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智能汽车行业产业研究系列(五):毫米波雷达优势明显核心壁垒是芯片、天线阵列、波形设计-240205(67页).pdf

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智能汽车行业产业研究系列(五):毫米波雷达优势明显核心壁垒是芯片、天线阵列、波形设计-240205(67页).pdf

1、12010203043/CONTENTS0102030405070640151.161.1按射频频率分为超视距雷达、微波雷达、毫米波雷达和激光雷达。射频频率不同,电磁波传播速度均为光速,频率高则波长短。使用110mm的电磁波,工作在30-300GHz频段。主要用于探测,具备在恶劣天气中工作的特性。利用激光束搭载信息,工作在光频段(301000THz)。它用于精确获得三维位置信息,能确定物体的位置、大小、外部形貌以及材质。测距(最远距离、测距精度、测距分辨率)、测速(最大速度、速度精度、速度分辨率)、测方位角(视场角、角度精度、角度分辨率)、测俯仰角(视场角、角度精度、角度分辨率)。另外毫米波雷

2、达有一个核心亮点是带宽;激光雷达则是一个可以全面反映激光雷达感知能力的综合指标“点频”。毫米波雷达适用于远距离、恶劣天气,成本较低。激光雷达精度高,精确定位建模,但在恶劣天气中效果较差,成本较高。724GHz60GHz77GHz79GHz1.177GHz24GHz77GHz35cmFCW)FCW)AEBAEB)ACC)ACC)100-200m24G1/3800MHz)24GHz24GHz24GHzBSD)LCA)15015-30m);250MHz)77GHz24GHz77GHz 79GHz60GHz5mm60GHz81.15360,w250m(ADAS)300 L14-81-31-306-14

3、L28-123-111-3014-26L38-123-115-7117-34L48-123-115-7218-35L58-123-115-7420-3791.1 根据电磁波的发射和接收时间延时计算得到雷达到目标的距离。d r e s=c/2 B r e s 2/N(rad)根据多普勒效应跟踪目标微积分计算得到目标的相对速度。雷达的速度分辨率:v r e s=/(2NTc)=/(2Tf)波长越短,一帧的时间越长雷达的速度分辨率越高。FMCW101.113015110 60()150111.2MMICSiGeGaAsCMOSDSP+FPGA4D202150%4D121.2FMCW131.20.14

4、D1550nm FMCW4D141.2 上游元器材的采购成本在雷达生产总成本的占比超过。是影响产业链价格的关键因素。其中射频前端组件在硬件成本中占比,数字信号处理器占比,高频板占比,控制占比,其他材料占。射频前端组件:是毫米波雷达的核心射频部分,包括发射器、接收器等 部分,通过单片集成化,实现调制、发射、接收和解调毫米波信号。技术目前主流,但随小型化需求增长,工艺逐渐成为主流技术,国内企业如加特兰微、岸达科技等已推出量产产品。数字信号处理器:和是毫米波雷达的核心部件,占据硬件成本的左右。高端和芯片主要由国外企业供应,如、英飞凌、赛灵思等。高频板:天线是毫米波雷达关键设计组件,通过高频板实现微带

5、列阵方式,提高产品精度。国际生产企业如罗杰斯、松下电工等供应高频。国内生产企业为生益科技,市场化程度较低。控制电路:控制电路是毫米波雷达实现主动控制的最后一环,包含报警显示系统和启动制动系统,占据总生产成本的。151.2 毫米波雷达中游企业:雷达方案供应商完成雷达系统设计、天线设计和后端算法开发,提供毫米波雷达方案模块或整机产品。方案集成商基于毫米波雷达技术,为各应用领域提供智能集成方案,如汽车tier 1供应商和智能交通方案集成商。市场格局:目前,国际企业如博世、大陆、安波福在中国毫米波雷达中游市场占主导地位。中国本土企业如木牛科技、森思泰克、华域电子、华为、承泰科技在汽车雷达领域实现量产,

6、加速国产化替代。智能交通领域中游企业主要有慧尔视、海康智联、大华股份、象德信息、宇视科技、木牛科技、雷森电子。智能家居雷达市场已初步形成,参与者包括云帆瑞达、迈睿智能、电目科技、精益远达、全耀传感、易探科技、速数智能。智慧康养领域中游企业有清雷科技、兆观科技、德心智能、苗米科技、英特睿达、知谱科技、算丰征途。161.2171.276-77GHz2013MRRLRR2477GHz77GHz24GHz200424GHZ2477 GHz24GHZ77GHz2477 GHz24GHz77GHz247779GHz201977GHzHS577GHz7779GHz77GHz79GHz181.320252.4

7、4D1CMOS 1 MMIC 1 BBIC CMOS SiGe 40%MMIC 36%18%70%277GHz 377GHz 24GHz77GHz 20252432.1050010001500200025002021202220232024E2025E3D3D4D0%10%20%30%40%50%60%05001000150020002500300020202021202220232024E2025E%2021-202562%1972630501001502002503002019202319MMIC PCB 1.3MMICInfineon(TINXP(STADIPCBRogers(Isola

8、Schweizer(19.74%MCUInfineon(TINXP(STADIMCW 2002212.1 毫米波雷达的主要硬件为:射频芯片(MMIC)、微带贴片天线、数字信号处理器(DSP/FPGA)、PCB基板及控制电路等。MMIC芯片(单片微波集成电路)是在半绝缘半导体衬底上用一系列的半导体工艺方法制造出无源和有源元器件,并连接起来构成应用于微波、毫米波频段的功能电路,负责毫米波信号的调制、发射、接收以及回波信号的解调,成本占比超过50%,是车载雷达的核心。50%20%10%20%MMICPCBDSP/FPGAMMIC50%22MMIC2.1 全集成毫米波雷达芯片的基本架构包括发射机、接收

9、机、雷达信号源等射频毫米波组件,中频处理、A/D转换等基带处理模拟组件,微控制器、数字信号处理等数字组件。毫米波雷达的设计难点集中在高功率宽带发射机、高灵敏度宽带接收机、高精度雷达信号源等方面,因此,毫米波雷达芯片中毫米波阻抗匹配技术、输出功率提高技术和相控阵技术成为衡量重要性能衡量标准。毫米波阻抗匹配技术毫米波阻抗匹配技术毫米波放大器的工作带宽毫米波放大器的工作带宽分布式结构和多级放大器结构分布式结构和多级放大器结构 输出功率提高技术输出功率提高技术 移相器技术移相器技术23MMIC2.14DMIMO+方案具体介绍核心组件优势现有问题厂商级联将芯片通过二级联/四级联/八级联增加实体天线MIM

10、O英飞凌、TI、NXP等公司的MMIC芯片前期开发难度低、上市周期较短体积大、成本高、多芯片同时运算功耗高、中频同步的技术难题、良品率瓶颈博世、木牛科技、采埃孚、Waymo、华为级联+虚拟孔径成像技术+集成芯片在级联的方式上通过独特的虚拟孔径成像软件算法和天线设计做成高倍效虚拟MIMO独特的虚拟孔径成像,软件算法和天线设计提供虚拟MIMO解決方案、成本控制较易、天线数量可实现倍增天线的布局规划、波形和后续的效据处理傲酷、几何伙伴等集成芯片将多发多收天线集中在一颗芯片中,形成的ASIC芯片ASIC芯片以及与之配套的算法体积小、每通道成本较低的同时实现先进的射频性能天线布局规划以及相互干扰问题的处

11、理、散热问题、信噪比提升、算法固化问题Arbe.、Uhnder、Vayaar等24MMICSiGeCMOS2.1 SiGe MMICSiGeCMOSSiGe1MMICMCUDSP2CMOSSiGe40%CMOS AiPSiGeMMICCMOSCMOSMMICMMIC类型GaAsSiGeCMOS时间1990-20092009至今2017至今速度超快快快故障高中低功率增益非常好好一般温度控制好好差逻辑密度非常低高频PCB板非常高相对成本10.50.3前端射频芯片需要量7-8颗2-5颗仅1颗前端射频芯片成本占比40%左右36%18%2577GHz2.1 从毫米波雷达芯片国内外企业的市场占有率来看,目

12、前国际市场主要被恩智浦(NXP)、英飞凌、德州仪器(TI)等芯片设计公司占据,代表厂商有得捷电子、富士通、飞思卡尔、英飞凌、安森美、恩智浦、意法半导体、瑞萨电子等。24GHz 国产化率较高,77GHz 仅部分国产玩家实现量产。目前,我国大量研究机构和企业都在努力开发雷达传感器用芯片技术,并且已经有了一些重大突破,国产替代进口的实现指日可待。24Hz77Hz单位最新进度东南大学毫米波国家重点实验室已完成8mm波段混频器、倍频器、开关、放大器等单功能芯片的研制,正在开展单片接收/发射前端的设计与研制意行半导体已实现77GHz的MMIC芯片量产和供货加特兰微电子已发布77GHz CMOS车载毫米波雷

13、达收发芯片杭州岸达科技已发布77GHz CMOS毫米波雷达芯片ADT2001,是全球首款基于CMOS工艺,采用相控阵系统架构,单颗芯片集成16通道的车载77GHz CMOS毫米波雷达芯片。润积电已推出77GHz毫米波雷达芯片RF77TR34,采用RFCMOS工艺,集成了收发机(3T4R)、PLL、VCO等,已实现量产和供货矽典微电子、矽杰微、岸达科技、微度芯创、旷时科技已实现或已推出量产77GHz毫米波雷达芯片产品77Hz26DSP+FPGA2.2 DSPFPGAFPGADSPFPGADSP+FPGA4DARS540Zynq UltraScale+MPSoCFPGADSPFFTARS5401D

14、SP+FPGA4D27SoC2.3 SoCMMICDSPMCUSoCSoCSoCCPUAutomotive SPICESoCSoCCMOS+AiP+SOCGaAs15%2803293 3.1SRR)g/2ARSPCB30PCB3.1PCB1/4PCB30200m60100m12030m31AOP3.2Antenna on package From ASE technologyVR/ARPCB32AiP3.2 AoBPCBAoBPCBPCB AiP MMICPCBAiPAiPTIAiPAiPAiPPCB30%333.3ADAS196m仿真模拟模型例子详解POI200MHz7677GHz0.2KP

15、OIDF1DF2-196mADAS11%3404354.112TX 3RX 4RX TX IF12FMCW ADCDFTCFAR CFARCFAR ADCDFTCFAR1PointNet/PointNet+2CNN2DFFT3DFFT3624GHz60GHz77GHz4.1 行波阵列由于接了负载,从馈电端口进入天线的幅度是不断衰减的,且最后剩余的功率会被负载完全吸收,从而降低辐射效率。同时阵元之间的渐进相位累积会使得天线最大辐射方向产生偏转,和法线形成一定夹角,当工作频率变化时,夹角也随着变化,实现频扫功能。阵元由微带传输线连接,且终端开路。对阵元做不同程度的分布锥削就能实现特定旁瓣电平的辐射

16、性能。由于每个阵列单元的相位相同,同相辐射的情况下方向图是不会产生偏转的。通常谐振式阵列的带宽很窄,且增益强度正比于阵列单元数量,因此要增强天线增益应该增加阵元数量,对于带宽,可以从基材高度、阵列单元着手。60G3D2D77G 374.1:从馈源发射的电磁波的幅度向负载衰减,其中少量剩余功率被匹配负载吸收。行波和辐射缝隙之间的耦合朝着负载方向增加,使得来自阵列的后半部分的辐射强度与来自前半部分的辐射强度相当。这些缝隙间隔开,使得相邻缝隙之间存在渐进的相移。随着工作频率的变化,主瓣方向发射偏转,也是一种频扫天线。由于波导末端以短路终止,因此叠加反射波,将在波导内形成驻波,并且缝隙的中心处具有相同

17、的场最大值。每个缝隙的辐射相位在中心频率处是相同的。384.2CWPDR39LFMCW4.2 FMCWLFMCWLFMCW40FMCWLFM+FSK4.2FMCWRf1f2FMCWAB,ABMFSKAB41FMCW4.2FMCWfs FMCIWACCFMCW42LFMCW4.2DChirpTpKChirpNChirpfdfr1D FFT FFT2D FFTFFT4305444D5.1TI IWR68434D454D5.1 4D4Dz4D4DArbe4DPhoenix5-104D4D3D464D20245.1 4D4D500-10005003D202430%-40%4D4DNOA4DL34D4D

18、L3 4D4D 4DNOAL32024 4D4D3D20244D474D5.14D4D16/32/6496/128/1440.10.24D11.52 4D4D4D4D484D5.22RADIalFFT-RadNet-3D-FFTRadNet21AstyxAstyx4D3D3D3K-RadarKAISTK-Radar35K4D4DRT3DK-Radar4DRTstereoRTK-GPS4TJ4DRadSet4D7757443DIDTJ4DRadSet4D3DGNSS494D5.2 为计算旋转矩阵,需要输入以下信息:在全局坐标中自我车辆的瞬时纵向速度vGego;雷达测得的探测点的多普勒速度vD、方

19、位角(m)和仰角(m)。灰色实心圆是 EVC 原点的轨迹,灰色虚线圆是刚性安装在车辆上的雷达的轨迹。雷达的安装位置决定了其轨迹半径。为了计算平移矢量,需要输入以下信息:车辆的瞬时纵向速度 vego和偏航率 z;雷达测得的探测点的多普勒速度 vD、方位角(m)和仰角(m);雷达的方位角(R)和仰角(R)估计旋转矩阵估计平移矢量 RC 中每个探测点的速度vRP与雷达测得的该点的多普勒速度 vD及其从雷达指向探测点的视线(LOS)单位向量 sLOS有关,对于多重探测,LOS 矩阵 N 可以写成左图vRP,est形式。至少需要3次探测才能求解方程。已知vVP和vRP,est,方程中的旋转矩阵 R 可通

20、过Kabsch 算法求解,然后可根据 R 计算出雷达的安装角。得到多普勒速度与 m 和m 的函数关系的最终方程,通过最小化最小平方成本函数得以解决并且 rR=c1,0=c2。504DCFAR5.2 采集含有噪声的背景数据。采集样本数据评估噪声分布 采用距离维数和速度维数数据方差作为测量数据离散度的有效方法,评估RDM矩阵中移动目标区域噪声功率幅值的分布。拟合有效数据 假设雷达噪声分布满足瑞利分布,DM中的非零多普勒细胞通过MATLAB分布拟合工具箱进行采样处理,然后拟合数据和瑞利曲线514D5.3TITI19MIMO(Multiple-input multiple-output)1216MIM

21、O121921.418ArbeArbe48482304ArbeTITIArbeUhnderPMCWUhnderPMCW19ISSCC1Uhnder1216FMCWADC2Gs/sUhnderUhnder524D5.300.10.20.30.40.50.6020040060080010001200140016004D24GHz77GHz2025E5 4D500-10005003D202430%-40%2025%535.320228624.6%202177GHz24GHz0501001502002502018201920202021202220232024E 2025E 2026E2018-202

22、6(:)0100020003000400050002018201920202021202220232024E 2025E 2026E24GHz77GHz2018-2026(:)545.32022923492.3%7.7%19.2%78.2%2.6%2022923420202880%20152019-202250%870%2022555.32018(GHz)247724GHz77GHzRPIWHSTANNGIC24777924247724GHZ77GHz7779ERAE77GHz77GHz24777977GHzHS5247777GHzTier 1OFweek201868%565.3569.8%2

23、022202023.3%575.4202270%93%2023L331%2%11%9%20%35%51%24%11%0%20%40%60%20222023L1L2L3L4585.4是各类型传感器的性能互补,适应不同场景的传感器应用。L2以下级别:主要由驾驶者掌控,几个传感器的冗余足以满足基本需求。L3及以上级别:需要完成特定情况下的完全自动驾驶,因此增加冗余以提高安全性和降低事故率。主要通过雷达感知和视觉感知两大方向来实现。摄像头在黑暗环境中感知受限,精度和安全性下降。超声波雷达:超声波雷达:主要应用于倒车辅助场景,但受限于作用距离短和传送速度慢;毫米波雷达:毫米波雷达:目前是自动驾驶的核心传

24、感器,具有探测距离远、抗恶劣天气干扰能力强的特点,广泛应用于自动跟车、变道辅助、自适应巡航、紧急制动等L1-L2级别的重要功能;激光雷达:激光雷达:成本最高,但在实现高精度功能如3D环境实时建模方面起到关键作用,为L3及以上级别提供更高精度的感知能力。5906606.1数据来源:氪产业创新,木牛科技官网,国泰君安证券研究77GHz RFCMOS FMCW L2/L3ADASAEBFCWACC220K77 K77 T79 T79 76-79GHz RFCMOS UDSOTAL2/L3ADASBSDLCADOWRCWF/RCTARCTB3601303616.22022180011520600405

25、02024数据来源:木牛科技官网,国泰君安证券研究624D6.33D4D,数据来源:科学中国,盖世汽车,国泰君安证券研究3D/3.5D4D3D/3.5D/4D/3D/3.5D4DFree SpaceSLAM634D6.320182,;,数据来源:科学中国、高工智能汽车,国泰君安证券研究4DI79644D6.4数据来源:雷达学报,国泰君安证券研究4DMIMOtime division multiple accessTDMAfrequency division multiple accessFDMADoppler division multiple accessDDMAcode division multiple accessCDMATDMACDMADDMA650766风险提示07 新能源车场景落地不及预期,政策变动,产品研发不及预期等。67

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