【導讀】雷達系統(tǒng)通常與飛機等軍事項目有關，但是它們如今已迅速進入包括商用汽車在內的民用領域。作為高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）電子設備的一部分，毫米波（mmWave）雷達系統(tǒng)正在集成到新車輛中，以提供更安全的駕駛體驗。
雷達系統(tǒng)通常與飛機等軍事項目有關，但是它們如今已迅速進入包括商用汽車在內的民用領域。作為高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）電子設備的一部分，毫米波（mmWave）雷達系統(tǒng)正在集成到新車輛中，以提供更安全的駕駛體驗。完全自動駕駛的“自動駕駛”汽車可能還有數年之遙，而盲點檢測和避免碰撞等ADAS功能現(xiàn)在可以保護駕駛員。低功率，高頻雷達檢測對于實現(xiàn)所有目標檢測至關重要，最終可以創(chuàng)造更安全的駕駛體驗。
毫米波雷達技術，激光雷達技術以及攝像頭，是提高ADAS功能的三項重要傳感器技術。汽車雷達頻率主要依然集中在24 GHz，但是77 GHz才是如今各大廠商重點關注的技術。正在推出基于毫米波頻率上的調頻連續(xù)波（FMCW）雷達集成電路（IC）。雷達可以區(qū)分靜止目標和運動目標，并同時檢測多個目標，甚至可以通過其多普勒頻移計算出被檢測車輛的相對速度。
在白天和黑夜的各種光照和天氣條件下，以及在很寬的溫度范圍內，雷達都能以穩(wěn)定的精度運行。 ADAS處理器進行的傳感器融合可以使用來自三種類型傳感器的數據來創(chuàng)建檢測到的目標的3D圖像。傳感器融合技術的發(fā)展，尤其是在兩個頻率范圍內利用雷達，正在為產生基于4D雷達的數據掃清道路，這些數據可用于未來自動駕駛控制所需的目標范圍，角度，速度和仰角。
ADAS的雷達接收器、發(fā)射器和收發(fā)器通常使用硅鍺（SiGe）或硅（Si） BiCMOS等高頻/高速半導體技術實現(xiàn)高度集成的單片微波集成電路（MMIC）。MMIC通常支持模塊化功能，具有用于發(fā)送和接收功能的單獨MMIC，或者作為收發(fā)器，每個芯片具有單個或多個發(fā)送和接收通道。
無論是在24 GHz或77 GHz頻率下，ADAS雷達電路和系統(tǒng)設計人員都可以將主要的系統(tǒng)功能模塊（例如微處理器，數字信號處理（DSP）和電源）封裝在同一個IC中，以節(jié)省空間。中央ADAS處理器通過將雷達數據與LiDAR和相機成像數據相結合來進行傳感器融合，以創(chuàng)建360度的圖像。
1.配備ADAS的車輛依靠來自雷達，LiDAR和基于攝像頭的系統(tǒng)的傳感器數據融合來創(chuàng)建360度角。目標檢測領域。 （由Xilinx提供）
ADAS 毫米波雷達的MMIC適用于24 GHz和77 GHz的短程雷達（SRR），可檢測約20 m，中程雷達（MRR）約60 m，遠距離雷達（LRR）約200 m或更遠。當前的24 GHz雷達MMIC在24.00至24.25 GHz的工業(yè)，科學和醫(yī)學（ISM）頻段內運行，已用于非汽車工業(yè)和醫(yī)學應用，包括倉庫中的入侵者檢測和心率檢測器等。
現(xiàn)在，包括美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）和歐洲電信標準協(xié)會（ETSI）在內的政府頻譜監(jiān)管機構計劃為超寬帶（UWB）雷達釋放更多的24 GHz左右?guī)挘c目前相比，其目標分辨率有所提高。
隨著大多數駕駛員期望新車提供ADAS電子解決方案以提高安全性，對汽車毫米波雷達解決方案的需求正在不斷增加。更多的半導體供應商，包括一些已經在生產的24 GHz ADAS雷達IC，正在為SRR，MRR和LRR ADAS應用開發(fā)用于77 GHz（76至81 GHz），5 GHz帶寬的雷達IC。
掃描雷達解決方案
面向24 GHz ISM頻段系統(tǒng)的汽車雷達高度集成IC，比如英飛凌的BGT24A系列ADAS雷達收發(fā)器和接收器IC。
BGT24A系列的成員包括BGT24ATR11，這是一種具有一個發(fā)送通道和一個接收通道的24 GHz雷達收發(fā)器。 BGT24ATR12具有一個發(fā)送通道和兩個接收通道； BGT24AR2和BGT24AR4分別具有兩個和四個接收通道； BGT24AT2具有兩個發(fā)送通道，可以添加到任一收發(fā)器中，以增強態(tài)勢感知能力。這些IC采用VQFN封裝（圖2），輕松安裝在PCB上。
2. BGT24A系列的24 GHz雷達傳感器是MMIC收發(fā)器，具有不同的發(fā)射器和接收器組合。 （由英飛凌科技提供）
BGT24ATR11具有單個接收和發(fā)送通道的MMIC收發(fā)器，設計用于24.00至24.25 GHz的頻率。它通過了AEC-Q100認證，并且已在許多工業(yè)和醫(yī)療中應用。MMIC基于0.18μm 雙極SiG工藝，具有200 GHz的上限頻率，以低噪聲，24 GHz壓控振蕩器（VCO）為中心。VCO的相位噪聲從載波偏移100 kHz時為-85 dBc / Hz。
MMIC收發(fā)器包含一個具有1.5 GHz和23 kHz輸出的可切換預分頻器。它還提供通常為0 dBm的24 GHz本地振蕩器（LO）輸出信號，以驅動其他功能。 MMIC的發(fā)射部分會向天線產生+9 dBm的典型功率；輸出功率可以控制在3到9 dB之間。
發(fā)射器具有雷達使用所需的快速開/關切換功能，通常為500 ns，并在關閉模式下將雜散輸出控制在-30 dBm或更低。零差型接收機支持許多不同的24 GHz ADAS雷達系統(tǒng)配置，其中頻（dc）范圍從dc到10 MHz。 24 GHz雷達收發(fā)器采用符合RoHS的緊湊型VQFN封裝提供，并且僅通過+3.3 V直流電源消耗500 mW的功率。
STMicroelectronics的STRADA431具有一個發(fā)送通道和三個單端接收器通道，每個通道都有其自己的可變增益放大器（VGA），是符合AEC-Q100要求的24 GHz ADAS收發(fā)器，它也圍繞低噪聲的24 GHz VCO構建。典型的相位噪聲是相對于載波的−75 dBc / Hz偏移100 kHz。它采用6×6mm QFN封裝，采用+ 3.3V直流電源供電，并由四引腳SPI接口控制。 MMIC具有板載功率和溫度傳感器，其單通道收發(fā)器在24 GHz時可提供+13 dBm的差分輸出功率。它具有可切換/可選的IF濾波器，并具有高達60dB的接收器轉換增益。
長期的IC供應商ADI公司為商業(yè)和工業(yè)安全系統(tǒng)提供24 GHz IC，這些系統(tǒng)也可用于ADAS雷達。與許多半導體供應商一樣，該公司也提供評估板來簡化雷達芯片的初始測試。
EV-TINYRAD24G雷達評估模塊和EV-RADAR-MMIC2評估板上安裝了ADF5901 24-GHz發(fā)送IC和ADF5904 24-GHz接收IC以及ADF4159鎖相環(huán)（PLL）IC。 IC可以一起與不同的mmWave天線工作。評估模塊（圖3）配備了具有多輸入多輸出（MIMO）配置的相控陣天線，該相控陣天線允許使用陣列中的多個小天線元件來形成天線輻射圖，以進行發(fā)射和接收功能。
3.為了便于評估，將單獨的24 GHz發(fā)送和接收IC安裝在緊湊型EV-TINYRAD24G PCB上。 （由Analog Devices提供）
這些高度集成的設備在5×5 mm LFCSF小型封裝中實現(xiàn)了有效的雷達功能。例如，ADF5901通過板載功率放大器和24 GHz VCO提供雙24 GHz雷達發(fā)射通道。 VCO還為其他接收器功能提供LO信號。該IC包含各種數字電路，例如輔助模數轉換器（ADC），以及每個發(fā)射通道的溫度傳感器和功率控制電路。一個簡單的四線接口控制所有片上寄存器。
更高頻率
由于目前24 GHz的可用ISM帶寬目前限制為250 MHz，因此許多電路和系統(tǒng)開發(fā)人員發(fā)現(xiàn)77 GHz附近的更大可用帶寬（以及較小波長的高分辨率）對于ADAS雷達具有吸引力。用于24 GHz ADAS雷達芯片的許多半導體工藝都支持具有類似發(fā)射器、接收器和收發(fā)器架構的77 GHz設備。
例如，STMicroelectronics在SiGe BiCMOS上制造其雙頻段，76至77 GHz和77至81 GHz的STRADA770M ADAS雷達收發(fā)器。微型收發(fā)器集成了四個單端50Ω接收器通道（每個通道都具有高分辨率ADC）和三個單端50Ω發(fā)射器通道。發(fā)送器通道包括線性調頻調制器和線性調頻器，以及集成的多種功能都包含在尺寸僅為9×9 mm的單個晶圓級BGA封裝中。
STRADA770M雷達收發(fā)器包括一個集成的低相位噪聲振蕩器，該振蕩器設計用于40或50MHz的晶體基準。典型的相位噪聲是從77 GHz載波偏移1 MHz時的−95 dBc / Hz。收發(fā)器在76至77 GHz范圍內通常提供+13 dBm的發(fā)射功率，在77至81 GHz范圍內通常提供+10 dBm的發(fā)射功率。它可實現(xiàn)高達75dB的接收器轉換增益，可在30dB的范圍內以3dB的階梯進行調節(jié)。密集封裝的IC具有板載線性調頻定序器和FMCW線性調頻調制器，以及可設置為SPI或I2C操作的數字從接口。MMIC使用+ 3.3V直流單電源供電。
恩智浦半導體的TEF8102 ADAS雷達收發(fā)器MMIC（圖4）是在公司的20納米RF CMOS工藝上制造的。MMIC包含三個具有二進制控制和輸出電平穩(wěn)定功能的發(fā)送通道，以及四個接收通道。每個接收通道都有一個專用的12位ADC。板載波形發(fā)生器在76至78 GHz范圍內實現(xiàn)+12 dBm的典型發(fā)射功率，在78至81 GHz范圍內實現(xiàn)+13 dBm的典型發(fā)射功率。 FMCW收發(fā)器的四個接收通道可提供串行輸出數據，這得益于波形發(fā)生器的低噪聲。當從76至81 GHz的任何頻率偏移1 MHz時，典型的相位噪聲為−86 dBc / Hz或更高。
4.TEF8102 MMIC是一種雷達收發(fā)器，具有三個發(fā)送通道和四個接收通道，掃描范圍為76至81 GHz。 （由恩智浦半導體公司提供）
雷達收發(fā)器支持76至81 GHz的SRR，MRR和LRR應用，線性調頻帶寬分別為0.5、1.0和2.0 MHz /μs。它適用于自動緊急制動（AEB），自適應巡航控制（ACC），前交叉交通警報（FCTA），后交叉交通警報（RCTA），停車輔助（PA）和盲點檢測（BSD）。該收發(fā)器提供ADAS車輛所需的4D雷達數據。
四個TEF8102雷達收發(fā)器MMIC可以為完整的360度檢測提供足夠的數據。該器件可封裝在7.5×7.5 mm嵌入式晶圓級球柵陣列（eWLB）封裝中，并可提供在測試板上（TEF8102型評估板），以簡化系統(tǒng)開發(fā)。
德州儀器（TI）的AWR1243單芯片F(xiàn)MCW雷達收發(fā)器具有3個單端發(fā)送通道和4個單端接收通道，覆蓋76至81 GHz。該公司提供兩種版本的設備：對于AWR1243型號，三個發(fā)射通道中的兩個可以同時操作；對于AWR1243P型號，所有三個發(fā)射通道都可以同時使用。
雷達MMIC采用45納米RF CMOS工藝制造，具有低功耗，并且符合AEC-Q100標準的收發(fā)器可容納+ 3.3V和+ 1.8V直流電源。MMIC的基礎是板載小數N分頻PLL頻率合成器，可命令精確的線性調頻脈沖產生和同步。
當從76-77 GHz載波偏移1 MHz時，AWR1243的波形發(fā)生器呈現(xiàn)出-95 dBc / Hz的低典型相位噪聲，而從77-81 GHz載波偏移1 MHz時則呈現(xiàn)-93 dBc / Hz。典型的發(fā)射輸出功率為+12 dBm，典型的接收器轉換增益為48 dB，控制范圍為24 dB，可以2 dB的步長進行調節(jié)。
77 GHz雷達收發(fā)器設計用于與外部40 MHz時鐘源一起使用。它具有內置的溫度和功率監(jiān)控功能，以及跨頻率和溫度的內置自校準功能。該收發(fā)器采用尺寸為10.4×10.4 mm的倒裝芯片球柵陣列（BGA）型封裝。通過執(zhí)行簡單的編程更改，該收發(fā)器可以在76至81 GHz的頻率下用于所有三種主要的汽車應用類型（SRR，MRR和LRR）。
一些24 GHz FMCW雷達MMIC供應商也在開發(fā)用于77 GHz ADAS應用的雷達MMIC，例如Analog Devices和Infineon。例如，與其24 GHz器件一樣，英飛凌在SiGe工藝上制造其77 GHz器件。這些雷達MMIC仍處于試生產階段，預計將用于該公司的RASIC產品線。它們包括具有三個發(fā)送和四個接收通道的RXS816xPL收發(fā)器以及具有兩個發(fā)送和四個接收通道的RXS8156PLA收發(fā)器。兩種77 GHz雷達MMIC都將采用eWLB封裝。
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