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77GHz车载毫米波雷达传感器
来源:汽车电器  作者:佚名  2018-01-06 09:03:24



      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卜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‘。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。

    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(FreescaleSemiconductor) 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。

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