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一文看透毫米波的前世今生,為什么說5G、智能汽車離不開毫米波技術

2020-08-19 來源:21IC 我要評論(0) 字號:

電子圈幾年的風云變幻、誰主沉浮,現如今毫米波雷達、毫米波通信頻繁出現在我們的視線之內,尤其是華為在5G上取得驕人的成績,毫米波技術更是放在臺面上。為什么毫米波技術能在5G、智能汽車中起到如此關鍵的作用?接下來讓我們細數毫米波技術的前世今生和毫米波的繼往開來。

毫米波技術誕生史:生來就不平凡

毫米波的概念并非一個新興概念,距今已有30年歷史。無線電波中30~300GHz頻域(波長為1~10mm)的電磁波稱作毫米波,它位于微波與遠紅外波相交疊的波長范圍,因而兼有兩種波譜的特點。毫米波的理論和技術分別是微波向高頻的延伸和光波向低頻的發展。

毫米波技術的創新應用包括電信、無線通信、汽車、國防和航空航天、成像、安全、醫療和其它工業應用。然而,對于無線通信和汽車雷達傳感器這兩個增長最快速的應用,毫米波通常是指頻率范圍在24至86GHz之間的多個頻帶。

1、毫米波的特點:

1)是一種典型的視距傳輸方式

毫米波以直射波的方式在空間進行傳播,波束很窄,具有良好的方向性。一方面,由于毫米波受大氣吸收和降雨衰落影響嚴重;另一方面,由于頻段高,干擾源很少,所以傳播穩定可靠。

2)具有“大氣窗口”

影響毫米波傳播的主要氣體是氧分子和水蒸氣,這些氣體的諧振將會對毫米波頻率產生選擇性吸收與散射。由氧分子諧振引起的吸收峰出現在60和120GHz附近,而由水蒸氣諧振引起的吸收峰出現在22和183GHz附近,在整個毫米波頻段有四個傳播衰減相對較小的“大氣窗口”,它們的中心頻率在35GHz、45GHz、94GHz、140GHz、220GHz附近,這些“窗口”對應的帶寬分別是16GHz、23GHz、26GHz、70GHz。在這些特殊頻段附近,毫米波傳播受到的衰減較小,比較適用于點對點通信。

3)降雨時衰減嚴重

與微波相比,毫米波信號在惡劣的氣候條件下,尤其是降雨時的衰減要大許多,嚴重影響傳播效果。經過研究得出的結論是,毫米波信號降雨時衰減的大小與降雨的瞬時強度、距離長短和雨滴形狀密切相關。進一步的驗證表明:通常情況下,降雨的瞬時強度越大、距離越遠、雨滴越大,所引起的衰減也就越嚴重。因此,對付降雨衰減最有效的辦法是在進行毫米波通信系統或通信線路設計時,留出足夠的電平衰減余量。

4)對沙塵和煙霧具有很強的穿透能力

激光和紅外對沙塵和煙霧的穿透力很差,而毫米波在這點上具有明顯優勢。大量現場試驗結果表明, 毫米波對于沙塵和煙霧具有很強的穿透力,幾乎能無衰減地通過沙塵和煙霧。甚至在有爆炸和金屬箔條產生的較高強度散射的條件下,即使出現衰落也是短期的,很快就會恢復。隨著離子的擴散和降落,不會引起毫米波信號的嚴重中斷。

2、毫米波的優點:

1)極寬的帶寬

通常認為毫米波頻率范圍為26。5~300GHz,帶寬高達273。5GHz,超過從直流到微波全部帶寬的10倍。即使考慮大氣吸收,在大氣中傳播時只能使用四個主要窗口,但這四個窗口的總帶寬也可達135GHz,為微波以下各波段帶寬之和的5倍。這在頻率資源緊張的今天無疑極具吸引力。

2)波束窄

在相同天線尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多。例如一個12cm的天線,在9。4GHz時波束寬度為18度,而94GHz時波速寬度僅1。8度。因此能分辨相距更近的小目標或更為清晰地觀察目標的細節。

3)探測能力強

可以利用寬帶廣譜能力來抑制多徑效應和雜亂回波。有大量頻率可供使用,有效的消除相互干擾。在目標徑向速度下可以獲得較大的多譜勒頻移,從而提高對低速運動物體或振動物體的探測和識別能力。

4)安全保密好

毫米波通信的這個優點來自兩個方面:

缅甸玉和国际a)由于毫米波在大氣中傳播受氧氣、水氣和降雨的吸收衰減很大,點對點的直通距離很短,超過這個距離信號就會變得十分微弱,這就增加了敵方進行竊聽和干擾的難度。

b)毫米波的波束很窄,且副瓣低,這又進一步降低了其被截獲的概率。

5)傳輸質量高

由于頻段高,毫米波通信基本上沒有什么干擾源,電磁頻譜極為干凈,因此,毫米波信道非常穩定可靠,其誤碼率可長時間保持在10-12量級,可與光纜的傳輸質量相媲美。

6)全天候通信

毫米波對降雨、沙塵、煙霧和等離子的穿透能力卻要比大氣激光和紅外強得多。這就使得毫米波通信具有較好的全天候通信能力,保證持續可靠地工作。

7)元件尺寸小

和微波相比,毫米波元器件的尺寸要小得多。因此毫米波系統更容易小型化,降低產品的重量。

3、與微波、紅外、可見光、激光的特性對比:

與微波相比,毫米波受惡劣氣候條件影響大,但分辨力高,結構輕小,便于裝載;與紅外和可見光比,毫米波系統雖沒有那樣高的分辨力,但通過煙霧灰塵的傳輸特性好;與激光相比,毫米波的傳播受氣候的影響要小得多,可以認為具有全天候特點。

4、毫米波技術從誕生到商用:

毫米波商業市場的增長開始于20世紀90年代初期對蜂窩回程的需求。當時,較低頻率(1至18GHz)的遠程無線電中繼鏈路已經使用了很長一段時間,但是快速發展的蜂窩基礎設施需要更高的頻率和更短程的鏈路。這些點對點無線電使用23、26和38GHz的許可頻段(圖2),輻射范圍不足10公里,使得在快速部署階段得以建立全球移動通信基礎設施。當RF技術發展到MMIC的應用不斷增加時,這些進步就應運而生。最近新增了一些更高的頻率,包括免許可的57至64GHz頻帶、71-76和81-86GHz的lightly licensed頻段,這些頻段提供了更高的帶寬、更大的容量和更小的尺寸,但傳播距離也更短。所有這些頻段目前正用于蜂窩通信基礎設施內外的點到點數字無線電鏈路,提供數Gbps的容量。這一應用主要采用光纖鏈路,但是毫米波鏈路能夠以更低的成本和更快的速度實現這一應用。此外,許多地方由于地形或其它因素,甚至無法使用光纖鏈路。

5G毫米波通信:“永動機”,無窮無盡的頻率資源

隨著移動通信、衛星通信以及星載電子等方面的迅猛發展,對系統的容量要求越來越高。由于在高頻微波頻段有著極為豐富的頻譜資源,現代通信系統正在向高頻微波特別是毫米波頻段發展。

美國是世界上第一個確定5G高端頻譜的國家,新增的頻段集中在3。8-7GHz、27-40GHz、64-71GHz的低、中、高三大頻段。按照一般規律,我國也會使用這個頻段或近似的頻段。不含接收等其它器件,光PA芯片到2020年估計將達到40億美元。而我國是全球最大的手機生產基地,同時華為、vivo、oppo、小米、魅族、聯想等國產品牌的手機銷售量占全球的30%以上。憑借龐大的終端市場需求,手機供應鏈向大陸轉移是必然的產業趨勢,國產化的需求是日趨強烈,國家對高頻芯片的投入也必然是每年遞增。毫米波高端終端芯片國產芯片占一定的份額也將是必然。

2015—2020年,全球范圍內會有超過60億美元(400多億人民幣)將用于在5G研發和試驗投資。毫米波相關的市場最高約占其中的30%,約18億美元(120多億人民幣)。待2020年后5G市場進入正式商業應用階段,這個市場將是海量規模和具有無限發展前景的。

5G毫米波通信“寶藏”般的價值

1、5G的價值在于它擁有比4G LTE更快的速度(峰值速率可達幾十Gbps)。

2、無線傳輸增加傳輸速率一般有兩種方法,一是增加頻譜利用率,二是增加頻譜帶寬。

5G使用的毫米波(頻帶是26。5到300GHz)就是通過第二種方法來提升速率。以28GHz頻段為例,其可用頻譜帶寬達到了1GHz,而60GHz頻段每個信道的可用信號帶寬則為2GHz。

3、與傳統工作在2。6GHz或3。5GHz上的4G網絡相比,毫米波頻段網絡的傳輸信道將會存在額外的數十dB的傳播損耗。

4、現有的4G基站只有十幾根天線,但5G基站可以支持上百根天線,這些天線可以通過Massive MIMO技術形成大規模天線陣列,這就意味著基站可以同時從更多用戶發送和接收信號,從而將移動網絡的容量提升數十倍或更大。MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)的意思是多輸入多輸出,實際上這種技術已經在一些4G基站上得到了應用。但到目前為止,Massive MIMO僅在實驗室和幾個現場試驗中進行了測試。

5、Starry公司指出,毫米波的傳播距離最多只能在200米左右,無法實現遠距離傳輸。另外,毫米波的穿透能力也不強,遇到墻或者其他阻礙就無法發揮作用。

6、5G數據傳輸的延遲將不超過1毫秒(相比之下,今天的4G網絡的延遲約為70毫秒),而且數據下載的峰值速度將可以高達20Gb/s(4G為1Gb/s)。

7、為了統一全球的毫米波頻率標準,國際電信聯盟(ITU)在近期的世界無線電通訊大會結束后,公布了24GHz到86GHz之間的全球可用頻率的建議列表,最后28GHz、39GHz與73GHz三個頻帶逐漸脫穎而出。73GHz中有2GHz的連續帶寬可用于移動通訊,這是擬議頻率頻譜中范圍最廣的;28GHz僅提供850MHz的帶寬;在美國,39GHz附近就有兩個頻帶提供1.6GHz與1.4GHz帶寬。此外,根據Shannon定律,即更高的帶寬代表更高的數據傳輸量,73GHz與另外兩個頻率相較更具優勢。

缅甸玉和国际8、我們保守估計,我國5G毫米波頻段基站射頻系統的市場規模:2019年為24億元,2020 年為72億元,2021年達到120億元。

5G移動通信網絡:離不開你,毫米波

缅甸玉和国际1、由于6GHz以下頻段在廣域覆蓋方面的優勢,頻譜已經被包括民用移動通信在內的領域大量使用,可用頻段資源特別是大帶寬資源已經十分有限,而5G對超高速率和大容量通信的要求需要大帶寬的頻段資源,需要往6GHz以上的頻段開發未利用的頻段資源,毫米波頻段存在大量大帶寬的頻譜資源,可以被有效利用。

利用毫米波頻段,5G無線空口技術將計劃由高頻段新空口和低頻段新空口兩部分組成,高頻段新空口聯合低頻空口將重點用于熱點覆蓋場景。國際上對于5G毫米波頻段資源的分配已經快速推進, 美國聯邦通信委員會(FCC)已于2015年10月發布了擬議規范公告,針對28GHz、37GHz、39 GHz、64-71GHz頻帶提出了全新且靈活的服務規則。日本NTT也已提議將3。5GHz、4。5GHz和28 GHz頻段作為5G服務的潛在備選頻段。我國工信部在6月征求毫米波頻段意見方案發布以后,于7月已確定將毫米波高頻段24。75GHz-27。5GHz、37GHz-42。5GHz用于5G研發試驗。

2、Massive MIMO很適合在移動通信中與毫米波頻段配合使用,毫米波波長較短的特點使其天線平面在理論上可以布置更多的天線單元,由于毫米波傳播衰減較為嚴重,大規模天線陣列以及波束賦形(beamforming)能有效提升天線增益,來補償高頻通信的傳輸損失,使其在熱點覆蓋場景能形成100-200米的覆蓋目標。

Massive MIMO由貝爾實驗室科學家Thomas L.Marzetta于2010年底提出,和LTE相比,同樣占用20MHz的帶寬,Massive MIMO的小區吞吐率可以達到1200Mbit/s,頻率利用率達到了60Bit/s/Hz/小區。MIMO技術原先已經廣泛應用于LTE、WIFI等領域,理論上天線越多,頻譜效率和傳輸可靠性就會越高。4G移動通信時代基站天線支持4x4、8x8MIMO,下行峰值速率100Mbps,LTE-A已可支持64x64MIMO,下行峰值速率達到1Gbps。MIMO技術為實現在高頻段上進行移動通信提供了廣闊前景,可以成倍提升無線頻譜效率,增強網絡覆蓋和系統容量,幫助運營商最大限度利用已有站址和頻譜資源。從理論角度,假設有一個20平方厘米的天線物理平面,如果天線以0.5λ的間距排列,那么如果工作頻段在3.5GHz,可以部署16根天線,而如果頻段在10GHz,可以部署169根天線,如果在20GHz,則可以部署676根天線。

5G因為要滿足多個行業和場景,所以它的頻譜也是低中高三個方面需求。而低頻頻譜資源緊張一直是國際問題,在很長一段歷史時期,毫米波段屬于蠻荒之地。為什么呢?原因很簡單,因為幾乎沒有電子元件或設備能夠發送或者接收毫米波。為什么沒有電子設備發送或者接收毫米波?有兩個原因。第一個原因是,毫米波不實用。雖然毫米波能提供更大的帶寬,更高的數據速率,但是以前的移動應用不需要這么大的帶寬和這么高的數據速率,毫米波沒有市場需求。而且毫米波還有一些明顯的限制,比如傳播損耗太大,覆蓋范圍太小等等。第二個原因是,毫米波太貴。生產能工作于毫米波頻段的亞微米尺寸的集成電路元件一直是一大挑戰。克服傳播損耗、提高覆蓋范圍也意味著大把的金錢投入。但是,近十幾年以來,一切都改變了。隨著移動通信的飛速發展,30GHz之內的頻率資源幾乎被用完了。各國政府和國際標準化組織已經把所有的“好”頻率都分配完畢,但還是存在頻率短缺和頻率沖突。4G蜂窩系統的發展以及即將到來的5G都依賴于合適的頻率分配。問題是,幾乎沒剩下什么頻率了。現在,頻率就像房子,可以用一個字來形容,“貴”!對房子來說,第一是地段,第二是地段,第三還是地段。這樣的描述同樣適用于無線頻率。

毫米波就像美洲新大陸,給移動用戶和移動運營商提供了“無窮無盡”的頻率資源。

國內5G毫米波通訊現狀

早在6月8日,工信部就公開征集對高頻頻段24。75-27。5GHz、37-42。5GHz或其他毫米波頻段5G系統頻率規劃的意見。此次征求意見的3。3GHz-3。6GHz頻段已經在此前的5G試驗中使用,屬于意料之中會采用的頻段,而高頻段特別是24。75GHz-27。5GHz、37GHz-42。5GHz毫米波頻段將用于5G顯著超出市場預期。

IMT-2020(5G)推進組副主席王志勤曾在公開演講中表示,在高頻段通信方面,對于前期預商用而言,20GHz-40GHz擁有更高的優先性,同時26GHz和28GHz、38GHz和42GHz頻段可采用同一組射頻器件,將更有可能實現全球協調統一。

根據3GPP 38.101協議的規定,5GNR主要使用兩段頻率:FR1頻段和FR2頻段。FR1頻段的頻率范圍是450MHz—6GHz,又叫sub 6GHz頻段;FR2頻段的頻率范圍是24.25GHz—52.6GHz,這就是我們通常所說的毫米波(mmWave)。

由于3GPP決定5G NR繼續使用OFDM技術,因此相比4G而言,5G并沒有顛覆性的技術革新,而毫米波差不多就成了5G最大的“新意”。而5G其它新技術的引入,比如massive MIMO、新的numerology(子載波間隔等)、LDPC/Polar碼等等,都與毫米波密切相關,都是為了讓OFDM技術能更好地擴展到毫米波段。為了適應毫米波的大帶寬特征,5G定義了多個子載波間隔,其中較大的子載波間隔(60KHz和120KHz)就是專門為毫米波設計的。前面提到過的massive MIMO技術也是為毫米波而量身定制。因此,5G也可以被稱為“擴展到毫米波的增強型4G”或者“擴展到毫米波的增強型LTE”。

有人認為,毫米波(mmWave)只能指EHF頻段,即頻率范圍是30GHz——300GHz的電磁波。因為30GHz電磁波的波長是10毫米,300GHz電磁波的波長是1毫米。24。25GHz電磁波的波長是12。37毫米,可以叫它毫米波,也可以叫它厘米波。但是實際上,毫米波只是個約定俗成的名稱,沒有哪個組織對其有過嚴格的定義。有人認為,頻率范圍在20GHz(波長15毫米)——300GHz之間的電磁波都可以算毫米波。現在我們能夠隨意使用20GHz到300GHz之間的任意毫米波嗎?

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協議38.101-2 Table 5.2-1為5G NR FR2波段定義了3段頻率,分別是:

n257(26.5GHz——29.5GHz);
n258(24.25GHz——27.5GHz);
n260(37GHz——40GHz);
都使用TDD制式。

美國FCC則建議5G NR使用以下頻段:24-25GHz(24.25-24.45/24.75-25.25GHz)、32GHz(31.8-33.4GHz)、42GHz(42-42.5GHz)、48 GHz(47.2-50.2GHz)、51GHz (50.4-52.6GHz)、70GHz(71-76GHz)和80 GHz(81-86GHz),同時建議研究用高于95GHz的頻率來承載5G。

為什么不能隨意使用毫米波頻率呢?除了規模化經濟效益的考慮之外,毫米波中有些頻率的“地段”特別差。這里,影響“地段”的因素是空氣,所以確切地說應該是這些頻率的“天段”特別差。無線電波在傳播時,大氣會選擇性地吸收某些頻率(波長)的電磁波,造成這些電磁波的傳播損耗特別嚴重。吸收電磁波的主要是兩種大氣成分:氧氣和水蒸氣。水蒸氣引起的共振會吸收22GHz和183 GHz附近的電磁波,而氧氣的共振吸收影響的是60GHz和120GHz附近的電磁波。所以我們可以看到,不管哪個組織分配毫米波資源,都會避開這4個頻率附近的頻段。而高于95GHz的毫米波由于技術上的難度,暫時還不做考慮。除了這個只能避開的“天段”因素,毫米波的其它限制我們只能面對,并且想辦法克服。否則,毫米波就無法使用。

最關鍵的限制之一是毫米波的傳播距離實在有限。物理定律告訴我們,在發射功率不變的情況下,波長越短,傳播距離越短。在很多場景下,這個限制會導致毫米波的傳播距離超不過10米。

根據理想化的自由空間傳播損耗公式,傳播損耗L=92.4+20log(f)+20log(R),其中f是單位為GHz的頻率,R是單位為公里的距離,而L的單位是dB。一個70GHz的毫米波傳播10米遠之后,損耗就達到了89.3dB。而在非理想的傳播條件下,傳播損耗還要大得多。毫米波系統的開發者必須通過提高發射功率、提高天線增益、提高接收靈敏度等方法來補償這么大的傳播損耗。

任何事物都有兩面性。傳播距離過小有時候反而成了毫米波系統的優勢。比如,它能夠減少毫米波信號之間的干擾。毫米波系統使用的高增益天線同時具有較好的方向性,這也進一步消除了干擾。這樣的窄波束天線既提高了功率,又擴大了覆蓋范圍,同時增強了安全性,降低了信號被截聽的概率。

另外,“高頻率”這個限制因素會減少天線的尺寸,這又是一個意外的驚喜。假設我們使用的天線尺寸相對無線波長是固定的,比如1/2波長或者1/4波長,那么載波頻率提高意味著天線變得越來越小。比如說,一個900M GSM天線的長度是幾十厘米左右,而毫米波天線可能只有幾毫米。這就是說,在同樣的空間里,我們可以塞入越來越多的高頻段天線。基于這個事實,我們就可以通過增加天線數量來補償高頻路徑損耗,而又不會增加天線陣列的尺寸。這讓在5G毫米波系統中使用massive MIMO技術成為可能。

缅甸玉和国际克服了這些限制之后,工作于毫米波的5G系統可以提供很多4G無法提供的業務,比如高清視頻、虛擬現實、增強現實、無線基站回程(backhaul)、短距離雷達探測、密集城區信息服務、體育場/音樂會/購物中心無線通信服務、工廠自動化控制、遠程醫療、安全監控、智能交通系統、機場安全檢查等等。毫米波段的開發利用,為5G應用提供了廣闊的空間和無限的想象。

如果有一天毫米波也擁塞了,移動通信系統該如何拓展新疆域呢?如果波長小于1毫米的話,就進入了光的波段范圍(紅外波段的波長范圍是0.76微米——1毫米)。實驗室里已經開發出了100GHz以上的晶體管。但是這種晶體管到300GHz左右就基本上沒用了。那么該用什么電子元件呢?紅外線工作于150THz——430THz,可見光工作于430THz——750THz,紫外線工作于740GHz以上,激光器件、LED和二極管能夠生成和檢測到這些光。但是這些器件沒法工作于300GHz——100THz的頻率范圍。這個頻率范圍目前似乎成了盲區。但是,這個現象是暫時的。只要有需求,新科技和新元器件一定會消除這個盲區。

毫米波汽車雷達:我是你的眼

“保命”神器:毫米波的保駕護航

據統計,每年有大約130萬人因道路交通事故(車禍)死亡,這其中有94%是來自于駕駛員的失誤,而由于車輛本身、天氣原因或道路原因所產生的事故只有不到6%。在這94%的失誤中間,又有41%是由于認知錯誤(比如由于天氣原因把車看成了人),有33%是由于判斷失誤(比如本應剎車但卻加速,本應右轉但卻左轉),還有11%是由于操作失誤(比如本應剎車卻未及時剎車)所產生的。

隨著汽車智能化的發展,由于車用毫米波雷達具有探測距離遠、帶寬長、天線小、集成度高,探測性能穩定,不受探測對象表面形狀和顏色影響,不受大氣流的影響等優點,以及環境適應性能好的特點,已經成為汽車碰撞預警、自適應巡航、主動安全(ADAS)乃至自動駕駛技術中不可獲缺的重要裝備。從而通過ADAS或駕駛輔助等功能來避免絕大多數的人為操作失誤。

我國是全球最大汽車生產和消費國家,2015年中國汽車市場已經達到了1.7億輛的保有量(其中私家車有1.25億輛),并且今后將按每年近2000萬輛的增速快速發展。中國汽車市場占全球汽車銷量30%以上,但ADAS份額卻顯著低于30%。隨著消費結構升級和中產階級購車需求的增加,未來基于毫米波雷達的ADAS需求量呈現爆發式增長。

據權威機構統計,2015年中國汽車銷售量為2459。8萬輛,如果2015-2020年我國的乘用車復合增速為4%,到2020年乘用車全年銷量約為3000萬輛。

到2020年,如果中國汽車銷售量中有15%裝配汽車毫米波雷達的話,按每輛車裝配2個,預計2020年的毫米波雷達需求量近900萬個,未來五年復合增速約為50%。市場系統總額將突破人民幣200億元,其毫米波核心芯片總額將超過30億人民幣。

在2015年,全球汽車毫米波雷達的市場規模達到19億美元(130多億人民幣);預估2020年會達到50億美元(340多億人民幣)。

毫米波雷達:GaAs→SiGe→CMOS

汽車毫米波雷達是汽車主動安全(ADAS)產品的關鍵核心部件,目前車載雷達的頻率主要分為24GHz頻段和77GHz頻率。嚴格來說77GHz的雷達才屬于毫米波雷達,但是實際上24GHz的雷達也被稱為毫米波雷達。

值得一提的是,77GHz毫米波雷達能夠在全天候場景下快速感知0-300米范圍內周邊環境物體距離、速度、方位角等信息。

在發展過程中,低成本、小型化、高集成度已成為毫米波雷達的重要指標,而毫米波技術也與半導體工業發展息息相關。“早期CMOS工藝并不能實現超高頻率,近些年才能實現超高頻率”。

從1990年GaAs再到2007年的SiGe,MMIC數量從7-8個減少到2-5個,如今工藝的進步讓CMOS技術應用至77GHz毫米波芯片成為現實。

“CMOS讓一顆單芯片就可支撐起整個雷達的任務成為了可能。除此之外,CMOS還讓開發時間更短、成本更低、體積更小、散熱性更好。”據了解,應用CMOS的毫米波芯片平均可讓整體造價降低40%。

國內外主流汽車毫米波雷達采用頻段24GHz用于短中距離(15-30米)的環境探測,采用77GHz用于長距離(100-200米)的環境探測雷達。現在24GHz雷達也逐漸淡出視野。2016年我國正式啟動車用77-81GHz頻率作為我國的毫米波雷達研究試驗工作。

由于ADAS的功能,往往是通過傳感器+處理器的方式捆綁銷售,使得系統供應商在里面擔當了產業鏈中核心角色,基于毫米波雷達的ADAS技術主要由大陸、博世、電裝、奧托立夫等傳統零部件系統供應商巨頭所壟斷。國內已有廠商如華域汽車、杭州智波、蕪湖森思泰克、北京行易道等也在開發毫米波雷達產品有所突破,有的產品已問世或即將問世。但大多都是在采購國外芯片的基礎上進行再開發,性能、價格完全受制于人。

前端單片毫米波集成電路(MMIC)技術主要由國外半導體公司掌控,基本在英飛凌、ST、恩智浦∕飛思卡爾等極少數國外芯片廠商手中。國內24G/77GHz毫米波集成電路(MMIC)已取得突破,24GHz毫米波集成電路(MMIC)已由廈門意行24GHz集成電路(MMIC)量產并試用中,但不具備生產能力,且隨著技術的進步,不再是主流產品。但77GHz毫米波集成電路(MMIC)的研制,由于國外的封鎖,國內一直積累不深,唯一的毫米波雷達國家重點實驗室-東南大學也一直在研發77GHz毫米波集成電路,但還不具備成熟的MMIC,沈陽承泰、廈門意行目前也都在進行研發但仍沒有產品面世。

加快開發國產的77GHZ毫米波雷達芯片并盡快車載應用,將是我國汽車毫米波雷達產業擺脫受制于人的機遇。

毫米波雷達相對于單眼或立體攝像頭和紅外雷達的測量距離更長,且不受白天黑夜的影響,并且毫米波雷達在惡劣天氣狀況下的表現也相對更優。但,在目前的技術條件下,毫米波雷達對行人以及自行車等較小障礙物的探測能力還比較弱。這種現象在中國將更加突出,由于3mm以上頻段可以克服上述的缺陷,所以后期隨著技術的發展及工藝的成熟,存在著向更高的頻段如3mm頻段延伸的可能。德國已有類似產品問世。

其他領域的應用:生活的“安全衛士”

1、民用直升機與無人機市場

缅甸玉和国际隨著我國國民經濟的發展及開放低空飛行,民用直升機及無人機也越來越得到普及。近期就有采用無人機進行快遞的報道。但不可避免的存在與高壓電線等碰撞的危險。為避免事故的發生,這也給讓民用3mm防撞雷達系統的快速發展提供了機會。隨著量的增加,成本必然有著大幅度的降低。

3mm防撞雷達和直升機著陸雷達系統的核心之一就是雷達視覺傳感器,就此單一產品市場規模,據目前世界權威機構發布的雷達視覺傳感器市場報告,預計2022年底達到300億美元(2000億人民幣)。

2、3mm安檢系統

近年來,隨著國際形勢的復雜多變,各種各樣的恐怖活動此起彼伏,如:爆炸、劫持飛機、綁架、暗殺、武裝襲擊以及寄送郵件炸彈等等。特別是在人群密集的重要場所,如何實現爆恐分子的快速甄別和人身藏匿攜帶刀具、爆炸物等危爆物品的快速檢查和預警,是目前重要場所人身安檢面臨的難題。為了有效地防范和打擊這些犯罪活動的發生和擴展,各國警方都使用安全檢查技術裝備對危險物品、違禁物品有針對性地進行防爆安全檢查。傳統的安全檢查設備,如X射線檢測儀、金屬武器檢測門等,能發現金屬武器和普通炸藥等危險物品,曾在安全檢查工作中發揮了重要作用。

但由于近年來恐怖分子配備的武器越來越先進(如:Semtex可塑炸藥、陶瓷刀具、塑料槍、高精度炸彈等),需要配以“搜身”式的檢查,從而帶來效率低下、隱私侵犯等一系列的問題,促使世界各國都在探索研究更先進的安全檢查新技術、新設備。通道式94GHz毫米波安防檢查系統就是針對當前的安防檢查需要,結合毫米波領域的最新研究成果而提出的新型安防檢查裝備。由于其能準確、快速和非侵入式地對探測目標是否攜帶禁止物進行檢查,必將滿足安防檢查日益增長的特殊需要,擁有極其廣闊的市場及發展前景。

毫米波安檢門(94GHz,3mm毫米波)未來將被廣泛用于機場、車站、會場、大型體育場、海關安檢、珠寶店、礦場等重要場所。從應用地點來說,所有的機場、火車站、汽車站、客運碼頭等設施都可以配備數量與客流量相符合的人體安檢設備,僅在公共交通領域,太赫茲人體安檢設備的潛在市場規模就可達到數十億甚至百億的規模。事實上該設備也可以被運用在政府大樓、學校、醫院、監獄、法院等等各種其他公共設施處,其可見的市場規模估計可在千億元量級,其核心芯片的總額也將達到200億人民幣左右。

3、毫米波電子柵欄

目前國內應用于電子圍欄監控較為普遍的是紅外對射設備,它的優點是技術簡單,價格低廉,同時,缺點也比較顯著,比如:紅外對射設備誤報警率高及雨、霧、雪天不能正常工作等缺陷,對于要求較高的場所一般不能使用。而毫米波警戒報警監測雷達系統能夠給不規則的地形提供區域保護,該系統在入侵者進入該保護區域時監控中心檢測入侵信息并發出報警聲音。

毫米波波束雷達具有安裝簡單、操作方便、誤碼率低及全天候正常工作等優點。

系統主要由毫米波波束傳感器組件組合而成,可以在戶外全天候運行,其性能受環境影響小。主要用于廠房、倉庫、機關、輸油管道、高壓變電所、交通道口等比較重要的場合。可實現年產值不小于2億人民幣。

4、機場跑道異物檢查

世界上第一個也是唯一一款超音速飛機因2000年7月份的事故不再服役,事故的原因就是飛機跑道上的碎片劃破了飛機輪胎,產生的碎片又戳破了飛機的油箱,引發火災,最后導致飛機撞向巴黎郊區的一個小旅館。自從那以后飛機跑道上的碎片障礙物檢測成為了各大機場著重關心的任務。

由于3毫米的雷達具有極高的分辨率和精度,常常可以在飛機跑道兩側放置用來檢測跑道及跑道周圍的微小異物、鳥以及其他易被飛機發動機吸入從而對飛機飛行存在安全隱患的各種動物。如果在所有的軍民用機場部署,將大大提高飛機起降的安全性。且3毫米雷達較目前國外安裝的微波和8毫米雷達而言,體積很小,很輕,能夠探測更細微的物體,便于快速安裝和部署。

本文轉載自:21IC
聲明:本文技術內容資料參考自百度百科、21ic中國電子網、三點半說、眾聯空間等。
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