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2.1.1 毫米波雷达系统结构 毫米波雷达主要包括雷达射频前端、数字信号处理器、后端算法三部分。其中#xff0c;射频前端由天线、射频前端 MMIC 芯片构成。射频前端 MMIC 芯片和数字信号处理芯片是毫米波雷达 的两大功能性器件。此外#xff0…2.1 车载毫米波雷达产业链结构
2.1.1 毫米波雷达系统结构 毫米波雷达主要包括雷达射频前端、数字信号处理器、后端算法三部分。其中射频前端由天线、射频前端 MMIC 芯片构成。射频前端 MMIC 芯片和数字信号处理芯片是毫米波雷达 的两大功能性器件。此外毫米波雷达系统还包括电源、通信芯片(CAN收发器、以太网等)、 存储单元(SRAM、Flash、LPDDR 等)等外围的电路以及整流罩、塑料底板等组件。
图表 2 楚航科技毫米波雷达硬件结构 车载毫米波雷达系统的构成 1天线是发射和接收毫米波调频信号的组件。天线设计是车载毫米波雷达的关键设计之一。天线通常采用微带贴片天线。微带贴片天线需要选用超低损耗的PCB 材料作为最上层天线设计的载板以降低电路损耗增大天线增益。 2射频MMIC 芯片集成低噪声放大器(LNA)、功率放大器(PA)、混频器(MIXER)、检波器(Detector)、滤波器(Filter)、压控震荡器(VCO)、移相器、模数转换器(ADC)等用以实现毫米波信号的调制、发射、接收以及回波信号的解调。 3数字信号处理器负责处理前端采集的中频信号获得速度、距离、角度信息。数字信号处理通过DSP、FPGA 芯片实现。 4软件算法为雷达提供一套工作流程和规则。软件算法包括信号处理算法和数据处理算法。信号处理环节对ADC 原始数据进行处理转化为点云数据数据处理环节把点云变成目标涉及的算法包括波束形成和扫描算法、信号预处理、杂波处理算法、检测(测距、测速、测角)算法、目标聚类、分类和跟踪算法。 典型的毫米波雷达信号处理流程如下首先雷达射频前端采集模拟信号并通过ADC将模拟信号转换为数字信号。其次信号处理单元对数字信号进行预处理抑制干扰然后分别在距离和多普勒维度进行FFT 运算得到多个天线的二维距离-多普勒频域结果。在此基础上进行数字波束成形(Beamforming)通过恒虚警率(CFAR)过滤筛选出点目标等。之后对已经过滤出的点目标进行DOA 进行角度计算并基于提取出的点目标距离、速度和角度信息进行聚类完成目标检测。之后进行目标跟踪预测、目标分类。
图表 3 车载毫米波雷达系统架构
2.1.2 毫米波雷达产业链结构 车载毫米波雷达产业链上游参与者主要是毫米波雷达芯片、软件算法、天线高频PCB 板等毫米波雷达组件提供商中游是毫米波雷达模组供应商。硬件上毫米波雷达模组厂商从上游的芯片厂商采购射频收发芯片、数字信号处理器并设计天线、高频PCB 板实现集成后交付模组。软件上毫米波雷达厂商通常自研信号处理和数据处理算法。下游是汽车厂商。
图表 4 车载毫米波雷达产业链主要玩家 2.2 车载毫米波雷达产业链主要玩家分析
2.2.1 毫米波雷达芯片供应商 毫米波雷达芯片主要来自国外厂商包括英飞凌Infineon、恩智浦NXP、德州仪器TI等传统雷达芯片公司。国内供应商有加特兰Calterah等企业。在4D 成像雷达芯片领域还出现了Arbe、Vayyar、Uhnder 等初创公司。 英飞凌是一家德国半导体公司2009 年率先推出第一代77GHz SiGe 射频前端是雷达单片微波集成电路MMICTOP1 制造商累计出货超过3 亿只。英飞凌与博世合作紧密为博世第四代、第五代雷达提供毫米波雷达芯片。英飞凌拥有广泛的产品组合能够涵盖从短距雷达角雷达到高端前向雷达在内完整的产品细分市场。英飞凌量产的雷达芯片组采用RASIC™ RXS 系列射频前端 AURIX™ TC3xx 系列专用雷达信号处理芯片。成像雷达解决方案以支持级联的RXS8162PLD 射频前端为核心搭配AURIX™ TC397 雷达专用MCU满足高等级功能安全的级联雷达系统。
图表 5 英飞凌车载毫米波雷达解决方案 恩智浦是荷兰半导体制造商曾在2015 年收购半导体行业老牌巨头Freescale。恩智浦与大陆集团合作密切长期为大陆提供前端收发器和雷达MCU。恩智浦主推的毫米波雷达收发器有TEF810x 和TEF82xx后端信号处理芯片有S32R294、S32R45、S32R41 等产品。TEF810x是恩智浦单芯片RFCMOS 77GHz 汽车雷达收发器用于前向雷达和角雷达。TEF82xx 芯片是第二代CMOS 雷达收发器3 发4 收支持级联可以与S32R294、S32R45、S32R41 雷达处理器配合使用。其中S32R294 具有多种配置支持从入门到高端的全系应用开发S32R45 雷达MCU 支持L2级至L5 级用例支持4 片MMIC 级联以及超分辨算法计算S32R41 雷达MCU 是用于L2的雷达处理器支持2 片MMIC 级联。
图表 6 恩智浦毫米波雷达芯片产品序列 德州仪器是一家美国半导体公司早在2018 年就推出了基于AWR2243 的4 片级联4D 毫米波雷达芯片方案是最早布局4D 成像雷达的厂商之一。德州仪器产品开放度高提供收发器平台解决方案包包括参考硬件设计、软件驱动程序、示例配置、API 指南和用户文档。还打造了集成度更高的天线片上集成AoP芯片将天线集成到封装基板上减少客户天线设计和高频板材投入大幅缩短模块研发和生产周期。 德州仪器目前已推出多款汽车毫米波雷达传感器典型的产品有AWR2243、AWR1642、AWR1843、AWR6843、AWR2944。AWR2243 是77GHz 射频前端芯片支持3 发4 收天线阵列用于前雷达支持级联AWR1642 是77GHz 单芯片雷达解决方案集成射频MMIC、MCU、DSP支持2 发4 收天线阵列可用于角雷达AWR1843 是单芯片77GHz 汽车雷达传感器集成DSP、MCU 和雷达加速器有四个接收通道和三个发送通道该产品有AoP 版本AWR1843AOPAWR1843AOP 适用于近场感应应用分辨率高体积小可以安装在门把手、脚踏板和B 柱等空间内。AWR6843 是单芯片60GHz 雷达解决方案该产品也有AoP 版本。2021 年底TI 还推出第二代高性能毫米波雷达单芯片方案-AWR2944。AWR2944 对集成的MCU、DSP、HWA 和RAM进行了全面的升级并集成了HSM硬件安全模块和百兆以太网能够在大幅度提升下一代汽车雷达性能的同时保证系统的信息安全及功能安全的部署有四个接收通道和四个发送通道进一步提升毫米波雷达传感器分辨率。
图表 7 德州仪器毫米波雷达芯片产品矩阵 加特兰是国内毫米波雷达芯片的头部企业。该公司推出了Transceiver 和SoC 两大系列产品。Transceiver 系列为射频前端SoC 系列集成雷达基带处理。加特兰SoC 芯片有Alps 系列以及下一代Andes 系列。与TI 类似加特兰还进一步推出了封装集成片上天线技术在芯片封装内部集成天线阵列。相比国外芯片巨头加特兰的产品具有性价比优势。当前国内已经有多家毫米波雷达厂商在使用加特兰的方案开发产品。 Arbe、Vayyar、Uhnder 等国外初创公司则推出4D 成像专用射频芯片。Arbe 推出Phoenix和Lynx 芯片组前者48 发48 收共2304 虚拟通道后者12 发24 收共288 个虚拟通道。Arbe 还推出了4D 成像雷达专用处理芯片通过增加信号处理硬件加速模块解决数据高吞吐量问题。Vayyar 推出汽车级4D 成像雷达芯片(ROC)支持48 个收发器内部集成DSP、MCU。Uhnder 推出4D 数字成像片上雷达该芯片结合了28nm CMOS 设计和数字编码调制DCM技术集成了12 个发射器和16 个接收器形成192 个虚拟通道数字编码调制方案使雷达抗干扰能力更强有助于提升分辨率和精度。
2.2.3 毫米波雷达模组供应商 车载毫米波雷达产品技术门槛高、标准严格从天线设计、射频电路设计到信号处理、数据处理再到功能实现每一个环节都有很深的壁垒在材料工艺、仿真与工具链系统、校准标定等诸多方面也有很深的Knowhow。同时雷达模组厂商的成本控制能力、技术成熟度、可靠性、时间周期等因素相互影响相互制约考验企业的工程落地能力。一家有市场竞争力的毫米波雷达模组厂商需要基于行业最新的芯片将以上诸多因素融会贯通在短时间内快速迭代出满足应用要求、性能好、成本低的毫米波雷达产品。 在国内市场传统毫米波雷达市场由博世、大陆、安波福、电装、海拉等外资供应商主导。国外毫米波雷达产业起步早技术积累深厚产品延续性强在产品性能、应对各种Corner case 的算法适应性、整车厂适配经验等方面具有优势。但另一方面由于企业规模庞大、技术保密等特性在服务本土化、软件开放性、响应速度上有所欠缺。 国内毫米波雷达供应商分为两类一类是汽车零部件供应商组建的毫米波雷达部门如德赛西威、华域汽车等另一类是毫米波雷达初创公司大多成立于2014-2018 年间。如成立于2014 年的安智杰、行易道、纳瓦电子成立于2015 年的森思泰克、承泰科技、隼眼科技、木牛科技成立于2016 年的苏州毫米波成立于2018 年的楚航科技。由于24GHz 毫米波雷达技术门槛相对较低国内大部分研发从24GHz 雷达开始并在技术上取得突破实现量产。在高频段市场国外高频毫米波雷达芯片对我国的长期禁运管制导致国内77GHz 毫米波雷达在技术上曾一度落后国外大厂。2018 年之前几乎没有国内企业突破这一技术壁垒。近年来随着我国对24GHz 毫米波雷达的车载限制国内雷达供应商渐渐转移到77GHz 频段加速研发77GHz 技术陆续推出77GHz 毫米波雷达产品缩小了与国外厂商技术差距。
图表 8 77GHz 毫米波雷达需要突破的核心技术 相比外资供应商自主供应商的优势在于更贴近中国市场对国内道路状况了解程度高可以根据客户需求定制化开发产品研发速度快服务灵活高效产品性价比高。而自主毫米波雷达供应商的短板在于欠缺量产经验路测验证的路程数相对较少在产品信噪比、探测精度、抗干扰性、良率等方面仍存在一定差距。
图表 9 传统毫米波雷达产品参数 在4D 成像雷达领域目前全球毫米波雷达主流供应商已经进入4D 成像雷达赛道包括国外的博世、大陆、采埃孚、安波福、海拉等传统雷达巨头以及国内的楚航科技、森思泰克、福瑞泰克、木牛科技、华为等多家企业。此外部分主机厂开始自研4D 成像雷达如特斯拉、蔚来。
图表 10 4D 成像雷达产品参数
