耗显著降低；而且从辐射效率来看，波导天线“接近100%”，也能明确反映到天线最终的增益上。损耗降低了，自然就有机会让雷达看得更远、更宽。

“直观比较波导天线与PCB天线性能，当波束宽度一致时，波导天线增益就相当粗暴地多了6dB以上”；在波束收窄时，波导天线在正前方还能提供更高的增益。王典说，“不仅能看到传统方案同样宽角度的物体，而且在正前方能看到距离接近1倍的提升。”

以上是波导天线与PCB天线系统采用相同算法对人体弱目标的探测对比。波导天线能够在正前方超过200米的距离内稳定检测到弱目标，大角度时也能探测到大约100米距离内的相同目标；而传统PCB天线就显然差得比较远了。

这种ROP^®封装技术“已经成功应用到了Alps-Pro和Andes系列产品上”。刘洪泉补充说，早在加特兰几年前做AiP技术时，就已经在考虑ROP^®封装了。“当时业界还没有人去做这种波导天线，主要是因为供应链还跟不上。”“目前国内也还处在起步阶段，从生产制造和供应链角度，这种技术是存在技术门槛的。”

走出汽车、走向全球

很遗憾因为时间原因，我们没能参加Calterah Day加特兰日下午场的分论坛活动。不过基于上述三项技术/产品解读，以及加特兰现如今在国内汽车毫米波雷达市场的活跃度，我们大致也可窥见车载毫米波雷达的发展趋势：高性价比雷达、4D成像雷达、小型化与低功耗雷达。

这也是陈嘉澍一再表达的车载毫米波雷达三大发展趋势，从Andes SoC灵活级联技术、Kunlun-USRR/Lancang-USRR短距雷达产品、ROP^®封装技术上都能淋漓尽致地体现出来。

刘洪泉在采访最后提到，“在毫米波雷达产品上，无论产品能力、布局，还是实际出货量、汽车搭载率，加特兰在国内都是绝对的头部。”接下来就是更进一步地迈入国际市场，“随着国内OEM厂商的汽车产品走向国际，我们的产品也已经进入到了国际市场。”

“加特兰也在和海外Tier 1进行合作，以这种方式进入海外市场。”“去年我们在慕尼黑也增设了一个办公室，用于辐射欧洲客户——像德国的汽车工业技术都很强。”“日本、欧洲的很多客户对我们的4D成像雷达、舱内雷达，还有这次发布的短距雷达都很感兴趣。我们和一些Tier 1已经在接触。”

除了汽车之外，加特兰也一直在开拓工业与消费市场，包括智能家居、养老监护、安防监控、智慧交通、安检成像等应用方向。“我们60GHz的雷达产品用到工业领域也挺多的。和汽车市场的差别在于，工业市场相对碎片化——可能有几十上百种应用。”刘洪泉表示，“雷达本身只是工业感知的一个组成部分，这就要求加特兰与合作伙伴一起把应用做好。”“这是我们未来的发展目标。”

陈嘉澍说2013年刚刚回国创业之时，移动互联网发展如日中天，汽车芯片创业鲜有人理会。这个时代却与加特兰创立之初已然完全不同。随着国内市场对半导体的愈发看重，以及半导体上一个下行期内汽车成为为数不多的行业发动机，加特兰的技术与产品能力更多地被市场看到；由毫米波雷达驱动、属于加特兰的市场征程现如今可能才刚刚开始。