2023年車載毫米波雷達(dá)行業(yè)研究 毫米波雷達(dá)能夠全天候工作

2023年車載毫米波雷達(dá)行業(yè)研究毫米波雷達(dá)能夠全天候工作01毫米波雷達(dá)與其它車載傳感器互補(bǔ)，研發(fā)及量產(chǎn)門檻較高毫米波雷達(dá)是一種以波長位于1-10mm、頻率在30-300GHz的電磁波作為放射波的雷達(dá)傳感器。毫米波雷達(dá)利用毫米波波束進(jìn)行工作。①檢測障礙物時(shí)：直接通過有無回波確認(rèn)；②測距時(shí)：通過波束的飛行時(shí)間（TOF）計(jì)算距離；③測速時(shí)：利用多普勒效應(yīng)或通過跟蹤障礙物位置并進(jìn)行微分得到速度；④測方位時(shí)：通過有向天線或天線陣列與陣列算法將波束收窄進(jìn)行方位測量。毫米波雷達(dá)工作流程涉及信號發(fā)射、接收以及解讀：由芯片控制天線發(fā)射一定頻率的毫米波電磁波，電磁波碰到障礙物后反射回來并被天線接收，數(shù)字信號處理模塊對接收到的電磁波信號進(jìn)行處理，通過算法計(jì)算出障礙物的距離、速度和方向等信息。車載領(lǐng)域?yàn)楫?dāng)前毫米波雷達(dá)最大的應(yīng)用場景，主要用于輔助駕駛和座艙監(jiān)控。2022年中國毫米波雷達(dá)市場中，車載毫米波雷達(dá)占比達(dá)26%。作為輔助駕駛傳感器的重要組成部分，毫米波雷達(dá)已大量應(yīng)用于輔助駕駛系統(tǒng)中作為前向雷達(dá)。而隨著毫米波雷達(dá)成本不斷降低、性能的不斷提升，毫米波雷達(dá)搭載位置正從傳統(tǒng)的前向向四角、后向、側(cè)向等位置延展，以實(shí)現(xiàn)盲區(qū)檢測、自動(dòng)泊車、后碰撞預(yù)警等更高階、更豐富的輔助駕駛功能；在近年座艙智能化的風(fēng)潮下，毫米波雷達(dá)正加速應(yīng)用于座艙內(nèi)兒童遺留檢測、手勢識(shí)別等領(lǐng)域。除車載領(lǐng)域外，毫米波雷達(dá)亦廣泛應(yīng)用于智慧交通、安防監(jiān)控以及智能家居等場景。如在智能家居場景中，毫米波雷達(dá)相較攝像頭在滿足智能控制功能基礎(chǔ)上能提供更好的私密性。在健康監(jiān)護(hù)中，毫米波雷達(dá)能夠以非接觸、無感的形式檢測心跳。第一，毫米波雷達(dá)能夠全天候工作，提升智能駕駛穩(wěn)定性：相較于攝像頭和激光雷達(dá)受氣候影響較大，容易受雨雪霧等不良天氣影響。毫米波由于具有優(yōu)秀的穿透性使毫米波雷達(dá)是主流車載傳感器中唯一可在惡劣天氣下工作的，能夠確保在極端環(huán)境下車載感知系統(tǒng)持續(xù)工作。第二，毫米波雷達(dá)具有較遠(yuǎn)的探測距離：超聲波雷達(dá)使用超聲波信號并根據(jù)該信號發(fā)出與返回的時(shí)間差計(jì)算與障礙物之間的距離，雖其精度可以達(dá)到毫米級且成本低廉，但探測距離僅為15-500cm，因而僅用于短距離測量。傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)探測距離可達(dá)150-200m，新一代4D毫米波雷達(dá)如安波福FLR7的最大測距普遍達(dá)到了300m級別，能較好地滿足遠(yuǎn)處障礙物的探測。第三，毫米波雷達(dá)更易小型化，符合車載對體積的嚴(yán)苛要求：和微波相比，毫米波頻率更高，波長短，因此元器件尺寸要小得多，上車裝配靈活度大。毫米波雷達(dá)芯片需要做到高精度、高功率、高靈敏度，研發(fā)的難點(diǎn)涉及毫米波放大器抗阻匹配、輸出功率提高、相控陣等技術(shù)。毫米波放大器抗阻匹配：為了實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號源的高精度，需要提高毫米波放大器的工作帶寬，但同時(shí)將會(huì)帶來芯片的功耗上升、面積增大等問題。輸出功率的提高：提高寬帶發(fā)射機(jī)的功率一般采用晶體管堆疊或多路功率合成技術(shù)，核心難點(diǎn)在于如何選擇晶體管的并聯(lián)個(gè)數(shù)以及堆疊個(gè)數(shù)。相控陣技術(shù)：相控陣技術(shù)的采用可實(shí)現(xiàn)寬帶接收機(jī)的高靈敏度，該技術(shù)主要關(guān)注毫米波移相器的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)需考慮移相范圍、移相精度和誤差等問題，同時(shí)兼顧對相控陣芯片的信噪比、功耗、線性度的影響。毫米波雷達(dá)上車需在探測精度問題，頻率、發(fā)射功率等層面合相關(guān)車規(guī)驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)。車規(guī)級芯片在設(shè)計(jì)、開發(fā)、生產(chǎn)和測試階段要求更高，開發(fā)周期更長。車規(guī)級元件對環(huán)境要求、抗振動(dòng)沖擊、可靠性和一致性等方面要求嚴(yán)格，如毫米波抗干擾的電子兼容性EMC測試通過難度大。要求雷達(dá)及芯片廠商與Tier-1或主機(jī)廠緊密配合，對廠商下游需求理解、下游資源關(guān)系有較高要求。在對接與后續(xù)供貨階段，下游客戶對雷達(dá)及芯片廠商供應(yīng)鏈能力、持續(xù)供貨能力和服務(wù)能力亦有要求。主機(jī)廠對產(chǎn)品供應(yīng)穩(wěn)定性要求較高，同時(shí)由于國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)起步較晚、積累不足，下游客戶在需求對接階段往往需要雷達(dá)及芯片廠商提供從硬件設(shè)計(jì)參考、完整的信號處理算法軟件包、配備專業(yè)的應(yīng)用到現(xiàn)場支持等全面的支持服務(wù)，因而對廠商全面服務(wù)能力具有較高要求。02“CMOS+AiP+SoC”與4D毫米波雷達(dá)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)越過大規(guī)模發(fā)展臨界點(diǎn)MMIC芯片工藝經(jīng)GaAs、SiGe已發(fā)展至CMOS時(shí)代，CMOSMMIC具有更低成本、更高集成度的優(yōu)勢。工藝的主要變化發(fā)生在MMIC芯片的射頻材料部分，目前SiGe仍為主流工藝。SiGe雖在高頻特性、導(dǎo)熱性等方面據(jù)有優(yōu)勢，但SiGeMMIC大多為分立式，造成雷達(dá)整體體積較大使其應(yīng)用前景受到限制，同時(shí)相較集成度更高的CMOSMMIC在成本、尺寸和研發(fā)周期上占劣勢，未來將逐步被CMOS工藝所替代。CMOSMMIC集成度更高，帶來成本、體積和研發(fā)周期的優(yōu)勢。CMOS晶圓的低價(jià)、CMOS工藝在大規(guī)模生產(chǎn)上的成本優(yōu)勢，基于CMOS工藝的MMIC占系統(tǒng)總成本比重相較SiGe的36%下降至18%，結(jié)合SoC。受益于更高集成度，CMOS工藝的毫米波雷達(dá)體積進(jìn)一步縮小、雷達(dá)適配性更好，同時(shí)前端射頻芯片需要量從AsGa和SiGe的7-8顆、2-5顆降低至1顆，雷達(dá)模塊設(shè)計(jì)復(fù)雜度和難度大幅降低，從而使研發(fā)周期縮短。AoB（AntennaonBoard，板載天線）將天線以及電源管理電路、閃存等集成在PCB基板上，AoB方案中的天線放置在高頻PCB基板材料上，增加了PCB的成本和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，因而成本較高。AoB是當(dāng)前前向毫米波雷達(dá)的主流天線設(shè)計(jì)方案。AiP（AntennainPackage，封裝天線）是將收發(fā)天線、MMIC芯片以及雷達(dá)專用處理芯片集成在同一封裝內(nèi)，是將毫米波雷達(dá)向更高集成化推進(jìn)的技術(shù)方案。由于整體面積大幅縮小且繞過高頻PCB材料需求，AiP技術(shù)帶動(dòng)體積更小、成本更低的毫米波雷達(dá)誕生。同時(shí)更緊湊集成化的設(shè)計(jì)使芯片到天線的路徑更短，帶來更低功耗和更高效率，但因使用小型天線將導(dǎo)致雷達(dá)探測距離以及角分辨率下降。在毫米波雷達(dá)CMOS工藝、AiP封裝技術(shù)走向成熟并大量應(yīng)用的背景下，毫米波雷達(dá)已逐步從不同模塊分立向模塊高度集成的“毫米波雷達(dá)SoC”形態(tài)進(jìn)化。毫米波雷達(dá)SoC技術(shù)將收發(fā)模塊（MMIC、RF）和處理模塊（DSP、MCU）集成于同一塊芯片中，充分滿足汽車及IoT行業(yè)對于整體小型化、集成化要求，是毫米波雷達(dá)產(chǎn)品形態(tài)的一次巨大提升，并使產(chǎn)品的平臺(tái)化、系列化發(fā)展和下游模組研發(fā)變得更容易。4D毫米波雷達(dá)通過增加虛擬通道數(shù)在輸出信息數(shù)量以及質(zhì)量上有所提升，克服傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)短板。數(shù)量上：4D毫米波雷達(dá)能夠輸出z維度的信息，進(jìn)行靜物識(shí)別。傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)無法獲得高度信息，使用時(shí)會(huì)發(fā)生靜物誤識(shí)別、漏識(shí)別等問題，造成“幽靈剎車”或是車禍撞擊，4D毫米波雷達(dá)通過增加虛擬通道的數(shù)量實(shí)現(xiàn)俯仰角度的測量，用立體化的測量信息彌補(bǔ)缺陷；質(zhì)量上：虛擬通道數(shù)量的增加使得4D毫米波雷達(dá)輸出距離、速度和角度信息的分辨率大幅提升。以以色列毫米波雷達(dá)公司Arbe的4D毫米波雷達(dá)產(chǎn)品Phoenix為例，其水平分辨率較傳統(tǒng)產(chǎn)品提升了5-10倍。4D毫米波點(diǎn)云相較傳統(tǒng)毫米波能形成更多、更豐富的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，一定程度上具備成像功能，或在中低端場景成為激光雷達(dá)的平替，因而具備更加廣闊的應(yīng)用空間。03自動(dòng)駕駛、與外延場景需求快速增長打開市場空間純視覺自動(dòng)駕駛路線是通過以光學(xué)攝像頭為傳感器結(jié)合大量算法訓(xùn)練以模擬人類視覺駕駛為邏輯的自動(dòng)駕駛方案。純視覺方案“輕硬件、重軟件”，由于其采用的攝像頭成本較低，純視覺方案的整體硬件成本較低。多傳感器融合自動(dòng)駕駛路線的原理是通過多種類型傳感器共同收集路況信息和數(shù)據(jù)，并通過算法自動(dòng)分析和綜合完成自動(dòng)駕駛決策的方案。多傳感器融合路線能夠集合不同傳感器的優(yōu)點(diǎn)，對艙外路況的情況掌握更加全面，但由于使用種類和數(shù)量較多的傳感器，因而硬件成本較純視覺方案高。國內(nèi)毫米波雷達(dá)迎來“裝配車輛整體規(guī)?！焙汀皢诬嚧钶d量”的同步增長，需求基礎(chǔ)的不斷增長使得毫米波雷達(dá)及芯片市場空間不斷打開。一方面，在主機(jī)廠推出的新款車型中，輔助駕駛功能逐步成為標(biāo)配并帶來搭載毫米波雷達(dá)汽車整體規(guī)模增長。2022年中國乘用車搭載毫米波雷達(dá)車型銷量達(dá)867萬輛，相較2021年711.5萬輛同比增長21.9%，未搭載毫米波雷達(dá)的車型銷量則同比下降15.0%；2022年1-9月內(nèi)推出的新款車型中，未配備毫米波雷達(dá)的車型占比從2021年的59.7%下降至46.5%，搭載毫米波雷達(dá)成為趨勢。另一方面，在全球L2及以上級別自動(dòng)駕駛加速滲透背景下，毫米波雷達(dá)單車搭載量增長空間巨大。當(dāng)前上車的毫米波雷達(dá)主要為前向雷達(dá)，通過一顆前向毫米波雷達(dá)探測前方車距以及角度，用于完成自主緊急制動(dòng)和自適應(yīng)巡航控制的中遠(yuǎn)程雷達(dá)應(yīng)用。在L2+及以上自動(dòng)駕駛中，如變道輔助、碰撞預(yù)警等更高階的自動(dòng)駕駛功能離不開毫米波雷達(dá)支持，除前向外，后向、角、側(cè)向、艙內(nèi)等都將成為毫米波雷達(dá)配備的新位置。單車毫米波雷達(dá)搭載情況將不僅發(fā)生“從無到有”的變化，更將不斷從0-1發(fā)展階段向1-10的階段加速邁進(jìn)，為毫米波雷達(dá)打開更廣闊的需求空間；根據(jù)佐思汽研的數(shù)據(jù)，2022年搭載3顆、4顆、5顆和6顆毫米波雷達(dá)的銷量增速分別達(dá)到44%、87%、108%和43%。2020-2022年由新冠與地緣政治黑天鵝事件導(dǎo)致全球汽車產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷“缺芯”危機(jī)。配備高階輔助駕駛功能的智能汽車搭載的芯片數(shù)量相對傳統(tǒng)燃油車和低等級輔助駕駛汽車已大幅增加。但反復(fù)帶來全球芯片產(chǎn)能和運(yùn)力不足、俄烏沖突等地緣政治黑天鵝事件以及在此背景下主機(jī)廠/TierOne采取“飽和時(shí)訂購”的策略導(dǎo)致過去3年內(nèi)汽車芯片供需失衡放大，汽車芯片平均交付周期從爆發(fā)時(shí)的12周攀升至頂峰時(shí)的27.1周。國內(nèi)汽車產(chǎn)能面臨巨大壓力，來自海外的汽車芯片供應(yīng)鏈?zhǔn)艿娇简?yàn)。同時(shí)，從中美科技競爭的中長期視角看，培育獨(dú)立、穩(wěn)定的本土供應(yīng)鏈對于國產(chǎn)主機(jī)廠而言亦具有較強(qiáng)動(dòng)力和緊迫性。座艙內(nèi)的毫米波雷達(dá)將成應(yīng)用新熱點(diǎn)。智能座艙已成為智能汽車未來競爭的熱點(diǎn)之一，安裝在座艙車頂?shù)暮撩撞ɡ走_(dá)能夠進(jìn)行全區(qū)域、全目標(biāo)的探測識(shí)別，且不受遮擋物影響。在毫米波雷達(dá)技術(shù)迭代驅(qū)動(dòng)成本下降的背景下，小型化、低成本、私密性更好的座艙內(nèi)毫米波雷達(dá)存在大量潛在需求。近年來，車內(nèi)乘員感知監(jiān)控系統(tǒng)（OMS）重視度不斷提升。如EuroNCAP已將對兒童車內(nèi)遺留檢測（ChildPresenceDetection）納入打分系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)要求檢測出獨(dú)自留在車內(nèi)的孩子