MMIC芯片技術-毫米波雷達前段收發射頻組件

原創半導體產業縱橫 2022-04-16 18:00

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隨著汽車智能化的發展，自動駕駛技術不斷成熟，汽車搭載的攝像頭和傳感器數量也在大幅增加。在自動駕駛技術的帶動下，毫米波雷達芯片市場空間廣闊。

作者：豐寧

MMIC是什么？

MMIC是單片微波集成電路的縮寫，是在半絕緣半導體襯底上用一系列的半導體工藝方法制造出無源和有源元器件，并連接起來構成應用于微波頻段的功能電路。

MMIC-至關重要的雷達心臟

隨著汽車智能化的發展，消費者對于行車安全的提高及自動駕駛技術的不斷成熟，汽車搭載的攝像頭和傳感器數量也在大幅增加。車載雷達是高級輔助駕駛、無人駕駛核心傳感器之一。毫米波雷達芯片是車載雷達的核心，負責毫米波信號的調制、發射、接收以及回波信號的解調。

根據雷達系統發射信號的種類不同，可將雷達分為脈沖雷達、調頻連續波(FrequencyModulatedContinuousWave,FMCW)雷達、調相連續波(PhaseModulatedContinuousWave,PMCW)雷達等不同類型。根據天線控制方式不同，又可將雷達分為機械掃描雷達、相控陣雷達等。可見，多功能性也是雷達系統芯片未來可能的發展趨勢。

毫米波雷達芯片設計難點

全集成毫米波雷達芯片的基本架構包括發射機、接收機、雷達信號源等射頻毫米波組件，中頻處理、A/D轉換等基帶處理模擬組件，微控制器、數字信號處理等數字組件。

毫米波雷達芯片的設計難點主要集中在高功率寬帶發射機、高靈敏度寬帶接收機、高精度雷達信號源等方面，需要毫米波雷達芯片中毫米波放大器的阻抗匹配、功率有所提高，此外相控陣等關鍵技術也相當重要。

來源：《毫米波雷達前端芯片關鍵技術探討》

毫米波阻抗匹配技術

在毫米波雷達芯片中，射頻信號帶寬主要由射頻毫米波組件直接決定，提高射頻毫米波組件尤其是毫米波放大器的工作帶寬是實現更高距離分辨率的必經途徑。在毫米波帶寬放大器中，常用的拓撲結構是分布式結構和多級放大器結構。分布式結構雖然可實現較寬的帶寬，但具有較高的功耗和較大的芯片面積，從而在毫米波雷達中較為少見。多級放大器結構的帶寬主要受到各個節點的寄生電容和匹配電路的影響，匹配電路的帶寬響應是拓展毫米波放大器帶寬的關鍵。

輸出功率提高技術

當目標受到雷達發射電磁波的照射時，將對所截獲的雷達電磁波再次輻射，因而將產生目標散射回波。散射功率的大小與目標所在點的發射功率密度以及目標本身的電磁特性有關。在雷達檢測目標、收發天線工作環境一定的情況下，提高雷達最大可工作距離Rmax的直接有效途徑是：

提高雷達接收機的靈敏度；
增大雷達發射機的發射功率。

通過大規模雷達芯片陣列的方式，可明顯提高雷達的最大可工作距離Rmax，但仍然會受限于毫米波雷達單芯片的性能。在毫米波雷達芯片層面，提高雷達接收機的靈敏度需要通過提高低噪聲放大器的增益和線性度、降低低噪聲放大器的噪聲系數來實現，而要增大雷達發射機的發射功率，則需要提高毫米波功率放大器芯片的飽和輸出功率(saturatedoutputpower,Psat)。鑒于先進半導體工藝中晶體管的擊穿電壓有限，尤其是先進硅基工藝，例如，65nmCMOS工藝的標準電源電壓為1.2V，這限制了晶體管的輸出電壓擺幅，從而限制了功率放大器的飽和輸出功率。因此，在毫米波功率放大器中，常采用晶體管堆疊技術和多路功率合成技術來提高放大器的輸出功率。

相控陣技術

傳統機械掃描雷達的波束掃描通過天線的機械轉動來實現，相控陣技術出現后，相控陣雷達通過控制每個天線單元發射或接收電信號的幅度或相位信息來改變陣列等效波束的方向和強度，從而大大提高了雷達波束掃描的靈活性和可控性。與單個接收通道相比，N個相控陣接收通道可以將接收機的靈敏度提高10lg(N)dB。與單個發射通道相比，N個相控陣發射通道可以將發射機的有效全向輻射功率(EquivalentIsotropicallyRadiatedPower,EIRP)提高20lg(N)dB。因此，相控陣技術可以降低對接收單通道噪聲系數和發射單通道輸出功率的要求，是大規模毫米波雷達陣列芯片中的一項關鍵技術。

基于變壓器的反饋技術和高階耦合諧振腔技術在提高帶寬、降低噪聲和減小芯片面積方面均有獨特的優勢，是毫米波低噪聲放大器和功率放大器在帶寬提高方面的研究熱點。在功率提高方面，堆疊技術和多路合成技術是兩個重要的發展方向，基于變壓器的多路合成結構在合成效率優化、諧波阻抗匹配等方面的靈活性更強，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頻段功率放大器中損耗低、結構簡單的優勢更為明顯。在相控陣技術方面，開關切換型結構適用于移相精度要求不高、線性度要求高的系統，反射型結構適用于相位需要電壓連續控制的系統，而矢量合成移相器更適用于高精度相位控制系統。結合相控陣技術的大規模毫米波雷達陣列，在逐漸往具有更寬工作帶寬的毫米波高頻段發展，是毫米波雷達芯片今后的一個發展趨勢。

主流模式：77GHz 毫米波雷達將會是市場的主打產品。

根據ICVTank數據，隨著越來越多企業采用“攝像頭+毫米波雷達”的自動駕駛方案，預計2025年全球車載毫米波雷達市場可達130億美元（約845億人民幣）其中中國車載毫米波雷達市場可達211億元。

毫米波雷達按照頻率可分為24GHz和 77GHz以上的毫米波雷達。24GHz毫米波雷達主要適用短距離范圍，應用范圍多為盲點監測，車道保持和自動泊車等場景。77GHz毫米波雷達測距范圍可達100-250 米，探測距離長、識別精度高且穿透力強，主要用于自適應巡航、向前碰撞預警和自動緊急剎車等場景中。

77GHz or 24GHz如何抉擇？

無論兩個頻帶的雷達系統有多強大，任何雷達系統都需要優秀的相位噪聲，這是擴大傳感器有效范圍和精度的首要條件。這兩種頻帶雷達技術在應用中的特點是什么，如何選擇？

來源：國發創投

第一：77GHz毫米波雷達的檢測精度更高。相比于24GHz雷達，77GHz雷達的波長更小，雖然繞射能力比24GHz雷達要弱，但是其檢測精度更高。因此未來對于檢測精度精益求精的自動駕駛來說，77GHz毫米波雷達無疑更具有一定優勢。

第二：77GHz毫米波雷達的相對體積更小巧，利于車上器件安裝和布局。在同性能的24GHz毫米波雷達和77GHz毫米波雷達來對比講，最主要的差距還是在雷達體積上。由于24GHz雷達的頻率更低波長更長，因此雷達所需要的天線就更長，做成小體積雷達的難度就更高。在追求美觀與輕量化的車載領域體積是個關鍵問題。

第三：77GHz毫米波雷達設計、生產制造工藝更高。77GHz毫米波雷達最大的制造難度體現在其工藝上，77GHz毫米波雷達由于體積小，其線路板的面積很小，因此射頻線路的設計、PCB制版難度極大，成片的成品率也相對較低。

第四：芯片獲取難易程度不同，24GHz毫米波雷達的射頻芯片相對77GHz雷達射頻芯片更易獲取。由于24GHz毫米波雷達技術趨于成熟，產品供應體系已經相對健全，供應鏈已經逐步穩定，在國內，24GHz的核心芯片也更容易獲取。但是，目前在全球范圍內77GHz毫米波雷達芯由于相關知識產權與合作協議的原因，目前可獲取的芯片供應商較少。

國產替代大步向前

從毫米波雷達芯片國內外企業的市場占有率來看，目前國際市場主要被恩智浦（NXP）、英飛凌、德州儀器（TI）等芯片設計公司占據，代表廠商有得捷電子、富士通、飛思卡爾、英飛凌、安森美、恩智浦、意法半導體、瑞薩電子等。從激光雷達芯片來看，目前國際市場競爭的主要參與者有英飛凌、安森美、瑞薩電子、Luminar、Lumotive、Aeva等。目前，我國大量研究機構和企業都在努力開發雷達傳感器用芯片技術，并且已經有了一些重大突破，國產替代進口的實現指日可待。

清華大學、清能華波等單位在毫米波雷達芯片領域有著深厚的積累，東南大學毫米波國家重點實驗室已完成8mm波段混頻器、倍頻器、開關、放大器等單功能芯片的研制，目前正在開展單片接收/發射前端的設計與研制；國內24GHz/77GHz MMIC關鍵技術也在不斷獲得突破，其中由意行半導體自主研發的24GHz SiGe雷達射頻前端MMIC套片，率先實現了國內該領域零的突破，現已實現量產和供貨。加特蘭微電子發布了其國內首款77GHz CMOS車載毫米波雷達收發芯片。

加特蘭微電子致力于應用在汽車輔助及自動駕駛、安檢成像、智能家居等領域的77GHz CMOS工藝毫米波雷達芯片的研發。2017年，該公司發布了第一代77GHz毫米波雷達射頻單芯片。2019年3月，發布第二代CMOS毫米波雷達芯片SoC-ALPS系列。Alps系列芯片集成了高速ADC、完整的雷達信號處理baseband以及高性能的CPU核。目前，加特蘭微電子在全球已與90多家客戶展開合作。

杭州岸達科技成立于2016年7月，從事77GHz CMOS毫米波雷達單芯片IC設計、研發及銷售，為無人機、汽車、工業控制等行業提供毫米波雷達全面的射頻前端解決方案和雷達模組開發及銷售。2019年2月，岸達科技發布了77GHz CMOS毫米波雷達芯片ADT2001，是全球首款基于CMOS工藝,采用相控陣系統架構,單顆芯片集成16通道的車載77GHz CMOS毫米波雷達芯片。

廈門意行半導體成立于2010年，是國內最早從事民用毫米波雷達射頻前端集成電路產品開發及提供雷達解決方案的企業。2018年11月意行半導體正式發布了一顆24GHz、一發四收、收發一體的毫米波雷達單芯片SG24TR14 MMIC。目前，該公司已經量產SG24T1/SG24R1套片和SG24TR12一發兩收集成單芯片，產品在車載產業、無人機、智能交通、安防以及消費電子等多個產業有較好的應用。

《<中國制造 2025>重點領域技術路線圖》將智能網聯汽車與節能汽車、新能源汽車并列，成為中國未來重點發展的制造領域。該文件對智能網聯汽車的發展制定了宏偉的目標。具體為：2025 年， DA、 PA 占有率保持穩定，高度自動駕駛（對應 L3）車輛占有率約 10%-20%。2030 年，完全自動駕駛（對應 L4）市場占有率近 10%。高等級自動駕駛對傳感器的性能要求提升，單車搭載的雷達傳感器及攝像頭種類及數量均有所提升，芯片的計算量也隨之提高，需要更高的芯片頻率和更新的異構設計以達到快速的數據處理速度。自動駕駛的高速增長將帶來對雷達傳感器的需求快速上升，進而促進雷達傳感器用芯片需求量上升及產品的更新換代。雷達傳感器用芯片市場前景樂觀。