毫米波雷达

|2017-11-07|

一、毫米波雷达概述

1.毫米波雷达概况

雷达,是英文Radar的音译,源于radio detection and ranging的缩写,意思为"无线电探测和测距",即用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置。雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波,由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息。


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毫米波雷达,是工作在毫米波波段(millimeter wave )的雷达,通常是指30~300GHz (波长为1~10mm) 频段。毫米波的波长介于厘米波和光波之间,与红外、激光、电视等光学雷达相比,毫米波雷达穿透雾、烟、灰尘的能力强,具有全天候、全天时的特点。毫米波雷达在雷达探测、高速通信、导弹制导、卫星遥感、电子对抗等军用领域均有广泛的应用,近年来随着毫米波器件水平、电路设计技术、天线技术等相关技术日益发展和不断成熟,毫米波雷达在汽车雷达上的应用也获得了很大的发展。

2.车载毫米波雷达

1)车载毫米波雷达功能

美国汽车工程学会将自动驾驶分为0到5级,目前L1-L2技术已成熟,L3-L4即将量产(如特斯拉、丰田AHAC、通用Super Cruise)。中短期内,智能汽车将以ADAS形式呈现。在相关产业链上,毫米波雷达可以实现自适应巡航控制(Adaptive Cruise Control),前向防撞报警(Forward Collision Warning),盲点检测(Blind Spot Detection),辅助停车(Parking aid),辅助变道(Lane change assistant)等高级驾驶辅助系统(ADAS)功能。

车载雷达传感器功能及优缺点各有不同,相关比较如下表所示:

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其中,车载毫米波雷达是目前唯一的一型号全天时、全天候的车载雷达传感器,是实现自动驾驶的传感器方案中的标配。

2)车载毫米波雷达工作原理

车载毫米波雷达通过天线向外发射毫米波,接收目标反射信号,经后方处理后快速准确地获取汽车车身周围的物理环境信息(如汽车与其他物体之间的相对距离、相对速度、角度、运动方向等),然后根据所探知的物体信息进行目标追踪和识别分类,进而结合车身动态信息进行数据融合,最终通过中央处理单元进行智能处理。经合理决策后,以声、光及触觉等多种方式告知或警告驾驶员,或及时对汽车做出主动干预,从而保证驾驶过程的安全性和舒适性,减少事故发生几率。

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3)产品分类

目前各个国家对车载毫米波雷达分配的频段各有不同,国内外主流汽车毫米波雷达频段为24GHz(用于短中距离雷达,15-30米)和77GHz(用于长距离雷达,100-200米)。少数国家(如日本)采用60GHz频段。由于77G相对于24G的距离、精度等诸多优势,未来全球车载毫米波雷达的频段会趋同于77GHz频段(76-81GHz)。

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4)智能驾驶应用场景

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目前,奔驰S级、奥迪A8两款新车型均实现了L3级自动驾驶,都是搭载了1枚长距离毫米波雷达和4枚中短距离毫米波雷达方案,其中A8还搭载了1枚四线激光雷达与长距离毫米波雷达组成冗余系统。

当前L3级别的普及传感器方案是:长距离毫米波雷达+短距离毫米波雷达+摄像头。未来L3以后的传感器优选方案是:激光雷达+长距离毫米波雷达+短距离毫米波雷达+摄像头。

5)产业链

a)产业上游:

车载毫米波雷达系统主要包括天线、收发模块、信号处理模块组成,其中前端单片微波集成电路(MMIC)和雷达天线高频 PCB 板是毫米波雷达传感器上游的核心。

1)前端单片微波集成电路(MMIC)是毫米波雷达的关键部件,它包括多种功能电路,如低噪声放大器(LNA)、功率放大器、混频器、甚至收发系统等电路。具有电路损耗小、噪声低、频带宽、动态范围大、功率大、附加效率高、抗电磁辐射能力强等特点。前端单片微波集成电路(MMIC)技术由国外半导体企业掌控,高频的MMIC只掌握在英飞凌、NXP等极少数国外芯片厂商手中。2015年对国内解除技术,国内的MMIC仍处于起步状态,厦门意行24G已经完成攻关,小批量量产。目前国内实验室水平最高的是东南大学,拥有唯一的毫米波雷达国家重点实验室。

2)雷达天线高频PCB板:毫米波雷达天线的主流方案是微带阵列,即将高频PCB板集成在普通的PCB基板上实现天线的功能。需要在较小的集成空间中保持天线足够的信号强度。77Ghz雷达是更高规格的高频PCB板,目前全球仅罗杰斯、Schweizer等少数企业拥有相关技术。国内PCB板沪电股份已经与Schweizer展开了深度合作。

b)产业中游:

主要是24G雷达传感器和77G雷达传感器两种类型产品。目前车载毫米波雷达产品集成关键技术主要被 Bosch、Continental、 Denso、 Autoliv 等零部件巨头垄断,特别是 77GHz 产品技术只有 Bosch、Continental、Denso、Delphi 等少数几家企业掌握。

 c)产业下游:

AEB、ACC等系统智能驾驶解决方案系统商。毫米波雷达通常和AEB、ACC系统一起供应,需要对底盘技术有很深理解,所以主要是博世、大陆、威伯科等国外企业垄断。国内整车厂研发中心也有在研发相关产品,比如吉利旗下的福瑞泰克等。

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二、车载毫米波雷达发展历程与市场现状

1.发展历程

实际上,在上世纪60年代的美国,毫米波雷达便开始在车载领域应用,但是当时的工艺水平较低,应用的是单天线,前端只能一收一发,其频率只有10GHz。而且,这种雷达装置配备在车辆的前方并不美观,基本上就像是两个盘子在那放着。之后,为了缩小其体积,业内专家不断将频率往上提,来到30GHz、50GHz。雷达频率越高、天线尺寸就越小,意味着同样尺寸的雷达,其天线波束的集中度更高。到了90年代,就发展出了60GHz、77GHz和94GHz的毫米波雷达。60GHz频段后来主要用来通信,94GHz主要是军用频段,而工业上则选择了77GHz作为主流的毫米波雷达的频段。在历史上,也有比较典型的毫米波雷达应用。1992年,美国交通部门在灰狗公交车上安装了1500套毫米波雷达,到1993年取得了立竿见影的效果:交通事故发生率下降了25%。不过最后因为效果太好,损坏了一些既得利益者的利益,所以在1994年被全部拆除。

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2.市场现状

a)全球车载毫米波雷达市场

目前毫米波雷达技术主要由大陆、博世、电装、奥托立夫、Denso、德尔福等传统零部件巨头所垄断,特别是77GHz毫米波雷达,只有博世、大陆、德尔福、电装、TRW、富士通天、Hitachi等企业掌握。

在毫米波雷达领域,主要的生产商都是国外企业,这些企业掌握着该领域的核心技术。毫米波雷达系统的领先厂商包括博世(Bosch)、大陆(Continental)、TRW、德尔福(Delphi)、Hella、富士通(Fujitsu-ten)、电装(Denso)等企业。博世与大陆的占有率均为22%,并列全球第一。

Autoliv以24GHz盲点、变道辅助雷达为主,主要客户是戴姆勒奔驰——其车辆基本标配了变道辅助,Autoliv的毫米波雷达出货量很大。

Bosch的毫米波雷达主要以77GHz为主,覆盖的面比较广,有长距(LRR)、中距(MRR)以及用于车后方的盲点雷达。Bosch的方案集成度非常高,输出的是对汽车的控制信号,其定制性很强,通常是与大型车企合作一个车型,共同推进项目。

Continental在毫米波雷达产品方面既有24GHz,也有77GHz,性能做得还不错,戴姆勒的77GHz毫米波雷达主要由Continental供应。

目前提供汽车毫米波雷达器件的企业有NXP、英飞凌(Infineon)、意法半导体(STM)、TriQuint等企业。NXP和英飞凌企业主要提供收发前端集成单片(MMIC),TriQuint企业提供工作频率77GHz的低噪放、放大器、倍频器等器件。博世(Bosch)、德尔福(Delphi)等企业提供汽车毫米波收发模块。

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b)国际及国内市场需求预测

受益于ADAS 的发展,毫米波雷达芯片出货量快速增长。根据目前装配毫米波雷达的车型测算,2017年预计毫米波雷达国内出货量可达1000万颗,市场规模50亿。

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据中汽协测算,2020年,国内整车总销量将达2877万辆。假设至2020年我国ADAS渗透率达到35%,则我国毫米波雷达的出货量可达5000万颗,相比2017年1000万颗的出货量,有5倍的扩张空间。

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3.国内车载毫米波雷达企业

毫米波雷达市场空间大,国内近两年涌现出多家相关企业。国内相关企业主要包括华华域汽车、湖南钠雷科技、厦门意行半导体、北京行易道科技、杭州智波科技、深圳卓泰达电子、芜湖森思泰克、沈阳承泰科技、南京隼眼等。但目前较为成熟的产品仅有湖南纳雷和厦门意行的24GHz中短距毫米波雷达,77GHz雷达处于样机阶段还未量产。

1)北京行易道

行易道77GHz防撞雷达,已经装配在北汽的无人车上,在2016北京国际汽车展览会上亮相。同时,行易道也是我国第一家和主机厂合作的毫米波雷达企业。2017年 3 月,企业拿到了国科嘉和资本、磐谷资本数千万元的 A 轮融资。

2)杭州智波科技有限企业

智波科技成立于2015年底,由几位德国海归博士创立,专注于研发高级驾驶辅助系统及无人驾驶系统中的核心器件,是掌握车载毫米波雷达整套核心技术的企业。目前,智波科技已推出 24GHz 民用雷达产品,主要应用在无人机当中,并曾在自动驾驶汽车上进行紧急制动的实测。77GHz 的毫米波雷达产品还处在研发阶段。亚太股份投了700万开发77G和24G毫米波雷达。24G有样机。

3)芜湖森思泰克

森思泰克是一家以毫米波雷达技术为平台,专业从事毫米波雷达传感器智能应用产品研究、生产与销售的高科技型企业。(芜湖市长是出席过百度无人车的发布仪式,芜湖市也给百度提供路测道路)

4)苏州安智

目前产品计划下半年路测。亚太股份以增资方式参股投资人民币500万元取得苏州安智10%的股权。

5)南京隼眼电子科技

依托东南大学,拥有从天线设计、雷达信号处理、算法、视频处理、毫米波传感器等全系列方案自主研发能力的企业。

6)厦门意行半导体

24G毫米波雷达用MMIC商用是国内唯一量产产品,77G的MMIC还处于研发测试阶段。

7)沪电股份

沪电股份是大陆和博世的供应商,Schweizer的重要合编辑。企业的77G和Schweizer合作, 24G PCB即将量产。

8)华域汽车

目前华域汽车研发成功了24G毫米波雷达,正在研发77G毫米波雷达。

 

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