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MMIC芯片技术-毫米波雷达前段收发射频组件

发布日期:2022-05-12 16:39   来源:未知   阅读:

  MMIC是单片微波集成电路的缩写,是在半绝缘半导体衬底上用一系列的半导体工艺方法制造出无源和有源元器件,并连接起来构成应用于微波频段的功能电路。

  随着汽车智能化的发展,消费者对于行车安全的提高及自动驾驶技术的不断成熟,汽车搭载的摄像头和传感器数量也在大幅增加。车载雷达是高级辅助驾驶、无人驾驶核心传感器之一。毫米波雷达芯片是车载雷达的核心,负责毫米波信号的调制、发射、接收以及回波信号的解调。

  根据雷达系统发射信号的种类不同,可将雷达分为脉冲雷达、调频连续波(FrequencyModulatedContinuousWave,FMCW)雷达、调相连续波(PhaseModulatedContinuousWave,PMCW)雷达等不同类型。根据天线控制方式不同,又可将雷达分为机械扫描雷达、相控阵雷达等。可见,多功能性也是雷达系统芯片未来可能的发展趋势。

  全集成毫米波雷达芯片的基本架构包括发射机、接收机、雷达信号源等射频毫米波组件,中频处理、A/D转换等基带处理模拟组件,微控制器、数字信号处理等数字组件。

  毫米波雷达芯片的设计难点主要集中在高功率宽带发射机、高灵敏度宽带接收机、高精度雷达信号源等方面,需要毫米波雷达芯片中毫米波放大器的阻抗匹配、功率有所提高,此外相控阵等关键技术也相当重要。

  在毫米波雷达芯片中,射频信号带宽主要由射频毫米波组件直接决定,提高射频毫米波组件尤其是毫米波放大器的工作带宽是实现更高距离分辨率的必经途径。在毫米波带宽放大器中,常用的拓扑结构是分布式结构和多级放大器结构。分布式结构虽然可实现较宽的带宽,但具有较高的功耗和较大的芯片面积,从而在毫米波雷达中较为少见。多级放大器结构的带宽主要受到各个节点的寄生电容和匹配电路的影响,匹配电路的带宽响应是拓展毫米波放大器带宽的关键。

  当目标受到雷达发射电磁波的照射时,将对所截获的雷达电磁波再次辐射,因而将产生目标散射回波。散射功率的大小与目标所在点的发射功率密度以及目标本身的电磁特性有关。在雷达检测目标、收发天线工作环境一定的情况下,提高雷达最大可工作距离Rmax的直接有效途径是:

  通过大规模雷达芯片阵列的方式,可明显提高雷达的最大可工作距离Rmax,但仍然会受限于毫米波雷达单芯片的性能。在毫米波雷达芯片层面,提高雷达接收机的灵敏度需要通过提高低噪声放大器的增益和线性度、降低低噪声放大器的噪声系数来实现,而要增大雷达发射机的发射功率,则需要提高毫米波功率放大器芯片的饱和输出功率(saturatedoutputpower,Psat)。鉴于先进半导体工艺中晶体管的击穿电压有限,尤其是先进硅基工艺,例如,65nmCMOS工艺的标准电源电压为1.2V,这限制了晶体管的输出电压摆幅,从而限制了功率放大器的饱和输出功率。因此,在毫米波功率放大器中,常采用晶体管堆叠技术和多路功率合成技术来提高放大器的输出功率。

  传统机械扫描雷达的波束扫描通过天线的机械转动来实现,相控阵技术出现后,相控阵雷达通过控制每个天线单元发射或接收电信号的幅度或相位信息来改变阵列等效波束的方向和强度,从而大大提高了雷达波束扫描的灵活性和可控性。与单个接收通道相比,N个相控阵接收通道可以将接收机的灵敏度提高10lg(N)dB。与单个发射通道相比,N个相控阵发射通道可以将发射机的有效全向辐射功率(EquivalentIsotropicallyRadiatedPower,EIRP)提高20lg(N)dB。因此,相控阵技术可以降低对接收单通道噪声系数和发射单通道输出功率的要求,是大规模毫米波雷达阵列芯片中的一项关键技术。

  基于变压器的反馈技术和高阶耦合谐振腔技术在提高带宽、降低噪声和减小芯片面积方面均有独特的优势,是毫米波低噪声放大器和功率放大器在带宽提高方面的研究热点。在功率提高方面,堆叠技术和多路合成技术是两个重要的发展方向,基于变压器的多路合成结构在合成效率优化、谐波阻抗匹配等方面的灵活性更强,但Wilkinson合成器和零度合成器在16路以上合成以及在毫米波高频段功率放大器中损耗低、结构简单的优势更为明显。在相控阵技术方面,开关切换型结构适用于移相精度要求不高、线性度要求高的系统,反射型结构适用于相位需要电压连续控制的系统,而矢量合成移相器更适用于高精度相位控制系统。结合相控阵技术的大规模毫米波雷达阵列,在逐渐往具有更宽工作带宽的毫米波高频段发展,是毫米波雷达芯片今后的一个发展趋势。

  根据ICVTank数据,随着越来越多企业采用“摄像头+毫米波雷达”的自动驾驶方案,预计2025年全球车载毫米波雷达市场可达130亿美元(约845亿人民币)其中中国车载毫米波雷达市场可达211亿元。

  毫米波雷达按照频率可分为24GHz和 77GHz以上的毫米波雷达。24GHz毫米波雷达主要适用短距离范围,应用范围多为盲点监测,车道保持和自动泊车等场景。77GHz毫米波雷达测距范围可达100-250 米,探测距离长、识别精度高且穿透力强,主要用于自适应巡航、向前碰撞预警和自动紧急刹车等场景中。

  无论两个频带的雷达系统有多强大,任何雷达系统都需要优秀的相位噪声,这是扩大传感器有效范围和精度的首要条件。这两种频带雷达技术在应用中的特点是什么,如何选择?

  第一:77GHz毫米波雷达的检测精度更高。相比于24GHz雷达,77GHz雷达的波长更小,虽然绕射能力比24GHz雷达要弱,但是其检测精度更高。因此未来对于检测精度精益求精的自动驾驶来说,77GHz毫米波雷达无疑更具有一定优势。

  第二:77GHz毫米波雷达的相对体积更小巧,利于车上器件安装和布局。在同性能的24GHz毫米波雷达和77GHz毫米波雷达来对比讲,最主要的差距还是在雷达体积上。由于24GHz雷达的频率更低波长更长,因此雷达所需要的天线就更长,做成小体积雷达的难度就更高。在追求美观与轻量化的车载领域体积是个关键问题。

  第三:77GHz毫米波雷达设计、生产制造工艺更高。77GHz毫米波雷达最大的制造难度体现在其工艺上,77GHz毫米波雷达由于体积小,其线路板的面积很小,因此射频线路的设计、PCB制版难度极大,成片的成品率也相对较低。

  第四:芯片获取难易程度不同,24GHz毫米波雷达的射频芯片相对77GHz雷达射频芯片更易获取。由于24GHz毫米波雷达技术趋于成熟,产品供应体系已经相对健全,供应链已经逐步稳定,在国内,24GHz的核心芯片也更容易获取。但是,目前在全球范围内77GHz毫米波雷达芯由于相关知识产权与合作协议的原因,目前可获取的芯片供应商较少。

  从毫米波雷达芯片国内外企业的市场占有率来看,目前国际市场主要被恩智浦(NXP)、英飞凌、德州仪器(TI)等芯片设计公司占据,代表厂商有得捷电子、富士通、飞思卡尔、英飞凌、安森美、恩智浦、意法半导体、瑞萨电子等。从激光雷达芯片来看,目前国际市场竞争的主要参与者有英飞凌、安森美、瑞萨电子、Luminar、Lumotive、Aeva等。目前,我国大量研究机构和企业都在努力开发雷达传感器用芯片技术,并且已经有了一些重大突破,国产替代进口的实现指日可待。

  清华大学、清能华波等单位在毫米波雷达芯片领域有着深厚的积累,东南大学毫米波国家重点实验室已完成8mm波段混频器、倍频器、开关、放大器等单功能芯片的研制,目前正在开展单片接收/发射前端的设计与研制;国内24GHz/77GHz MMIC关键技术也在不断获得突破,其中由意行半导体自主研发的24GHz SiGe雷达射频前端MMIC套片,率先实现了国内该领域零的突破,现已实现量产和供货。加特兰微电子发布了其国内首款77GHz CMOS车载毫米波雷达收发芯片。

  加特兰微电子致力于应用在汽车辅助及自动驾驶、安检成像、智能家居等领域的77GHz CMOS工艺毫米波雷达芯片的研发。2017年,该公司发布了第一代77GHz毫米波雷达射频单芯片。2019年3月,发布第二代CMOS毫米波雷达芯片SoC-ALPS系列。Alps系列芯片集成了高速ADC、完整的雷达信号处理baseband以及高性能的CPU核。目前,加特兰微电子在全球已与90多家客户展开合作。

  杭州岸达科技成立于2016年7月,从事77GHz CMOS毫米波雷达单芯片IC设计、研发及销售,为无人机、汽车、工业控制等行业提供毫米波雷达全面的射频前端解决方案和雷达模组开发及销售。2019年2月,岸达科技发布了77GHz CMOS毫米波雷达芯片ADT2001,是全球首款基于CMOS工艺,采用相控阵系统架构,单颗芯片集成16通道的车载77GHz CMOS毫米波雷达芯片。

  厦门意行半导体成立于2010年,是国内最早从事民用毫米波雷达射频前端集成电路产品开发及提供雷达解决方案的企业。2018年11月意行半导体正式发布了一颗24GHz、一发四收、收发一体的毫米波雷达单芯片SG24TR14 MMIC。目前,该公司已经量产SG24T1/SG24R1套片和SG24TR12一发两收集成单芯片,产品在车载产业、无人机、智能交通、安防以及消费电子等多个产业有较好的应用。

  《中国制造 2025重点领域技术路线图》将智能网联汽车与节能汽车、新能源汽车并列,成为中国未来重点发展的制造领域。该文件对智能网联汽车的发展制定了宏伟的目标。具体为:2025 年, DA、 PA 占有率保持稳定,高度自动驾驶(对应 L3)车辆占有率约 10%-20%。2030 年,完全自动驾驶(对应 L4)市场占有率近 10%。高等级自动驾驶对传感器的性能要求提升,单车搭载的雷达传感器及摄像头种类及数量均有所提升,芯片的计算量也随之提高,需要更高的芯片频率和更新的异构设计以达到快速的数据处理速度。自动驾驶的高速增长将带来对雷达传感器的需求快速上升,进而促进雷达传感器用芯片需求量上升及产品的更新换代。雷达传感器用芯片市场前景乐观返回搜狐,查看更多