77 GHz车载毫米波雷达传感器

董 辉

77 GHz车载毫米波雷达传感器

董 辉

介绍车载毫米波雷达系统在汽车碰撞安全系统与避撞安全系统的运用，简述车载毫米波雷达传感器的工作频率与频带，分析英飞凌SiGe工艺的毫米雷达传感器成本问题。

碰撞安全系统；避撞安全系统；车载毫米波雷达；频带

为了减轻交通事故带来的伤害，相关部门与厂家都在开发汽车的安全系统。汽车的安全系统可以分为碰撞安全系统与避撞安全系统，前者称为被动安全系统，后者称为主动安全系统或预碰撞安全系统。在发生交通事故时，碰撞安全系统起着减轻被害的作用，例如安全带、安全气囊以及高刚性的车身就起着这种作用。避撞安全系统是防止事故的发生以及在碰撞前减轻事故可能造成的伤害，如防止制动时车辆抱死的ABS（Antilock Brake System 防抱死制动系统）、防止转弯等时出现侧滑的ESC（Electronic Stability Control车身电子稳定性控制系统）、高速行驶时与前方车辆保持适当距离的ACC（Adaptive Cruise Control 自适应巡航控制系统）、碰撞前自动制动的避撞安全系统等。

为了减少由于交通事故引发的人员伤亡，充分利用汽车雷达等技术手段提高汽车的主动安全性能已成为当今汽车制造业努力的方向。目前车载雷达主要包括超声波雷达、激光雷达和微波雷达等几种。超声波雷达探测距离相对较短，主要应用于汽车倒车控制系统，目前多数的普通家用轿车均已装配了采用超声波的倒车雷达装置。激光雷达探测距离远、精度高，但容易受雨、雪、雾等不良天气的影响。相比之下，使用微波频段的车载雷达探测距离远、分辨率高、运行可靠，测量性能受天气等因素的影响较小，成为车载雷达应用的主流。在实际应用中，微波高分辨率车载雷达能够实时测量主车与目标车之间的距离、相对速度以及相对方位角等信息，并将其传送给系统的控制单元。主车可据此采取减低油门、制动等降速制动措施，从而避免追尾等碰撞事故的发生。在无线电业务分类中，车载雷达被划入了无线电定位业务的范畴。

1 车载毫米波雷达系统运用概述

车载毫米波雷达系统的研究工作领先地区主要分布在美国、欧洲和日本。研究内容主要集中在前视汽车雷达（FLAR：Forward Looking Automobile Radar）和自适应巡航控制系统（ACC：Adaptive Cruise Control）两个方面［1］。前视汽车雷达只需完成危险预警功能，自适应巡航控制系统需要通过雷达系统实时监测车辆的间距和相对运动速度信息，自动控制汽车的转向、加速、减速或者制动，从而自动地调整主车与前车的间距，或者控制相对速度使之保持在一个安全的范围内。从智能汽车发展的趋势看，目前已经加速从预警提示向闭环自动控制功能升级切换。

在主动安全系统中，ACC与避撞安全系统降低交通事故中被害程度效果最为显著。因此期望这两种系统的普及程度能够进一步提高。但是，从前几年的状况来看，因为系统的成本较高，所以还只达到了高档车选配的程度。由此看来，要想实现民众车辆也能装用这两种系统，就需要降低系统的成本。重点就变成了需要降低作为传感器的毫米波雷达的成本。

汽车安全系统的关键部件是传感器。例如ABS的关键是其上设置的检测车轮是否抱死的轮速传感器。当前，在监测车辆的外侧环境（同时行驶的车辆、行人、自行车、障碍物、车线及交通标志等）的外部传感器技术也在不断地发展，各种车外传感器的检测特性如表1所示。

表1 各种避撞安全系统用车外传感器的检测特性

表1所列出的车外监测传感器中，77 GHz频带和24 GHz频带毫米波雷达的最大特点是耐天候性好（不受雨、雪、雾等天候的影响）。为了使ACC与避撞安全系统在任何行驶环境下都能发挥出最佳的效果，这两种系统上广泛地采用了毫米波雷达。

采用毫米波雷达的各种预防安全系统如图1所示。各系统的检测距离和所用毫米波的频带如表2所示。长距离（50～200 m）的检测只用77 GHz频带的毫米波雷达；中距离（20～50 m）与近距离（0～20 m）的检测既用77 GHz频带的毫米波雷达，也用24 GHz频带的毫米波雷达。

图1 采用毫米波雷达的各种预防安全系统

表2 各系统的检测距离与毫米波雷达的频带

当高速行车、车间距离较长时，就需要利用ACC与避撞系统检测前方车辆，这时一般采用可以检测长距离的77 GHz频带的毫米波雷达；在高速公路上换道时，作为确认换道的车线上有无后续车辆的系统，一般采用24 GHz频带的毫米波雷达。

对近距离用系统来讲，策划为驾驶员检测在低速行车及停车时肓区的行人等采用BSD（Blind Spot Detetion）系统，但目前上市的例子还比较少。

2 车载毫米波雷达传感器的工作频率与频带

2.1 2015年世界无线电通信大会（WRC-15）召开以前

在2015年世界无线电通信大会召开以前，车载毫米波雷达传感器的工作频率与频带是由各国与地区分别规定的，表3列出了欧洲、美国与日本规定的车载毫米波雷达可使用的频带。

表3 欧洲、美国与日本规定的车载毫米波雷达可使用的频率与频带

77 GHz频带在美国、欧洲与日本都得到了认可。可以检测中距离-近距离的24 GHz频带作为产业/科学/医疗的窄带（NB）也得到了认可。作为中距离-近距离的车载毫米波雷达对较小的物体也可以检测，即可以追求更高的距离分解能力。因此，已经实际应用的24 GHz频带毫米波雷达往往用于效果最好的超宽带区（UWB），以便提高检测尺寸的分解能力。

但是，美、欧、日对24 GHz频带用于UWB的法规不尽相同。欧洲对此规定了时限，规定24 GHz频带可以使用到2013年6月底。此外，又将79 GHz频带也划分给中距离-近距离的车载毫米波雷达使用。因为对车载使用79 GHz频带没有设定年限，也许最终汇总为79 GHz频带。日本认可的UWB使用时限为2016年底，为了避免与其它的通信设备产生干扰，对使用这一频率的设备台数作了限制（允许的普及率为0.1%）；而美国对24 GHz频带的UWB的车载应用几乎没有什么限制。

欧洲与日本之所以对24 GHz频带的使用时限加以设定，是因为与77 GHz频带相比，24 GHz频带用发送、接收电路的成本较低的缘故。现行的77 GHz频带毫米波雷达的发送、接收电路采用的是GaAs（砷化镓） 材料的分立元件，与此相比24 GHz频带毫米波雷达的发送、接收电路采用的是成本较低的SiGe（硅锗）工艺的集成电路。

2.2 2015年世界无线电通信大会（WRC-15）召开之后

2005年至2013年，欧盟将24 GHz作为车载毫米波雷达的频谱，随后又增加了79 GHz；美国则使用24 GHz、76～77GHz两个频带；日本则选用了60～61 GHz的频段。随着世界范围76～77 GHz毫米波雷达的广泛应用，日本也逐渐转入了76～77 GHz毫米波雷达的开发中。各大国的车载雷达频段主要集中在在23～24 GHz、60～61 GHz 76～ 77 GHz（即79 GHz）3个频段，而世界各国对毫米波车载雷达频段使用的混乱情况，使得汽车行业车载雷达的发展受到了限制。直到在日内瓦召开的2015年世界无线电通信大会（WRC-15），各国讨论决定，77.5～ 78.0GHz频段划分给无线电定位业务，以支持短距离高分辨率车载雷达的发展，车载雷达才获得了全球统一频率划分。

从中国的情况来看，无线电主管部门对车载雷达的频率划分一直在积极推进之中。为了适应车载雷达应用的需要，早在2005年，原信息产业部就发布了《微功率（短距离）无线电设备的技术要求》，将76～77 GHz频段规划给了车辆测距雷达使用，并将其定义为免执照的微功率应用。此后，为适应车载雷达应用对无线电频率的需求，工业和信息化部于2012年将24.25～26.65 GHz频段规划用于短距离车载雷达业务的频率。

2015年世界无线电通信大会（WRC-15）于2015年11月2日在日内瓦盛大开幕，本届大会参会人数多达3800人，中国派出了140多人的代表团，会议于11月27日结束。在WRC-15大会上 ，积极倡导79 GHz频段的汽车雷达国家主要为德国、日本等。这些国家在多年以前，就对79 GHz频段的汽车雷达进行了研究与开发。如有机会，笔者将另文对这方面的技术加以介绍。至2016年11月，国内很少查到关于对车载毫米波雷达传感器的工作频率与频带议题的报道文献。

WRC-15还决定在79 GHz频段（WRC）进行高清晰度短距汽车雷达运行所需射频频谱的划分，为提高车辆安全并减少交通事故的汽车防撞雷达提供了全球协调的规则性框架。

“为汽车雷达协调79 GHz频段的决定，将使汽车行业能够在全球部署防撞雷达设备，”国际电联秘书长赵厚麟说，“这将极大推动联合国提高全球道路安全并预防恶性交通事故目标的实现。”某日刊对79 GHz频段汽车雷达的报导［2］：为了提高汽车的安全性与加速无人驾驶的进一步实用，大会同意为提高汽车用雷达性能而扩展工作频率。并进一步介绍：目前的车载雷达可以识别车前100 m处20 cm大小的物体，但通过雷达工作频率的扩展，期望可以识别7.5 cm左右的物体。如果可以达到这一目标的话，就可以识别车前100 m处步行的儿童。

3 毫米波雷达成本问题

毫米波雷达的最大课题是成本较高的问题［1］。2000年毫米波雷达ACC价格超过3万元。为此，有的厂家开发出采用激光雷达与摄像机的低价ACC与避撞系统，尽管在耐天候方面还存在问题，但其成本较低。2006年，大发工业开发出具有ACC与避撞功能的系统供客户选用，其价格为1.2万元左右。从2010年起，富士重工业公司为力狮牌汽车提供使用彩色视频摄像头代替黑白摄像头作为传感器的EyeSight系统（EyeSight系统是斯巴鲁品牌的行车主动安全辅助系统），其价格为6000元左右。

3.1 SiGe技术工艺的接收/发送IC块

当前，车载毫米波雷达的一级供应商在产品开发的过程中，都强烈地意识到降低成本的问题。例如，早在2006年，富士通天就将2003年生产的77 GHz车载毫米波雷达减薄其厚度，在2003～2010年的8年之间，其出厂的车载毫米波雷达超过20万台。2006生产的雷达与其改进的产品如图2所示。

图2 毫米波雷达总成的外观

降低价格与薄形化是改进品实现的2个措施。第1个措施为：将雷达为了检测水平方向上的一定范围所进行的扫描，从机械扫描方式更改为电子扫描方式。2006年以前生产的77 GHz车载毫米波雷达上的毫米波发送、接收电路与天线的模块是利用电动机加以左右驱动的，称此为机械扫描方式。与此相比，电子扫描方式则利用多个频道进行接收，利用接收频道之间所产生的相位差计算出检测角度。在机械扫描方式中，使用电动机驱动模块就需要占地与其它部件，而电子扫描方式这些都不需要。改进品与老产品相比：毫米波发射/接收开口部位的面积几乎没有变化，但厚度减少到不足一半，部件的个数也大幅度缩减。此外，通过采用电子扫描方式，检测角度范围达到了老产品的2倍，扩展到了±15°。

第2个措施是发射、接收电路的集成化。 与老产品采用GaAs衬底的发送、接收电路相比，改进产品采用了高度集成化的电路。发送/接收电路的集成化为成本的降低做出了较大的贡献。一般认为，发送/接收电路采用的是SiGe工艺的IC块。改进产品的控制软件是按照车载软件标准AUTOSAR编制的。

3.2 采用SiGe工艺的77 GHz频带

一般认为：毫米波雷达的成本之中发送/接收电路占较高的比例。在77 GHz频带车载毫米波雷达投入市场的1990年代，能够在77 GHz频带振荡的部件仅限于GaAs衬底的分立IC。因此，发送/接收电路还是由印制板上GaAs衬底的振荡IC、放大发送/接收波形的功率放大器PA、对发送波形与接收波形加以比较的混频器IC、将雷达的模拟信号变换成数字信号的A/D变换器、完成最终处理的微机等单个部件组成。批量生产的车辆上装用的77 GHz频带车载毫米波雷达几乎还是采用了GaAs衬底的振荡IC的发送/接收电路，其集成度较低。

从2000年起，与高频振荡对应的半导体制造技术获得了加速发展，以前必须采用GaAs衬底才能实现的77 GHz频带部件也可以通过SiGe技术实现。

就SiGe工艺来讲，除部分电路结构需要采用锗材料之外，完全可以采用与制造普通半导体时Si工艺大致相同的制造技术。由此，与需要基片材料与专业制造流水线的GaAs衬底的化合物半导体相比，SiGe工艺可以降低制造成本。而且，采用GaAs基片作为振荡IC时，构成发送/接收电路需要5～6片集成电路，采用SiGe工艺实现集成化，可以减少到1～2片。采用SiGe工艺开发毫米波雷达发送/接收电路IC的供货商有英飞凌（Infineon）公司和美国飞思卡尔半导体有限公司（Freescale Semiconductor）2家公司，但是这2家公司所开发的SiGe工艺不尽相同，且产品发展方向也不同。

3.2.1 英飞凌公司SiGe工艺

2005年，英飞凌公司开发了车载毫米波雷达用SiGe双极工艺B7HF200，布线宽度为0.35 μm。2008年末，该公司开始批量生产采用B7HF200工艺的77 GHz频带的发送/接收电路IC芯片RXN7740。此RXN7740与ACC/避撞系统配套，装载于德国奥迪公司的奥迪A8 车型上。罗伯特博世（Robert Bosch）公司的第3代长距离毫米波雷达LRR3也用过这种芯片。从现在来看，装用SiGe工艺的发送/接收电路IC芯片只有77 GHz频带的车载毫米波雷达。

英飞凌公司雷达系统IC系列（RASIC）开发担当者黄先生介绍说：在SiGe工艺中，与采用小于150 mm晶圆片的GaAs衬底的化合物半导体不同，采用200 mm晶圆片的话，可以降低成本；但是，若想降低成本，需要达到批量生产规模。有人调查后得出，批量化生产规模超过50万个的话，GaAs衬底的发送/接收电路才能发挥出成本降低的优点。

现在，车载毫米波雷达的市场规模是100万台/年，大部分与ACC/避撞系统配套。但是，采用SiGe工艺的发送/接收电路能够进一步降低成本的话，3年后市场规模可能提高到700万～800万台/年。到那时，不仅是与ACC/避撞系统配套，按理还可以应用到包括BSD在内的各个方面。

英飞凌公司的SiGe工艺为双极工艺。在双极工艺中，PA与混频电路为集成电路，为了降低振荡时的相位噪声干扰，采用了PLL（相位同步）电路。 此后，该公司就在开发将SiGe工艺制造的发送/接收电路芯片与集成有PLL等电路的CMOS芯片为一体的eWLB封装（晶圆级封装），在2011年，此试制品已处于评价阶段，如图3所示，于2012年投放市场。

图3 英飞凌公司采用eWLB封装的发送/接收电路

黄先生说：博世公司的LRR3发送/接收电路中，裸片RXN740可直接装配在陶瓷基片上，RXN7740与PLL等其它电路部件可以采用引线键合方式进行连接。与此相比，如果开发过程中有单件封装品的话，因为实现了包括PLL等部件都封装在BGA之中，所以再装配到印制板上就更简单了。引进采用SiGe工艺的发送/接收电路IC，与发送/接收电路的部件成本相比，装配成本降低的效果更大些。英飞凌公司强调：该公司开发出单件封装品的话，与采用裸片RXN7740 相比，发送/接收电路系统的成本可降低26%。

3.2.2 飞思卡尔BiCMOS工艺

飞思卡尔公司开发的SiGe工艺是可利用双极与CMOS两者的BiCMOS工艺。由于其是在0.18μm的CMOS 工艺HiP6基础上开发的，所以其工艺名称为HiP6MW。早在2010年11月，该公司就向多个厂家提供了采用HiP6MW工艺的77 GHz频带的毫米波雷达的发送/接收电路IC片的样品。

［1］ 普及の鍵は、ミリ波レーダーの低価格化：大衆車にも求められる「予防安全」［J］. Automotive Electronics，2011.

［2］ 小山 敏.高度道路交通システム（ITS）の世界的調和へのトレンド―WRC-15 議題1.18とWRC-19 議題［C］.2016.

（编辑 心 翔）

福特与Lyft在自主驾驶上进行合作

福特与Lyft在自主驾驶上进行合作，福特通过其自驾车和ArgoAI的虚拟驾驶系统继续发展其自主驾驶技术，Lyft拥有一个客户网络不断增长的乘客需求并且对城市内部交通运输知识的了解程度很高，这两家公司都拥有车队管理和大数据经验。

福特和Lyft将共同努力探索：

如何创建一个技术平台可以轻松连接到合作伙伴的平台（如Lyft的平台）以有效地派遣自驾车。根据共享数据和信息，哪些城市可以提供自驾车服务。

为维持和维护自驾车辆所需的一种基础设施以最大程度地提高消费者的可用性。

伙伴关系的重点是围绕人的实际需求和建立服务的需求，高度重视安全性和可靠性，以建立消费者对自主驾驶技术终有一天能够实现的信心。

作为开发联合技术平台的一部分，福特将在Lyft的网络上部署人工驾驶车辆以测试接口，并确保与Lyft面向客户的平台Lyft应用程序兼容。两家公司的开发团队已经在一起工作，编程系统，以便他们可以彼此沟通而不会影响Lyft应用程序的用户。

福特还将把自驾测试车辆连接到Lyft网络，它们不可用于客户使用，但允许福特开发技术，并确保为未来的用户实现积极的令人放心的体验。未来的计划是让自驾车与Lyft当前社区的驾驶员一起运作，以帮助适应重大消费者需求的时间，以及确保交通运输保持及时并负担得起。

（信息来源：2017.9.27 Green Car Congress） 戴朝典编译

Introduction to 77 GHz Millimeter Wave Radar Sensor on Vehicles

DONG Hui

This paper introduces the application of millimeter wave radar sensors in vehicle crash security system and crash avoidance security system，briefs its work frequency and band，and analyzes the cost of millimeter wave radar sensor using Infineon SiGe.

crash security system；crash avoidance security system；vehicle millimeter wave radar；frequency band

U463.675

B

1003-8639（2017）11-0012-04

2016-09-05；

2016-09-10

董辉，男，高级工程师，研究方向为汽车电气的发展现状与动向，曾著有《汽车用传感器》一书。