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    [导读]电子圈几年的风云变幻、谁主沉浮,现如今毫米波雷达、毫米波通信频繁出现在我们的视线之内,尤其是华为在5G上取得骄人的成绩,毫米波技术更是放在台面上。为什么毫米波技术会在5G、智能汽车能起到如此关键的作用?接下来让我们细数毫米波技术的前世今生和毫米波的继往开来。

    电子圈几年的风云变幻、谁主沉浮,现如今毫米波雷达、毫米波通信频繁出现在我们的视线之内,尤其是华为在5G上取得骄人的成绩,毫米波技术更是放在台面上。为什么毫米波技术会在5G、智能汽车能起到如此关键的作用?接下来让我们细数毫米波技术的前世今生和毫米波的继往开来。

     

    毫米波技术诞生史:生来就不平凡

     

    毫米波的概念并非一个新兴概念,距今已有30年历史。无线电波中30~300GHz频域(波长为1~10mm)的电磁波称作毫米波,它位于微波与远红外波相交叠的波长范围,因而兼有两种波谱的特点。毫米波的理论和技术分别是微波向高频的延伸和光波向低频的发展。

    毫米波技术的创新应用包括电信、无线通信、汽车、国防和航空航天、成像、安全、医疗和其它工业应用。

    然而,对于无线通信和汽车雷达传感器这两个增长最快速的应用,毫米波通常是指频率范围在24至86GHz之间的多个频带。

     

    电子圈几年的风云变幻、谁主沉浮,现如今毫米波雷达、毫米波通信频繁出现在我们的视线之内,尤其是华为在5G上取得骄人的成绩,毫米波技术更是放在台面上。为什么毫米波技术会在5G、智能汽车能起到如此关键的作用?接下来让我们细数毫米波技术的前世今生和毫米波的继往开来。

     

    1、毫米波的特点:

     

    1)是一种典型的视距传输方式

    毫米波以直射波的方式在空间进行传播,波束很窄,具有良好的方向性。一方面,由于毫米波受大气吸收和降雨衰落影响严重,; 另一方面,由于频段高,干扰源很少,所以传播稳定可靠。

    2)具有“ 大气窗口”

    影响毫米波传播的主要气体是氧分子和水蒸气,这些气体的谐振将会对毫米波频率产生选择性吸收与散射。由氧分子谐振引起的吸收峰出现在60和120GHz附近,而由水蒸气谐振引起的吸收峰出现在22和183GHz附近,在整个毫米波频段有四个传播衰减相对较小的大气“窗口”,它们的中心频率在35GHz、45GHz、94GHz、140GHz、 220GHz附近,这些“窗口”对应的带宽分别是16GHz、23GHz、26GHz、70GHz。在这些特殊频段附近, 毫米波传播受到的衰减较小,比较适用于点对点通信,

    3)降雨时衰减严重

    与微波相比, 毫米波信号在恶劣的气候条件下,尤其是降雨时的衰减要大许多,严重影响传播效果。经过研究得出的结论是,毫米波信号降雨时衰减的大小与降雨的瞬时强度、 距离长短和雨滴形状密切相关。进一步的验证表明: 通常情况下,降雨的瞬时强度越大、距离越远、雨滴越大,所引起的衰减也就越严重。因此,对付降雨衰减最有效的办法是在进行毫米波通信系统或通信线路设计时,留出足够的电平衰减余量。

    4)对沙尘和烟雾具有很强的穿透能力

    激光和红外对沙尘和烟雾的穿透力很差,而毫米波在这点上具有明显优势。大量现场试验结果表明, 毫米波对于沙尘和烟雾具有很强的穿透力,几乎能无衰减地通过沙尘和烟雾。甚至在有爆炸和金属箔条产生的较高强度散射的条件下, 即使出现衰落也是短期的, 很快就会恢复。随着离子的扩散和降落, 不会引起毫米波信号的严重中断。

     

    2、毫米波的优点:

     

    1)极宽的带宽

    通常认为毫米波频率范围为26.5~300GHz,带宽高达273.5GHz。超过从直流到微波全部带宽的10倍。即使考虑大气吸收,在大气中传播时只能使用四个主要窗口,但这四个窗口的总带宽也可达135GHz,为微波以下各波段带宽之和的5 倍。这在频率资源紧张的今天无疑极具吸引力。

    2)波束窄

    在相同天线尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多。例如一个12cm的天线,在9.4GHz时波束宽度为18度,而94GHz时波速宽度仅1.8度。因此能分辨相距更近的小目标或更为清晰地观察目标的细节。

    3)探测能力强

    可以利用宽带广谱能力来抑制多径效应和杂乱回波。有大量频率可供使用,有效的消除相互干扰。在目标径向速度下可以获得较大的多谱勒频移,从而提高对低速运动物体或振动物体的探测和识别能力。

    4)安全保密好

    毫米波通信的这个优点来自两个方面: a)由于毫米波在大气中传播受氧、 水气和降雨的吸收衰减很大, 点对点的直通距离很短, 超过这个距离信号就会变得十分微弱, 这就增加了敌方进行窃听和干扰的难度。b)毫米波的波束很窄, 且副瓣低, 这又进一步降低了其被截获的概率。

    5)传输质量高

    由于频段高毫米波通信基本上没有什么干扰源,电磁频谱极为干净,因此,毫米波信道非常稳定可靠,其误码率可长时间保持在 10- 12 量级,可与光缆的传输质量相媲美。

    6)全天候通信

    毫米波对降雨、沙尘、烟雾和等离子的穿透能力却要比大气激光和红外强得多。这就使得毫米波通信具有较好的全天候通信能力,保证持续可靠工作。

    7)元件尺寸小

    和微波相比,毫米波元器件的尺寸要小得多。因此毫米波系统更容易小型化,降低产品的重量。

     

    3、与微波、红外、可见光、激光的特性对比:

     

    与微波相比,毫米波受恶劣气候条件影响大,但分辨力高,结构轻小,便于装载;与红外和可见光比,毫米波系统虽没有那样高的分辨力,但通过烟雾灰尘的传输特性好;与激光相比,毫米波的传播受气候的影响要小得多,可以认为具有全天候特点。

     

    4、毫米波技术从诞生到商用

     

    毫米波商业市场的增长开始于20世纪90年代初期对蜂窝回程的需求。当时,较低频率(1至18GHz)的远程无线电中继链路已经使用了很长一段时间,但是快速发展的蜂窝基础设施需要更高的频率和更短程的链路。这些点对点无线电使用23、 26和38GHz的许可频段(图2),辐射范围不足10公里,使得在快速部署阶段得以建立全球移动通信基础设施。当RF技术发展到MMIC的应用不断增加时,这些进步就应运而生。最近新增了一些更高的频率,包括免许可的57至64GHz频带和71-76和81-86GHz的lightly licensed频段,这些频段提供了更高的带宽、更大的容量和更小的尺寸,但传播距离也更短。所有这些频段目前正用于蜂窝通信基础设施内外的点到点数字无线电链路,提供数Gbps的容量。这一应用主要采用光纤链路,但是毫米波链路能够以更低的成本和更快的速度实现这一应用。此外,许多地方由于地形或其它因素,甚至无法使用光纤链路。

     

    5G毫米波通信:“永动机”,无穷无尽的频率资源

     

    随着移动通信、卫星通信以及星载电子等方面的迅猛发展,对系统的容量 要求越来越高。由于在高频微波频段有着极为丰富的频谱资源,现代通信系统正在向高频微波特别是毫米波频段发展。

    美国是世界上第一个确定5G高端频谱的国际,新增的频段集中在3.8-7GHz、27-40GHz、64-71GHz的低、中、高三大频段。按照一般规律,我国也会使用这个频段或近似的频段。不含接收等其它器件,光PA芯片到2020年估计将达到40亿美元。而我国是全球最大的手机生产基地,同时华为、vivo、oppo、小米、魅族、联想等国产品牌的手机销售量占全球的30%以上。凭借庞大的终端市场需求,手机供应链向大陆转移是必然的产业趋势,国产化的需求是日趋强烈,国家对高频芯片的投入也必然是每年递增。毫米波高端终端芯片国产芯片占用一定的份额也将是必然。

    2015——2020年,全球范围内会有超过60亿美元(400多亿人民币)将用于在5G研发和试验投资。毫米波相关的市场最高约占其中的30%,约18亿美元(120多亿人民币)。待2020年后5G市场进入正式商业应用阶段,这个市场将是海量规模和具有无限发展前景的。

     

    5G毫米波通信“宝藏”般的价值

     

    1、5G的价值在于它拥有比4G LTE更快的速度(峰值速率可达几十Gbps)。

    2、无线传输增加传输速率一般有两种方法,一是增加频谱利用率,二是增加频谱带宽。

    5G使用毫米波(26.5——300GHz)就是通过第二种方法来提升速率,以28GHz频段为例,其可用频谱带宽达到了1GHz,而60GHz频段每个信道的可用信号带宽则为2GHz。

    3、与传统工作在2.6GHz或3.5GHz上的4G网络相比,毫米波频段网络的传输信道将会存在额外的数十dB的传播损耗。

    4、现有的4G基站只有十几根天线,但5G基站可以支持上百根天线,这些天线可以通过Massive MIMO技术形成大规模天线阵列,这就意味着基站可以同时从更多用户发送和接收信号,从而将移动网络的容量提升数十倍倍或更大。MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)的意思是多输入多输出,实际上这种技术已经在一些4G基站上得到了应用。 但到目前为止,Massive MIMO仅在实验室和几个现场试验中进行了测试。

    5、Starry公司指出,毫米波的传播距离最多只能在200米左右,无法实现远距离传输。另外,毫米波的穿透能力也不强,遇到墙或者其他阻碍就无法发挥作用。

    6、5G数据传输的延迟将不超过1毫秒(相比之下,今天的4G网络的延迟约为70毫秒),而且数据下载的峰值速度将可以高达20Gb/s(4G为1Gb/s)。

    7、为了统一全球的毫米波频率标准,国际电信联盟(ITU)在近期的世界无线电通讯大会结束后,公布了24GHz到86GHz之间的全球可用频率的建议列表,最后28GHz、39GHz与73GHz三个频带逐渐脱颖而出。73GHz中有2GHz的连续带宽可用于移动通讯,这是拟议频率频谱中范围最广的;28GHz仅提供850MHz的带宽;在美国,39GHz附近就有两个频带提供1.6GHz与1.4GHz带宽。此外,根据Shannon定律,即更高的带宽代表更高的数据传输量,73GHz与另外两个频率相较更具优势。

    8、我们估算在中性条件下, 我国5G 毫米波频段基站射频系统的市场觃模 2019 年为 24 亿元,2020 年为 72 亿元,2021 年达到 120 亿元。

     

    5G移动通信网络:离不开你,毫米波。

     

    1、由于 6GHz 以下频段在广域覆盖方面的优势,频谱已经被包括民用移动通信在内的领域大量使用,可用频段资源特别是大带宽资源已经十分有限,而 5G 对超高速率和大容量通信的要求需要大 带宽的频段资源,需要往 6GHz 以上的频段开収未利用的频段资源,毫米波频段存在大量大带宽的频谱资源,可以被有效利用。

    利用毫米波频段,5G 无线空口技术将计划由高频段新空口和低频段新空口两部分组成,高频段新空口联合低频空口将重点用于热点覆盖场景。国际上对于 5G 毫米波频段资源的分配已经快速推迚, 美国联邦通信委员会(FCC)已于2015年10月収布了拟议觃范公告,针对28GHz、37GHz、39 GHz、64-71GHz 频带提出了全新且灵活的服务觃则。日本 NTT 也已提议将 3.5 GHz、4.5 GHz 和28 GHz 频段作为 5G 服务的潜在备选频段。我国工信部在6 月征求毫米波频段意见方案収布以后,于 7 月 已确定将毫米波高频段 24.75GHz-27.5GHz、37GHz-42.5GHz 用于 5G 研収试验。

    2、Massive MIMO 很适合在移动通信中与毫米波频段配合使用,毫米波波长较短的特点使其天线平面在理论上可以布置更多的天线单元,由于毫米波传播衰减较为严重,大觃模天线阵列以及波束 赋形(beamforming)能有效提升天线增益,来补偿高频通信的传输损失,使其在热点覆盖场景能形成 100-200 米的覆盖目标。

    Massive MIMO 由贝尔实验室科学家 Thomas L.Marzetta 于 2010 年底提出,和 LTE 相比,同样占 用20MHz的带宽,Massive MIMO的小区吞吐率可以达到1200Mbit/s,频率利用率达到了60Bit/s/Hz/ 小区。MIMO 技术原先已经广泛应用于 LTE、WIFI 等领域,理论上天线越多,频谱效率和传输可靠 性就会越高。4G 移动通信时代基站天线支持 4x4、8x8MIMO,下行峰值速率 100Mbps,LTE-A 已可支持 64x64 MIMO,下行峰值速率达到 1Gbps。MIMO 技术为实现在高频段上迚行移动通信提供 了广阔前景,可以成倍提升无线频谱效率,增强网络覆盖和系统容量,帮助运营商最大限度利用已有站址和频谱资源。仍理论角度,假设有一个 20 平方厘米的天线物理平面,如果天线以 0.5λ的间 距排列,那么如果工作频段在 3.5GHz,可以部署 16 根天线,而如果频段在 10GHz,可以部署 169 根天线,如果在 20GHz,则可以部署 676 根天线。

    5G因为要满足多个行业和场景,所以它的频谱也是低中高三个方面需求。而低频频谱资源紧张一直是国际问题,在很长一段历史时期,毫米波段属于蛮荒之地。为什么呢?原因很简单,因为几乎没有电子元件或设备能够发送或者接收毫米波。为什么没有电子设备发送或者接收毫米波?有两个原因。第一个原因是,毫米波不实用。虽然毫米波能提供更大的带宽,更高的数据速率,但是以前的移动应用不需要这么大的带宽和这么高的数据速率,毫米波没有市场需求。而且毫米波还有一些明显的限制,比如传播损耗太大,覆盖范围太小等等。第二个原因是,毫米波太贵。生产能工作于毫米波频段的亚微米尺寸的集成电路元件一直是一大挑战。克服传播损耗、提高覆盖范围也意味着大把的金钱投入。但是,近十几年以来,一切都改变了。随着移动通信的飞速发展,30GHz之内的频率资源几乎被用完了。各国政府和国际标准化组织已经把所有的“好”频率都分配完毕,但还是存在频率短缺和频率冲突。4G蜂窝系统的发展以及即将到来5G都依赖于合适的频率分配。问题是,几乎没剩下什么频率了。现在,频率就像房子,可以用一个字来形容,“贵”!对房子来说,第一是地段,第二是地段,第三还是地段。这样的描述同样适用于无线频率。

    毫米波就像美洲新大陆,给移动用户和移动运营商提供了“无穷无尽”的频率资源。

     

    电子圈几年的风云变幻、谁主沉浮,现如今毫米波雷达、毫米波通信频繁出现在我们的视线之内,尤其是华为在5G上取得骄人的成绩,毫米波技术更是放在台面上。为什么毫米波技术会在5G、智能汽车能起到如此关键的作用?接下来让我们细数毫米波技术的前世今生和毫米波的继往开来。

     

    国内5G毫米波通讯现状

     

    早在6月8日,工信部就公开征集对高频频段24.75-27.5GHz、37-42.5GHz或其他毫米波频段5G系统频率规划的意见。此次征求意见的 3.3GHz-3.6GHz 频段已经在此前的 5G 试验中使用,属于意料之中会采用的频段,而高频段特别是 24.75GHz-27.5GHz、37GHz-42.5GHz 毫米波频段将用于 5G 显著超出市场预期。

    IMT-2020(5G)推进组副主席王志勤曾在公开演讲中表示,在高频段通信方面,对于前期预商用而言,20GHz-40GHz拥有更高的优先性,同时26GHz和28GHz、38GHz和42GHz频段可采用同一组射频器件,将更有可能实现全球协调统一。

    根据3GPP 38.101协议的规定,5GNR主要使用两段频率:FR1频段和FR2频段。FR1频段的频率范围是450MHz——6GHz,又叫sub 6GHz频段;FR2频段的频率范围是24.25GHz——52.6GHz,这就是我们通常所说的毫米波(mmWave)。

    由于3GPP决定5G NR继续使用OFDM技术,因此相比4G而言,5G并没有颠覆性的技术革新,而毫米波差不多就成了5G最大的“新意”。而5G其它新技术的引入,比如massive MIMO、新的numerology(子载波间隔等)、LDPC/Polar码等等,都与毫米波密切相关,都是为了让OFDM技术能更好地扩展到毫米波段。为了适应毫米波的大带宽特征,5G定义了多个子载波间隔,其中较大的子载波间隔(60KHz和120KHz)就是专门为毫米波设计的。前面提到过的massive MIMO技术也是为毫米波而量身定制。因此,5G 也可以被称为“扩展到毫米波的增强型4G”或者“扩展到毫米波的增强型LTE”。

    有人认为,毫米波(mmWave)只能指EHF频段,即频率范围是30GHz——300GHz的电磁波。因为30GHz电磁波的波长是10毫米,300GHz电磁波的波长是1毫米。24.25GHz电磁波的波长是12.37毫米,可以叫它毫米波,也可以叫它厘米波。但是实际上,毫米波只是个约定俗成的名称,没有哪个组织对其有过严格的定义。有人认为,频率范围在20GHz(波长15毫米)——300GHz之间的电磁波都可以算毫米波。现在我们能够随意使用20GHz到300GHz之间的任意毫米波吗?

    有人把常用的毫米波段分成四段:

    Ka波段26.5GHz—— 40GHz;

    Q波段:33GHz——50GHz;

    V波段:50GHz——70GHz;

    W波段:75GHz—— 110GHz。

    3GPP协议38.101-2 Table 5.2-1为5G NR FR2波段定义了3段频率,分别是:

    n257(26.5GHz——29.5GHz);

    n258(24.25GHz——27.5GHz);

    n260(37GHz——40GHz),

    都使用TDD制式。

    美国FCC则建议5G NR使用以下频段:24-25 GHz (24.25-24.45/24.75-25.25 GHz)、32GHz(31.8-33.4 GHz)、42 GHz (42-42.5 GHz)、48 GHz (47.2-50.2 GHz)、51 GHz (50.4-52.6GHz)、70 GHz (71-76 GHz)和80 GHz(81-86 GHz),同时建议研究用高于95GHz的频率来承载5G。

    为什么不能随意使用毫米波频率呢?除了规模化经济效益的考虑之外,毫米波中有些频率的“地段”特别差。这里,影响“地段”的因素是空气,所以确切地说应该是这些频率的“天段”特别差。无线电波在传播时,大气会选择性地吸收某些频率(波长)的电磁波,造成这些电磁波的传播损耗特别严重。吸收电磁波的主要是两种大气成分:氧气和水蒸气。水蒸气引起的共振会吸收22GHz和183 GHz附近的电磁波,而氧气的共振吸收影响的是60GHz和120 GHz附近的电磁波。所以我们可以看到,不管哪个组织分配毫米波资源,都会避开这4个频率附近的频段。而高于95GHz的毫米波由于技术上的难度,暂时还不做考虑。除了这个只能避开的“天段”因素,毫米波的其它限制我们只能面对,并且想办法克服。否则,毫米波就无法使用。

    最关键的限制之一是毫米波的传播距离实在有限。物理定律告诉我们,在发射功率不变的情况下,波长越短,传播距离越短。在很多场景下,这个限制会导致毫米波的传播距离超不过10米。

    根据理想化的自由空间传播损耗公式,传播损耗L=92.4+20log(f)+20log(R),其中f是单位为GHz的频率,R是单位为公里的距离,而L的单位是dB。一个70GHz的毫米波传播10米远之后,损耗就达到了89.3dB。而在非理想的传播条件下,传播损耗还要大得多。毫米波系统的开发者必须通过提高发射功率、提高天线增益、提高接收灵敏度等方法来补偿这么大的传播损耗。

    任何事物都有两面性。传播距离过小有时候反而成了毫米波系统的优势。比如,它能够减少毫米波信号之间的干扰。毫米波系统使用的高增益天线同时具有较好的方向性,这也进一步消除了干扰。这样的窄波束天线既提高了功率,又扩大了覆盖范围,同时增强了安全性,降低了信号被截听的概率。

    另外,“高频率”这个限制因素会减少天线的尺寸,这又是一个意外的惊喜。假设我们使用的天线尺寸相对无线波长是固定的,比如1/2波长或者1/4波长,那么载波频率提高意味着天线变得越来越小。比如说,一个900M GSM天线的长度是几十厘米左右,而毫米波天线可能只有几毫米。这就是说,在同样的空间里,我们可以塞入越来越多的高频段天线。基于这个事实,我们就可以通过增加天线数量来补偿高频路径损耗,而又不会增加天线阵列的尺寸。这让在5G毫米波系统中使用massive MIMO技术成为可能。

    克服了这些限制之后,工作于毫米波的5G系统可以提供很多4G无法提供的业务,比如高清视频、虚拟现实、增强现实、无线基站回程(backhaul)、短距离雷达探测、密集城区信息服务、体育场/音乐会/购物中心无线通信服务、工厂自动化控制、远程医疗、安全监控、智能交通系统、机场安全检查等等。毫米波段的开发利用,为5G应用提供了广阔的空间和无限的想象。

    如果有一天毫米波也拥塞了,移动通信系统该如何拓展新疆域呢?如果波长小于1毫米的话,就进入了光的波段范围(红外波段的波长范围是0.76微米——1毫米)。实验室里已经开发出了100GHz以上的晶体管。但是这种晶体管到300GHz左右就基本上没用了。那么该用什么电子元件呢?红外线工作于150THz——430THz,可见光工作于430THz——750THz,紫外线工作于740GHz以上,激光器件、LED和二极管能够生成和检测到这些光。但是这些器件没法工作于300GHz——100THz的频率范围。这个频率范围目前似乎成了盲区。但是,这个现象是暂时的。只要有需求,新科技和新元器件一定会消除这个盲区。

     

    毫米波汽车雷达:我是你的眼

     

    “保命”神器:毫米波的保驾护航

     

    据统计,每年有大约130万人因道路交通事故(车祸)死亡,这其中有94%是来自于驾驶员的失误,而由于车辆本身、天气原因或道路原因所产生的事故只有不到6%。在这94%的失误中间,又有41%是由于认知错误(比如由于天气原因把车看成了人),有33%是由于判断失误(比如本应刹车但却加速,本应右转但却左转),还有11%是由于操作失误(比如本应刹车却未及时刹车)所产生的。

    随着汽车智能化的发展,由于车用毫米波雷达具有探测距离远、带宽长、天线小、集成度高,探测性能稳定,不受探测对象表面形状和颜色影响,不受大气流的影响等优点,以及环境适应性能好的特点,已经成为汽车碰撞预警、自适应巡航、主动安全(ADAS)乃至自动驾驶技术中不可获缺的重要装备。从而通过ADAS或驾驶辅助等功能来避免绝大多数的人为操作失误。

    我国是全球最大汽车生产和消费国家,2015年中国汽车市场已经达到了1.7亿辆的保有量(其中私家车有1.25亿辆),并且今后将按每年近2000万辆的增速快速发展。中国汽车市场占全球汽车销量30%以上,但ADAS份额却显著低于30%。随着消费结构升级和中产阶级购车需求的增加,未来基于毫米波雷达的ADAS需求量呈现爆发式增长。

    据权威机构统计,2015年中国汽车销售量为2459.8万辆,如果2015-2020年我国的乘用车复合增速为4%,到 2020年乘用车全年销量将近约为3000万辆。

    到2020年,如果中国汽车销售量中有15%装配汽车毫米波雷达的话,按每辆车装配2 个,预计2020年的毫米波雷达需求量近900万个,未来五年复合增速约为50%。市场系统总额将突破人民币200亿元,其毫米波核心芯片总额将超过30亿人民币。

    在2015年,全球汽车毫米波雷达的市场规模达到19亿美元(130多亿人民币);预估2020年会达到50亿美元(340多亿人民币)。

     

    电子圈几年的风云变幻、谁主沉浮,现如今毫米波雷达、毫米波通信频繁出现在我们的视线之内,尤其是华为在5G上取得骄人的成绩,毫米波技术更是放在台面上。为什么毫米波技术会在5G、智能汽车能起到如此关键的作用?接下来让我们细数毫米波技术的前世今生和毫米波的继往开来。

     

    毫米波雷达:GaAs→SiGe→CMOS

     

    汽车毫米波雷达是汽车主动安全(ADAS)产品的关键核心部件,目前车载雷达的频率主要分为24GHz频段和77GHz频率。严格来说77GHz的雷达才属于毫米波雷达,但是实际上24GHz的雷达也被称为毫米波雷达。

    值得一提的是,77GHz毫米波雷达能够在全天候场景下快速感知0-300米范围内周边环境物体距离、速度、方位角等信息。

    在发展过程中,低成本、小型化、高集成度已成为毫米波雷达的重要指标,而毫米波技术也与半导体工业发展息息相关。 “早期CMOS工艺并不能实现超高频率,近些年才能实现超高频率”

    从1990年GaAs再到2007年的SiGe,MMIC数量从7-8个减少到2-5个,如今工艺的进步让CMOS技术应用至77GHz毫米波芯片成为现实。

    “CMOS让一颗单芯片就可支撑起整个雷达的任务成为了可能。除此之外,CMOS还让开发时间更短、成本更低、体积更小、散热性更好。”据了解,应用CMOS的毫米波芯片平均可让整体造价降低40%。

    国内外主流汽车毫米波雷达采用频段为24GHz用于短中距离(15-30米)的环境探测,采用77GHz用于长距离(100-200米)的环境探测雷达。现在24GHz雷达也逐渐淡出视野。2016年我国正式启动车用77-81GHz频率作为我国的毫米波雷达研究试验工作。

    由于ADAS的功能,往往是通过传感器+处理器的方式捆绑销售,使得系统供应商在里面担当了产业链中核心角色,基于毫米波雷达的ADAS技术主要由大陆、博世、电装、奥托立夫等传统零部件系统供应商巨头所垄断。国内已有厂商如华域汽车、杭州智波、芜湖森思泰克、北京行易道等也在开发毫米波雷达产品有所突破,有的产品已问世或即将问世。但大多都是在采购国外的芯片的基础上进行再开发,性能、价格完全受制于人。

    前端单片毫米波集成电路(MMIC)技术主要由在国外半导体公司掌控, 基本在英飞凌、ST、恩智浦∕飞思卡尔等极少数国外芯片厂商手中。国内24G/77GHz毫米波集成电路(MMIC)已取得突破,24GHz毫米波集成电路(MMIC)已由厦门意行24GHz集成电路(MMIC)量产并试用中,但不具备生产能力,且随着技术的进步,不再是主流产品。但77GHz毫米波集成电路(MMIC)的研制,由于国外的封锁,国内一直积累不深,唯一的豪米波雷达国家重点实验室-东南大学也一直在研发77GHz毫米波集成电路,但还不具备成熟的MMIC,沈阳承泰、厦门意行目前也都在进行研发但仍没有产品面世。

    加快开发国产的77GHZ毫米波雷达芯片并尽快车载应用,将是我国汽车毫米波雷达产业摆脱受制于人的机遇。

    毫米波雷达相对于单眼或立体摄像头和红外雷达的测量距离更长,且不受白天黑夜的影响,并且毫米波雷达在恶劣天气状况下的表现也相对更优。但,在目前的技术条件下,毫米波雷达对行人以及自行车等较小障碍物的探测能力还比较弱。这种现象在中国将更加突出,由于3mm以上频段可以克服上述的缺陷,所以后期随着技术的发展及工艺的成熟,存在着向更高的频段如3mm频段延伸的可能。德国已有类似产品问世。

     

    其他领域的应用:生活的“安全卫士”

     

    1、民用直升机与无人机市场

     

    随着我国国民经济的发展及开放低空飞行,民用直升机及无人机也越来越得到普及。近期就有采用无人机进行快递的报道。但不可避免的存在与高压电线等碰撞的危险。为避免事故的发生,这也让民用3mm防撞雷达系统的快速发展提供了机会。随着量的增加,成本必然有这大幅度的降低。

    3mm防撞雷达和直升机着陆雷达系统的核心之一就是雷达视觉传感器,就此单一产品市场规模,据目前世界权威机构发布的雷达视觉传感器市场,预计2022年底达到300亿美元(2000亿人民币)。

     

    2、3mm安检系统

     

    近年来,随着国际形势的复杂多变,各种各样的恐怖活动此起彼伏,如:爆炸、劫持飞机、绑架、暗杀、武装袭击以及寄送邮件炸弹等等。特别是在人群密集的重要场所,如何实现爆恐分子的快速甄别和人身藏匿携带刀具、爆炸物等危爆物品的快速检查和预警,是目前重要场所人身安检面临的难题。为了有效地防范和打击这些犯罪活动的发生和扩展,各国警方都使用安全检查技术装备对危险物品、违禁物品有针对性地进行防爆安全检查。传统的安全检查设备,如X 射线检测仪、金属武器检测门等,能发现金属武器和普通炸药等危险物品,曾在安全检查工作中发挥了重要作用。

    但由于近年来恐怖分子配备的武器越来越先进(如:Semtex可塑炸药、陶瓷刀具、塑料枪、高精度炸弹等),需要配以“搜身”式的检查,从而带来效率低下、隐私侵犯等一系列的问题。促使世界各国都在探索研究更先进的安全检查新技术、新设备。通道式94GHz毫米波安防检查系统就是针对当前的安防检查需要,结合最新的毫米波领域的研究成果而提出的新型安防检查装备,由于其能准确、快速和非侵入式地对探测目标是否携带禁止物进行检查,必将满足安防检查日益增长的特殊需要,拥有极其广阔的市场及发展前景。

    毫米波安检门(94GHz,3mm毫米波)未来将被广泛用于机场、车站、会场、大型体育场、海关安检、珠宝店、矿场等重要场所。从应用地点来说,所有的机场、火车站、汽车站、客运码头、等设施都可以配备数量与客流量相符合的人体安检设备,仅在公共交通领域,太赫兹人体安检设备的潜在市场规模就可达到数十亿甚至百亿的规模。事实上该设备也可以被运用在政府大楼、学校、医院、监狱、法院等等各种其他公共设施处,其可见的市场规模估计可在千亿元量级,其核心芯片的总额也将达到200亿人民币左右。

     

    3、毫米波电子栅栏

     

    目前国内应用于电子围栏监控较为普遍的是红外对射设备,它的优点是技术简单,价格低廉,同时,缺点也比较显著,比如:红外对射设备误报警率高及雨、雾、雪天不能正常工作等缺陷,对于要求较高的场所一般不能使用。而毫米波警戒报警监测雷达系统能够给不规则的地形提供区域保护,该系统在入侵者进入该保护区域时监控中心检测入侵信息并发出报警声音。

    毫米波波束雷达具有安装简单、操作方便、误码率低及全天候正常工作等优点。

    系统主要由毫米波波束传感器组件组合而成,可以在户外全天候运行,其性能受环境影响小。主要用于厂房、仓库、机关、输油管道、高压变电所、交通道口等比较重要的场合。可实现年产值不小于2亿人民币。

     

    4、机场跑道异物检查

     

    世界上第一个也是唯一一款超音速飞机因2000年7月份的事故不再服役,事故的原因就是飞机跑道上的碎片划破了飞机轮胎产生的单片又戳破了飞机的油箱,引发火灾,最后导致飞机撞向巴黎郊区的一个小旅馆。自从那以后飞机跑道上的碎片障碍物检测成为了各大机场着重关心的任务。

    由于 3 mm的雷达具有极高的分辨率和精度,常常可以在飞机跑道两侧放置用来检测跑道及跑道周围的微小异物、鸟以及其他易被飞机发动机吸入从而对飞机飞行存在安全隐患的各种动物。如果在所有的军民用机场部署,将大大提高飞机起降的安全性。且 3 毫米雷达较目前国外安装的微波和 8 毫米雷达而言,体积很小,很轻,能够探测更细微的物体,便于快速安装和部署。

     

    声明:本文技术内容资料参考自百度百科、21ic中国电子网、三点半说、众联空间等。 

     

    21ic技术专访延伸阅读:

    国产77GHz毫米波雷达如何兼顾低成本与小型化? CMOS技术终破局

    最具竞争力的CMOS芯片?CMOS工艺爆发期Alps能否摘得桂冠

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