01

從毫米波雷達(dá)到4D毫米波雷達(dá)

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在各種傳感器中，毫米波雷達(dá)憑借體積小、成本低、全天候運(yùn)行、測(cè)速能力和高距離分辨率等優(yōu)勢(shì)，一直被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)駕駛。然而，傳統(tǒng)的毫米波雷達(dá)(也稱為3D毫米波雷達(dá))，在測(cè)量目標(biāo)高度上性能不佳(3D雷達(dá)并不是不能測(cè)高，只是分辨比較差)，并且通常只包含距離、方位和速度信息。此外，3D毫米波雷達(dá)存在雜波、噪聲和低分辨率等問(wèn)題，特別是在角度維度上，這最終限制了它在復(fù)雜感知任務(wù)中的適用性。

據(jù)線路板廠汽車?yán)走_(dá)線路板小編了解到，多輸入多輸出（MIMO）天線技術(shù)的進(jìn)步提高了俯仰角分辨率，導(dǎo)致了4D毫米波雷達(dá)的出現(xiàn)。4D毫米波雷達(dá)可以測(cè)量四種類型的目標(biāo)信息：距離、方位、高度(俯仰角)和速度，使得：

最遠(yuǎn)探測(cè)距離大幅可達(dá)300多米，比激光雷達(dá)和視覺(jué)傳感器都要遠(yuǎn)；

水平角度分辨率較高，通?？梢赃_(dá)到1 的角度分辨率，可以區(qū)分 300m 處的兩輛近車；

可以測(cè)量俯仰角度，可達(dá)到優(yōu)于2°的角度分辨率，可在 150m 處區(qū)分地物和立交橋；

當(dāng)有橫穿車輛和行人, 多普勒為零或很低時(shí)通過(guò)高精度的水平角和高精度的俯仰角可以有效識(shí)別目標(biāo)；

目標(biāo)點(diǎn)云更密集，信息更豐富，更適合與深度學(xué)習(xí)框架結(jié)合。

4D毫米波雷達(dá)有望在中低端車型上占領(lǐng)激光雷達(dá)降本后的生態(tài)位，配合攝像頭及傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)形成一套高性價(jià)比的智能駕駛硬件組合。

02

采埃孚4D毫米波雷達(dá)產(chǎn)品拆解

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采埃孚4D毫米波雷達(dá)應(yīng)用在國(guó)內(nèi)某中高端純電平臺(tái)上，單車搭載2個(gè)雷達(dá)，分別安裝在前后保險(xiǎn)杠內(nèi)部，可以實(shí)現(xiàn)最遠(yuǎn)探測(cè)距離350米。從拆解的信息來(lái)看，該4D雷達(dá)可以分為4個(gè)部分，分別是數(shù)字接口板及結(jié)構(gòu)件、發(fā)射單元及PCB、屏蔽罩和雷達(dá)天線罩，如下圖所示。

發(fā)射單元的微帶天線陣列一共有28根天線，分為發(fā)射天線和接收天線兩類，其中12個(gè)發(fā)射天線(TX)，16個(gè)接收天線(RX)，通過(guò)MIMO技術(shù)增加虛擬孔徑，形成192個(gè)虛擬通道。高清圖如下所示：

雷達(dá)一共有4個(gè)MMIC(單片微波集成電路),采用多片級(jí)聯(lián)的方式連接。外部銀色的為屏蔽罩，內(nèi)部為MMIC。MMIC是雷達(dá)關(guān)鍵零部件，完成雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的調(diào)制、發(fā)射、接收以及回波信號(hào)的解調(diào)。4個(gè)MMIC存在主從關(guān)系，功率需要均勻的分配到三個(gè)Slave MMIC，分功電阻將本振功分信號(hào)功率進(jìn)行均勻分配。覆銅打孔處的本振功分線用于4個(gè)MMIC的同步，高頻PCB板材性能要求高于普通PCB，主要用于蝕刻毫米波雷達(dá)天線。詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖如下所示：

移除屏蔽罩后，可以清晰地看見(jiàn)內(nèi)部黑色的MMIC，以及3發(fā)4收的電路特征，如下圖所示。MMIC具體型號(hào)為AWR2243P，由德州儀器提供。

雷達(dá)使用的AWR2243P是支持多片級(jí)聯(lián)的型號(hào)，AWR2243是TI第二代毫米波傳感器，使用了TI第二代毫米波射頻前端，射頻性能比第一代產(chǎn)品有了大幅提升，其4個(gè)MMIC，單個(gè)MMIC具有3發(fā)射天線及4接收天線，一共28根天線。下圖中綠色線框分割幫助梳理天線所屬的MMIC，藍(lán)色標(biāo)注為發(fā)射天線，紅色標(biāo)注為接收天線。

從雷達(dá)天線排列位置的角度，也能辨別4D 毫米波雷達(dá)與傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)的區(qū)別。下圖中上面部分為本次拆解的采埃孚4D毫米波雷達(dá)，感興趣的朋友可以自行研究這個(gè)天線布局(稀疏均勻陣+Monopulse布局)。下面部分為來(lái)自日本電裝的傳統(tǒng)3D毫米波雷達(dá)。

方位角的探測(cè)是通過(guò)接收天線所接受信號(hào)的相位差來(lái)進(jìn)行計(jì)算的，水平直線排列的接收天線能夠探測(cè)水平方向的相位方位角信息（上圖紅框）。淺綠色框內(nèi)的發(fā)射天線與紅色框的接收陣列通過(guò)MIMO技術(shù)，在垂直方向上形成虛擬孔徑陣列，來(lái)實(shí)現(xiàn)高度方向上的測(cè)量，則可以得到目標(biāo)的高度信息（上圖綠框）。作為對(duì)比，傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)發(fā)射天線和接收天線只在水平向上進(jìn)行天線排列，在高度向上沒(méi)有布局發(fā)射或接收天線，因此無(wú)法探測(cè)高度信息。

發(fā)射單元的反面具有連接器、電源管理電路PMIC、處理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC和DDR3存儲(chǔ)單元。

連接器通過(guò)與數(shù)字接口板連接，將雷達(dá)感知信號(hào)輸出到接口板，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通信和供電。電源管理電路PMIC是一種廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備內(nèi)的元器件。主要功能有電壓降壓(Buck)或升壓（Boost），確保為發(fā)射單元等用電設(shè)備提供穩(wěn)壓電流。

處理器采用賽靈思ZYNQ UltraScale+MPSoC FPGA，具體型號(hào)為XAZU3EG ，優(yōu)異的處理性能主要用于4D雷達(dá)復(fù)雜信號(hào)處理。傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)則使用低成本的DSP進(jìn)行信號(hào)處理的方案。NXP也在做類似產(chǎn)品，包括S32R45/41系列。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC用來(lái)控制PMIC模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，產(chǎn)品來(lái)自德州儀器，型號(hào)為ADS7953Q。DDR3存儲(chǔ)單元主要用于緩存雷達(dá)采集到的數(shù)據(jù)和中間處理結(jié)果。該雷達(dá)采用兩塊存儲(chǔ)單元，產(chǎn)品來(lái)自美光，型號(hào)為MT53E128M32D2DS-053 AUT:A。詳細(xì)如下圖所示：

數(shù)字接口板及結(jié)構(gòu)件由CAN FD接口、散熱翅片、以太網(wǎng)接口和數(shù)字接口板組成。傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)量較小，以20Hz頻率估計(jì)，數(shù)據(jù)量約為數(shù)十kbps，CAN FD最高支持5Mbps，足以支持其數(shù)據(jù)傳輸需求。

4D毫米波雷達(dá)較大的功率(25W左右)使得其擁有較大的發(fā)熱量，結(jié)構(gòu)件背面的散熱翅片幫助散熱，降低其工作溫度。4D毫米波雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)量大幅提升，達(dá)到數(shù)百甚至上千點(diǎn)云量，以太網(wǎng)的高數(shù)據(jù)傳輸速率得以支持其傳輸需求。數(shù)字接口板負(fù)責(zé)與雷達(dá)與整車域控信號(hào)及電源進(jìn)行適配及轉(zhuǎn)接。詳細(xì)如下圖所示：

03

毫米波雷達(dá)的PCB設(shè)計(jì)及材料使用

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毫米波雷達(dá)大多采用如TI、Infineon或NXP等的完整的單芯片解決方案，片內(nèi)集成了射頻前端、信號(hào)處理單元和控制單元，提供多個(gè)信號(hào)發(fā)射和接收通道。雷達(dá)模塊的PCB板設(shè)計(jì)主要有以下幾種方式：

以超低損耗的PCB材料作為最上層天線設(shè)計(jì)的載板，天線設(shè)計(jì)通常采用微帶貼片天線，疊層的第二層作為天線和其饋線的地層。疊層的其他PCB材料均采用FR-4的材料。這種設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，加工容易，成本低。但由于超低損耗PCB材料的厚度較?。ㄍǔ?.127mm），需要關(guān)注銅箔粗糙度對(duì)損耗和一致性的影響。同時(shí)微帶貼片天線較窄的饋線需要關(guān)注加工的線寬精度控制。

用介質(zhì)集成波導(dǎo)（SIW）電路代替微帶貼片天線進(jìn)行雷達(dá)的天線設(shè)計(jì)。除天線外，其他PCB疊層采用FR-4材料作為雷達(dá)控制和電源層。SIW的天線設(shè)計(jì)仍選用超低損耗的PCB材料，降低損耗增大天線輻射。材料的厚度通常選擇較厚PCB來(lái)增大帶寬，減小銅箔粗糙度帶來(lái)的影響，同時(shí)還不存在加工較窄線寬時(shí)的工藝問(wèn)題。但需要注意SIW的過(guò)孔加工和位置精度問(wèn)題。

使用超低損耗材料設(shè)計(jì)多層板疊層。根據(jù)需求，選擇其中幾層或者全部疊層均使用超低損耗材料。這種設(shè)計(jì)方式在增加電路設(shè)計(jì)的靈活性和集成度的同時(shí)，可以進(jìn)一步減小雷達(dá)模塊的尺寸。但缺點(diǎn)是相對(duì)成本較高，加工過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。

TI AWR1642芯片方案疊層結(jié)構(gòu)

4D毫米波雷達(dá)的PCB材料性能需要考慮以下幾個(gè)方面：

材料的電氣特性，穩(wěn)定的介電常數(shù)和損耗可以使收發(fā)天線獲得準(zhǔn)確的相位，從而提高天線增益和掃描角度或范圍，提高雷達(dá)探測(cè)和定位精度。PCB的介電常數(shù)和損耗的穩(wěn)定性不僅要確保不同批次材料的穩(wěn)定性，也要保證同一板內(nèi)的變化小，材料需要非常好的穩(wěn)定性。

銅箔的表面粗糙度，越薄的材料上銅箔表面粗糙度對(duì)電路的影響越大。越粗糙的銅箔類型其自身粗糙度變化也就越大，會(huì)造成介電常數(shù)和損耗的較大變化，影響毫米波的相位特性。

材料的可靠性，材料的可靠性不僅指材料在PCB加工中疊合、鉆孔、銅箔結(jié)合力等方面具有高可靠性，還包括材料的長(zhǎng)期可靠性和環(huán)境可靠性。PCB材料的電氣性能是否隨著時(shí)間的推移保持穩(wěn)定，是否能夠在不同溫濕度下保持穩(wěn)定。這對(duì)于汽車安全件的重要性不言而喻。

04

4D毫米波雷達(dá)的PCB變化

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無(wú)論4D毫米波雷達(dá)采用“級(jí)聯(lián)+MIMO”、專用芯片還是軟件賦能的方案，其本質(zhì)是要大幅提升雷達(dá)收發(fā)信息的數(shù)量和質(zhì)量（從而達(dá)到點(diǎn)云成像的結(jié)果），這也就使得信號(hào)收發(fā)的射頻前端和信號(hào)處理板的集成度顯著提升，相應(yīng)的PCB板相比傳統(tǒng)雷達(dá)也將發(fā)生變化。

射頻板的PCB變化

面積增大至3倍，通過(guò)對(duì)比全球知名Tier1德國(guó)大陸公司的傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)ARS410（特斯拉曾用）、4D毫米波雷達(dá)ARS540、特斯拉在FCC上披露的最新4D毫米波雷達(dá)的方案，我們發(fā)現(xiàn)4D毫米波雷達(dá)采取芯片級(jí)聯(lián)的方式使得射頻板面積有所增大，估算傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)的射頻板面積約為0.006平方米，而以ARS540為代表的4D毫米波成像雷達(dá)的射頻板面積約為0.012平方米。

PCB層數(shù)增加，由于4D毫米波雷達(dá)的天線數(shù)據(jù)量增加，射頻板將從6層提升至8~10層。

PCB板材升級(jí)，無(wú)論是傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)還是4D毫米波雷達(dá)，主流方案的PCB疊層中均會(huì)設(shè)置2層高頻層，所用材料為 PTFE。4D毫米波雷達(dá)的PCB板材也從初級(jí)PTFE材料（例如RO4850/RO4350）升級(jí)到較高級(jí)的高頻PTFE材料（例如RO3003/RO3006）， 后者材料單價(jià)為前者的3倍。

總的說(shuō)，4D毫米波雷達(dá)射頻板的PCB相較于傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)，PCB價(jià)值有望從12元上升到60~100元。

信號(hào)處理板的PCB變化

一般情況下信號(hào)處理板有高速處理要求，因此PCB多用高速板材。由于4D毫米波成像雷達(dá)信號(hào)處理量有所提升，PCB的規(guī)格也會(huì)相應(yīng)升級(jí)。但值得注意的是，由于AI算法的介入和數(shù)據(jù)融合程度提升，毫米波雷達(dá)上的信號(hào)處理功能將會(huì)簡(jiǎn)化，從而使得信號(hào)處理板的設(shè)計(jì)和工藝復(fù)雜度降低。根據(jù)調(diào)研，目前已經(jīng)推出的 4D毫米波雷達(dá)的信號(hào)處理板PCB會(huì)從4層升級(jí)到4~6層，板材也會(huì)用到Ultra Low Loss級(jí)別。相應(yīng)的PCB價(jià)值大約會(huì)從10 元/臺(tái)提升至20元/臺(tái)。

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