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作者：方圓
近日，南開大學(xué)攜手香港城市大學(xué)，成功研制出薄膜鈮酸鋰光子毫米波雷達(dá)芯片，在毫米波雷達(dá)領(lǐng)域取得重大突破。這一創(chuàng)新成果，為未來6G通信、智能駕駛、精準(zhǔn)感知等前沿領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
?01芯片集成，點(diǎn)亮毫米波雷達(dá)
研究團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化制備技術(shù)，成功在單一芯片上集成了倍頻模塊和回波去斜模塊，完成了高效的毫米波雷達(dá)信號產(chǎn)生、處理和接收。為了驗(yàn)證雷達(dá)的性能，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，包括測距、測速和逆合成孔徑成像測試。
結(jié)果顯示，該雷達(dá)能夠精準(zhǔn)探測距離和速度，并對不同目標(biāo)進(jìn)行高清晰度的成像。研究團(tuán)隊(duì)成員、南開大學(xué)教授朱廈表示，該成果不僅提升了現(xiàn)有微波光子雷達(dá)的性能，還為未來高性能、小型化光子雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展樹立了新標(biāo)桿。在即將到來的6G時代，這項(xiàng)技術(shù)有望在多個領(lǐng)域引發(fā)重大變革，標(biāo)志著微波光子雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的重要里程碑。這一重大突破，無疑將雷達(dá)芯片領(lǐng)域再次拉至聚光燈下。
雷達(dá)芯片處于雷達(dá)系統(tǒng)的核心地位，運(yùn)作時巧妙融合射頻與數(shù)字信號處理技術(shù)。雷達(dá)探測器發(fā)射高頻電磁波信號后，芯片的射頻前端負(fù)責(zé)接收反射回波，它憑借出色頻率選擇性與信號放大能力，捕捉微弱信號。
隨后，信號進(jìn)入數(shù)字信號處理模塊，運(yùn)用快速傅里葉變換（FFT）等算法解調(diào)、濾波、放大。依據(jù)電磁波傳播特性及 Doppler 效應(yīng)，通過精確測量發(fā)射與回波信號的時間延遲算出目標(biāo)距離，憑借對回波頻率變化的捕捉分析推算目標(biāo)速度，再結(jié)合天線陣列與方位角算法確定目標(biāo)方位，從而將電磁波信號轉(zhuǎn)化為可用的目標(biāo)信息。
?02進(jìn)化與突破
早在 20 世紀(jì)中葉，雷達(dá)技術(shù)剛剛起步，那時的雷達(dá)芯片構(gòu)造十分簡單，主要由一些分立的電子元件組成 ，就像用零散的積木搭建起的簡易模型。這些早期芯片功能有限，僅能實(shí)現(xiàn)基本的目標(biāo)探測，而且體積龐大、能耗高，信號處理能力也極為薄弱。例如，早期的雷達(dá)芯片只能在較短的距離內(nèi)探測較大的目標(biāo)，對于復(fù)雜環(huán)境下的小目標(biāo)幾乎無能為力，在實(shí)際應(yīng)用中受到諸多限制。
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步，20 世紀(jì) 90 年代，砷化鎵（GaAs）工藝被應(yīng)用于雷達(dá)芯片制造 。這一變革為雷達(dá)芯片注入了新的活力，相比之前的分立元件，砷化鎵工藝制造的芯片集成度有所提高，能夠在一定程度上縮小芯片體積、降低能耗，并且在信號處理速度上也有了明顯提升。不過，砷化鎵工藝的材料成本和制造成本都較高，對生產(chǎn)線要求嚴(yán)苛，這在一定程度上限制了其大規(guī)模應(yīng)用。像用在奔馳汽車上的 ARS100（第一款商用雷達(dá)），便是采用了砷化鎵工藝的雷達(dá)芯片 ，雖然它開啟了雷達(dá)在汽車領(lǐng)域應(yīng)用的先河，但高昂的成本也使得其難以普及。
到了 2007 - 2017 年，鍺硅（SiGe）工藝逐漸嶄露頭角 ，并開始取代砷化鎵工藝。SiGe 擁有硅工藝的集成度、良率和成本優(yōu)勢，使得前端射頻芯片的集成度大幅提升 。一個毫米波雷達(dá)只需要少量射頻前端芯片，就可完成信號的處理，這極大地降低了毫米波雷達(dá)系統(tǒng)的成本 。
以大陸的 ARS4 - a 為例，它采用了 2 片 MR2001TX、4 片 MR2001RX 和 1 片 MR2001VC，通過 SiGe 工藝實(shí)現(xiàn)了更高效的信號處理和更低的成本，為雷達(dá)在更多領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。2017 年至今，CMOS 工藝成為了雷達(dá)芯片發(fā)展的新潮流 。
最初，CMOS 工藝制程較低，無法工作在高頻中，但隨著技術(shù)的不斷突破，到 2010 年，CMOS 工藝進(jìn)步到 40nm，使得 CMOS 用于 77GHz 毫米波雷達(dá)成為可能 。CMOS 工藝處理速度更快，成本相對更低，集成度能夠進(jìn)一步提升 ，一個毫米波雷達(dá)甚至只需要 1 顆 MMIC 芯片，雷達(dá)整體系統(tǒng)成本進(jìn)一步下降 。例如博世的 MRR5，采用 1 片英飛凌的 SiGeBiCMOS MMIC：RXS8160PL，充分展現(xiàn)了 CMOS 工藝在降低成本和提高集成度方面的巨大優(yōu)勢。
簡單來講，雷達(dá)芯片的工作原理可以比作蝙蝠的回聲定位系統(tǒng)。蝙蝠發(fā)出超聲波，聲波遇到障礙物后反射回來，蝙蝠通過接收回聲來判斷物體的距離和位置。同樣，雷達(dá)芯片發(fā)射電磁波，電磁波遇到物體后反射回來，芯片通過接收反射波并計(jì)算時間差來確定物體的距離、速度和位置。整個過程就像蝙蝠利用回聲在黑暗中導(dǎo)航一樣，雷達(dá)芯片通過發(fā)射、接收和處理電磁波來探測和定位目標(biāo)。
雷達(dá)芯片的工作原理決定了其在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)，而關(guān)鍵性能指標(biāo)則是衡量雷達(dá)芯片性能優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)。通過射頻技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)，雷達(dá)芯片能夠接收并處理高頻電磁波信號，將其轉(zhuǎn)換為可識別的目標(biāo)信息，如距離、速度、方位等。然而，這些功能的實(shí)現(xiàn)效果如何，很大程度上取決于雷達(dá)芯片的關(guān)鍵性能指標(biāo)。這些指標(biāo)不僅直接影響雷達(dá)系統(tǒng)的探測精度和穩(wěn)定性，還決定了其在不同應(yīng)用場景中的適用性。
靈敏度影響芯片對微弱信號探測能力，遠(yuǎn)距離探測時，高靈敏度利于精準(zhǔn)鎖定目標(biāo)，低靈敏度易錯失目標(biāo)；動態(tài)范圍保障芯片處理不同強(qiáng)度信號，范圍大的芯片可避免失真，確保復(fù)雜環(huán)境下正常工作；帶寬與數(shù)據(jù)傳輸、分辨率相關(guān)，高帶寬助于精細(xì)探測與成像，為高精度應(yīng)用提供支持；速度范圍界定芯片測量目標(biāo)速度區(qū)間，汽車?yán)走_(dá)關(guān)注低速，航空雷達(dá)追蹤高速，適配不同場景。
?03應(yīng)用領(lǐng)域
汽車領(lǐng)域是雷達(dá)芯片應(yīng)用的重要場景之一。在自動駕駛技術(shù)中，雷達(dá)芯片扮演著關(guān)鍵傳感器的角色。它能夠?qū)崟r探測車輛周圍的環(huán)境，包括其他車輛、行人、障礙物等，并提供精確的距離、速度和方位信息。特斯拉的Autopilot系統(tǒng)采用多顆毫米波雷達(dá)芯片，實(shí)現(xiàn)了自動緊急制動、車道保持輔助、自適應(yīng)巡航控制等功能，極大地提升了駕駛安全性和舒適性。具體應(yīng)用中，前向雷達(dá)用于探測前方障礙物，實(shí)現(xiàn)自動緊急制動和自適應(yīng)巡航控制；角雷達(dá)安裝在車輛側(cè)面，用于監(jiān)測盲區(qū)車輛，實(shí)現(xiàn)變道輔助和盲點(diǎn)監(jiān)測；后向雷達(dá)則安裝在車輛尾部，用于監(jiān)測后方來車，實(shí)現(xiàn)倒車預(yù)警和后方碰撞預(yù)警。
無人機(jī)領(lǐng)域也是雷達(dá)芯片的重要應(yīng)用領(lǐng)域。雷達(dá)芯片為無人機(jī)提供了強(qiáng)大的環(huán)境感知能力，使其能夠在復(fù)雜的環(huán)境中自主飛行和執(zhí)行任務(wù)。在大疆的Matrice 300 RTK無人機(jī)中就搭載了高精度雷達(dá)芯片，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位、避障、地形跟隨等功能，廣泛應(yīng)用于測繪、巡檢、搜救等領(lǐng)域。具體應(yīng)用中，避障雷達(dá)用于探測無人機(jī)飛行路徑上的障礙物，實(shí)現(xiàn)自動避障功能；地形跟隨雷達(dá)用于探測地面高度變化，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)與地面保持恒定高度飛行；搜索雷達(dá)則用于探測目標(biāo)物體，實(shí)現(xiàn)搜救和目標(biāo)跟蹤等功能。
安防領(lǐng)域中，雷達(dá)芯片可用于周界防護(hù)、入侵檢測、人員定位等。例如，海康威視的雷達(dá)視頻一體機(jī)采用了先進(jìn)的雷達(dá)芯片技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對入侵目標(biāo)的精準(zhǔn)探測和跟蹤，并聯(lián)動視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時報警和記錄。周界防護(hù)雷達(dá)用于探測圍墻、柵欄等周界區(qū)域的入侵行為；室內(nèi)定位雷達(dá)用于室內(nèi)人員的定位和追蹤，適用于監(jiān)獄、醫(yī)院等場所；生命探測雷達(dá)則用于探測廢墟下的生命跡象，適用于地震救援等場景。
在工業(yè)領(lǐng)域，工業(yè)機(jī)器人、AGV小車、智能倉儲等都離不開雷達(dá)芯片的支持。ABB的工業(yè)機(jī)器人配備了高精度雷達(dá)芯片，可以實(shí)現(xiàn)對工件的精準(zhǔn)定位和抓取，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。具體應(yīng)用中，工業(yè)機(jī)器人用于工件的定位、抓取、裝配等操作；AGV小車用于物料運(yùn)輸、倉儲管理等；智能倉儲則用于貨物的自動識別、定位、分揀等。
?04巨頭林立，新興力量崛起
雷達(dá)芯片行業(yè)的參與者主要包括傳統(tǒng)半導(dǎo)體巨頭、專業(yè)雷達(dá)芯片企業(yè)和新興科技公司。在傳統(tǒng)半導(dǎo)體巨頭中，恩智浦（NXP）、英飛凌、德州儀器（TI）、意法半導(dǎo)體等國際芯片設(shè)計(jì)巨頭在雷達(dá)芯片市場長期占據(jù)主導(dǎo)地位。以恩智浦為例，其旗艦 S32R45 和新 S32R41 處理器可滿足 L2 + 級至 L5 級的自動駕駛需求，能構(gòu)建 4D 成像雷達(dá)，實(shí)現(xiàn) 360 度環(huán)繞感知 。其中，雷達(dá)微處理器單元（MPU）S32R41 專用于 77GHz 高級雷達(dá)應(yīng)用，采用 Arm Cortex?-a53 和 Cortex-M7 內(nèi)核，結(jié)合專用雷達(dá)處理加速器，打造出卓越的雷達(dá)處理鏈。
憑借深厚的技術(shù)積累和廣泛的客戶基礎(chǔ)，恩智浦在汽車?yán)走_(dá)芯片領(lǐng)域穩(wěn)穩(wěn)扎根，諸多知名汽車廠商的自動駕駛系統(tǒng)中都有其芯片的身影。英飛凌擁有毫米波雷達(dá)全套解決方案，涵蓋性能強(qiáng)大的前雷達(dá)、性價比高的角雷達(dá)，以及用于艙內(nèi)監(jiān)控的毫米波雷達(dá)芯片。其關(guān)鍵部件 MMIC、MCU 和 PMIC 廣泛應(yīng)用于各種細(xì)分雷達(dá)應(yīng)用場景，在業(yè)界成熟量產(chǎn)的級聯(lián)方案更是助力實(shí)現(xiàn) 4D 雷達(dá)，為汽車安全與智能駕駛提供堅(jiān)實(shí)技術(shù)支撐，在全球汽車?yán)走_(dá)市場份額可觀。
德州儀器在雷達(dá)芯片領(lǐng)域同樣成績斐然。其于2024 年 1 月推出的 AWR2544 77GHz 毫米波雷達(dá)傳感器芯片采用衛(wèi)星雷達(dá)架構(gòu)設(shè)計(jì)，提升了高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）中的傳感器融合和決策能力。德州儀器憑借持續(xù)的研發(fā)投入和先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)，在雷達(dá)芯片市場始終保持著強(qiáng)勁的競爭力，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車、工業(yè)等多個領(lǐng)域。意法半導(dǎo)體基于豐富的經(jīng)驗(yàn)和全面的汽車?yán)走_(dá)收發(fā)器與電源管理 IC 產(chǎn)品組合，為客戶提供基于 24GHz 和 77GHz MMIC 的雷達(dá)解決方案，產(chǎn)品滿足嚴(yán)格的汽車安全完整性等級（ASIL）要求，在汽車?yán)走_(dá)芯片市場占據(jù)重要一席。
在國際巨頭的強(qiáng)勢籠罩下，新興雷達(dá)芯片企業(yè)也在努力突圍，以創(chuàng)新技術(shù)和獨(dú)特優(yōu)勢在市場中嶄露頭角。Uhnder 便是其中之一，作為數(shù)字毫米波成像雷達(dá)技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，基于數(shù)字編碼調(diào)制（DCM）技術(shù)，其完全由軟件定義的雷達(dá)芯片和傳感器模塊能為 ADAS、AV 和物流自動化系統(tǒng)提供最高分辨率的數(shù)字感知。2024 年 2 月完成 5000 萬美元 D 輪融資，彰顯了市場對其技術(shù)潛力的高度認(rèn)可。2022 年推出的首款車規(guī)級 4D 數(shù)字成像雷達(dá)芯片 S80，已通過基于 AECQ104 的所有車規(guī)資格認(rèn)證以及基于 ISO26262 的 ASIL-B 認(rèn)證，并已部署在 Fisker 的 Ocean 車型上，成功切入汽車?yán)走_(dá)市場，為行業(yè)帶來新的發(fā)展思路和競爭活力。
相比國外，國內(nèi)車載毫米波雷達(dá)芯片企業(yè)起步晚、技術(shù)積累少，尚未形成強(qiáng)大市場影響力。但隨著產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展與市場需求驅(qū)動，國內(nèi)企業(yè)積極入局。像加特蘭微電子，2014 年成立專注 CMOS 芯片，2024 年一季度出貨超 800 萬顆，預(yù)計(jì)全年 600 萬顆，產(chǎn)品已入 20 余家車企、超 200 款車型，適用于多類雷達(dá)。
森思泰克 77GHz 產(chǎn)品率先“上路”，用于 ADAS 關(guān)鍵功能。德賽西威開發(fā)多頻段產(chǎn)品助力自動駕駛。清能華波專注芯片設(shè)計(jì)，南京米勒、鋮昌科技、電科芯片也憑各自優(yōu)勢，在研發(fā)、生產(chǎn)上發(fā)力。這些企業(yè)于細(xì)分領(lǐng)域嶄露頭角，正縮小差距，有望提升未來競爭力。
根據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)，2022年全球雷達(dá)芯片市場規(guī)模約為50億美元，預(yù)計(jì)到2027年將增長至120億美元。目前，英飛凌和恩智浦占據(jù)市場主導(dǎo)地位，合計(jì)市場份額超過50%。TI和ADI分別占據(jù)約15%和10%的市場份額。新興企業(yè)如Arbe和Uhnder雖然市場份額較小，但增長迅速，預(yù)計(jì)未來幾年將占據(jù)更大市場份額。
