通信

毫米波雷达是什么?自动驾驶、智能家居都少不了它!

字号+ 作者:大和有话说 来源:dahetalk 2019-02-13 22:59

我们曾在【万物联网,浅谈IoT低功耗广域网趋势】中谈过物联网的三层架构,分别是感知层、网络层、应用服务层。这一次,我们回归物联网的源头,来谈谈感测层中成长速度惊人的“毫米波雷达”。


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我们曾在【万物联网,浅谈IoT低功耗广域网趋势】中谈过物联网的三层架构,分别是感知层、网络层、应用服务层。这一次,我们回归物联网的源头,来谈谈感测层中成长速度惊人的“毫米波雷达”。
 
开始之前,先复习一下三个基础的通讯原理。
 

1. 电磁波(Electromagnetic wave)是由互相垂直的“电场”与“磁场”交互产生的一种能量。
 
2. 在数学上,“毫”代表的是“千分之一”,数学代号为m。当数学代号“毫”加上“米”这个单位的时候,“毫米”就代表“千分之一公尺”的意思,也就是millimeter(缩写mm)。
 
3.“波长”指的是电磁波的波峰到波峰的距离,通常以毫米(mm)、微米(μm)或是奈米(nm)为单位;“频率”则指电磁波每一秒震动的次数,以“赫兹(Hz)”作为单位。其中,最重要的特性就在于“波长”与“频率”成反比。

 
 
回归正题,毫米波就是指波长介于1~10毫米(mm)的电磁波。若以频率来换算的话,大概是工作在10~300GHz的频率,高于无线电波,低于可见光及红外线。
 
 
一、什么是“毫米波雷达”?
 
毫米波雷达,指的是工作在毫米波波段(millimeter wave)的雷达,透过天线发射毫米波,及接收障碍物反射回来的讯号,来计算出与目标的相对速度、距离以及角度。
 
说到这,你可能会好奇,毫米波雷达到底厉害在哪?与我们常听到的红外线雷达、超声波雷达、光达又有什么差异?而最近AI影像辨识兴起,摄影机是不是也有机会取代掉传统雷达呢?
 
其实,这五种感测方式各有擅长。例如,红外线、超声波雷达的价格虽然较低,但是可探测的距离过短;摄影机虽然可分辨障碍物的大小与颜色,但就像人类的眼睛一样,易受天气因素影响。
 
光达虽然精准度高,但有天气因素制约,且目前价格少说一颗也要400美元,离大量普及还有一段时间。至于毫米波雷达,虽然价格适中,不易受环境影响,但精度却也逊于光达。
 
因此,目前看来,并没有哪一类型的感测方式独霸一方,实务上反倒是在各应用场景中互相搭配、各取所需。例如,在自动驾驶领域中,超声波雷达、红外线传感器、光达、毫米波雷达、摄影机便会各司其职,在性能上互补,可参考下表。
 
根据日本YANO Research Institute的研究报告,几个主流的传感器中,除了红外线传感器、超声波雷达的成长幅度相对持平,其他像是毫米波雷达、摄影机、光达等传感器皆显著成长。其中,毫米波雷达更是这几年来成长最快速的类别。
 
二、24GHz、60GHz、77GHz和79GHz车载毫米波雷达的发展
 
如同前面所提,毫米波是指工作介于10~300GHz的频段,虽然目前各国针对车载毫米波雷达所分配的频段各有不同,但主要还是集中于24GHz及77GHz,只有少数国家如日本则采用了60GHz频段。
 
2015年的世界无线电通信大会上,各国将77GHz频段划分为「车载高分辨率雷达频段」,因此77GHz瞬间成为国际标准。由于高频段的77GHz相对于24GHz具有诸多优势,也使得日本从60GHz逐渐转而开发77GHz的毫米波雷达。
 
 
在分析24GHz、77GHz、79GHz各频段之优劣前,我们再补充三个电磁波原理,等等比起来会更有感觉。
 
1. 根据电磁波原理,当天线长度为电磁波波长的1/2或1/4时,收讯情况最好。换言之,频率越高、波长越短,天线就可以做的越小,雷达体积也会较小。
 
2. 高频电磁波也代表着能量较高,因此不用消耗很多电力,就能让天线产生足够的增益(Gain)传送比较远的距离。不过,高频电磁波的绕射性质比较差,不容易绕过障碍物,所以室内接收讯号的质量会比较差。
 
3. 毫米波雷达“分辨率”的定义为:“雷达可以区分的两个物体的最近距离”。例如,若两个物体靠的太近,那么雷达可能会把它视为一个物体,如果分开一点,雷达便会视为两个物体。简言之,可以让雷达辨别出“这里有两个物体,而不是一个物体”的前提下,两物体之间的最短距离,就是雷达的分辨率。
 
分辨率的计算公式为光速/(2倍的雷达带宽),因此24GHz(250MHz带宽)的分辨率为0.6m,77GHz(1GHz)的分辨率为18cm。4GHz带宽的毫米波雷达分辨率可以做到5cm。
 
由于24GHz毫米波的波长较长(约1.25cm),故其天线、雷达体积会相较77GHz(约4mm)来得大。不过,由于24GHz雷达的「绕射能力」较强,因此24GHz毫米波雷达主要用于小于50公尺的短距离侦测。
 
77GHz雷达由于频率较高,具有精度高、讯号穿透性佳等优点,因此77GHz的毫米波雷达主要适用于长距离(约250公尺)侦测。
 
至于79GHz,由于24GHz ISM频段的带宽只有250MHz,使得其「分辨率」与「探测距离」有其限制,因此,2015年国际电信联盟(ITU)决定开放76GHz~81GHz频段供车载雷达应用。79GHz不仅较24GHz车载雷达带宽更大,让分辨率得以压缩至5公分,而设备体积也更小,更易于后续安装。
 
整体看来,汽车毫米波雷达不断朝高精度需求发展,使得雷达系统持续从24GHz往77GHz、79GHz升级。我们可以预测,未来车载雷达频段将趋向76GHz~81GHz之间,最终以77GHz雷达作为长距通信的载体,79GHz作为短距通信的载体。
 
三、全球汽车毫米波雷达产业链
 
打开毫米波雷达的硬件结构,主要零组件包括发射器、接收器、讯号处理器、电路板以及天线等等。除了硬件的组成外,毫米波雷达如何透过算法,来取得分析结果,也是一门很大的学问。
 
在了解雷达的基本构造后,接下来我们来看看全球汽车毫米波雷达的产业链,从上游的芯片、电路板开始,再到中游的车用电子系统厂,最后再到下游的车厂,市场分布状况可参考下图。
 
a.上游:芯片厂

 
毫米波雷达的核心芯片主要来自于国际大厂,这几年不少IC厂商推出毫米波雷达SOC芯片,将微控制器(MCU)、数字信号处理器(DSP)、讯号放大器及负责收发雷达波的射频芯片全部整合在在单一芯片上,例如NXP的77GHz SOC感测芯片、Infineon的79 GHz SOC感测芯片等。
 
以市场占有率来看,目前国际市场主要被恩智浦(NXP)、英飞凌(infineon)、德州仪器(TI)等芯片设计公司占据。
 
b. 中游:车用电子系统厂
 
至于中游的毫米波雷达市场,几乎被奥托立夫(Autoliv)、博世(Bosch)、大陆集团(Continental)、德尔福(Delphi)、天合汽车集团(TRW)、法雷奥(Valeo)、海拉(Hella)、电装(Denso)、富士通(Fujitsu)等国际厂商垄断。
 
若以中国的毫米波雷达市场占有率来看,24GHz雷达市场主要由博世(Bosch)、法雷奥(Valeo)、海拉(Hella)所主导,合计市场占有率60%以上;77GHz雷达主要由博世(Bosch)、大陆集团(Continental)和德尔福(Delphi)主导,合计市场占有率更是高达80%。
 
台湾地区也不乏发展汽车毫米波雷达系统之厂商,例如启碁电子(6285)、为升科技(2231)、明泰科技(3380)等,皆陆续出货24GHz毫米波雷达,至于77GHz产品则多处于客户验证的阶段。此外,其他厂商包括辉创科技、同致电子(3552)等公司,亦积极发展毫米波雷达。
 
c.下游:车厂

 
为了实现ADAS的各项功能,一台车至少需要「1长」+「4中短」,共5个毫米波雷达。因此,目前像是BMW、Benz、Audi、Toyota、Ford,甚至是电动车大厂Tesla、小鹏汽车都在其车款中,配置多个毫米波雷达。
 
四、3个新创的机会点
 
以24GHz的毫米波雷达来看,除了市场拥挤外,国际Tier 1大厂在技术上也已深耕许久,新创公司较难以进入。不过,由于这些Tier 1的售价居高不下,且市场板块也渐渐迈向77GHz、79GHz等频段,使得新创公司有一个不错的机会点,可以从提升精度、降低成本来努力。
 
另外,在目前各类型的雷达各有优缺下,结合摄影机、毫米波雷达、光达等多合一功能的传感器也逐渐兴起。例如,AEye开发的iDAR传感器,不仅做到降低成本,也同时提供相机与光达组合的性能,不仅辨识范围高达300米,也具备相机辨识颜色与交通号志的特性。
 
最后,一般来说,传统车厂基于技术可靠度,其实不大敢用新创公司的产品。若硬要跟这些车厂周旋,也往往旷日费时,有时一不小心就榨干了新创公司的资源。其实,除了车用市场外,毫米波雷达也开始扩展到其他新兴领域,值得新创观察。
 
例如,24GHz毫米波雷达就广泛地用于智能家居、智能开门系统、工业机器人等等。60GHz雷达除了上述应用外,也适合做一些生命特征感测,用以侦测心跳及呼吸。甚至,毫米波雷达也可整进智能音箱,透过侦测使用者的远近、手势变化,来实现人机互动。相较于车用市场,这些应用进入门坎较低,也是新创公司的另一个机会点。










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