毫米波雷達是工作在毫米波波段探測的雷達，產生于國外，經過十年發展，在2013年進入中國。相關數據分析，截止2023年6月，國內毫米波雷達核心環節企業增加到263家，相較2019年新增66家。目前，隨著智能化演進，該產業也迎來了蓬勃發展的新階段。
關于毫米雷達領域有什么最新進展和發展趨勢？近期鈦資本邀請到盧煜旻博士來進行分享，主題是：毫米波雷達領域進展分享。盧博士是復旦大學材料系學士，密西根大學電子工程系博士學位，在半導體、射頻及微波集成電路領域擁有20 年以上豐富的產品開發經驗，曾任美國恩智浦半導體公司波士頓新產品中心主任工程師，是射頻芯片產品的開發的主要負責人，目前擔任矽杰微電子 (廈門) 有限公司和浙江芯力微電子股份有限公司的董事長兼總經理，致力于研發全自主知識產權的毫米波雷達芯片。本期分享主持人是鈦資本董事總經理朱玉韜先生，他長期關注半導體、智能汽車、先進制造等相關硬科技領域，擁有商業和技術的復合理解能力，市場及銷售管理能力。以下為分享實錄：
雷達原理
雷達本身的工作原理并不復雜，原則上，發射機發射特定制式的電磁波到目標，當電磁波反射回來時，通過分析回波，我們可以獲取目標的距離、速度和角度信息。電磁波需要進行一定的調制，而根據不同的調制方式，毫米波雷達大致有幾種不同的制式。
一是大家熟悉的FMCW頻率可調的連續波雷達。FMCW雷達發射的是一個頻率線性變化的電磁波。由于發射波和接收波在時間上存在差異，形成頻率上的差異。通過測量這個頻率差異，我們可以計算飛行時間。
二是脈沖雷達。顧名思義，發射的是脈沖。發射后，在接收機端，我們在一系列時間延遲上檢查接收情況，從而計算飛行時間。
三是PNCW，即相位可調的連續波雷達。PNCW雷達與GPS的工作原理相似，都利用偽隨機噪聲碼。PRN碼具有一個重要特點，即對所有時間延遲的自相關值為零，只有精確對齊才會產生一個。PMCW雷達利用這個特點確定飛行時間，從而計算距離。雷達下游廠商選擇使用哪種雷達制式，很大程度上受到芯片能夠支持的限制。目前市面上更常見的是支持FMCW的芯片，因此FMCW雷達在行業中比較普遍。
毫米波雷達傳感器
前面提到，雷達獲取目標的速度、距離和角度三個信息。速度信息是通過計算電磁波的多普勒頻移特性來獲取；距離是通過電磁波的飛行時間獲得；角度信息則是通過天線的相位差來獲取，包括水平面和俯仰角度。雷達的分辨率對于其性能至關重要。分辨率和精度是兩個不同的概念，精度與測量誤差和噪聲相關，通常可以通過信號處理提高。分辨率則是雷達能夠成功區分兩個物體的最小量，一般無法通過后端信號處理提高。提高速度分辨率，必須增加測量時間。提高距離分辨率需要增加信號帶寬。提高角度分辨率通常需要增加天線數量，這與后面將提到的四維雷達相關。現代雷達，其關鍵核心元器件包括天線、收發機和計算單元。
天線是雷達中非常重要的組成部分。大多數汽車雷達，包括目前在工業和消費端使用的雷達，通常采用微帶陣列天線。微帶陣列天線的優勢是成本較低，而且非常容易生產，基本上與PCB生產放在一起。但隨著雷達天線通道數量的增加，微帶陣列天線在性能、隔離度和空間布局方面存在一定的局限。目前行業正在重新評估更為傳統的波導天線在汽車雷達上的應用。在這里，列出了兩種常見的波導天線，包括波導的腔體天線和波導縫隙天線。隨著三維打印等新型生產技術的發展，我們有望在下一代汽車雷達中看到這兩種波導天線的應用。
天線設計是一個非常細分的領域，有較高的設計門檻。如果我們能夠將天線集成到芯片中，顯然可以簡化下游的一些應用。隨著半導體封裝工藝的發展，毫米波雷達芯片的AIP封裝技術也有了顯著的提升。矽杰微在24GHz的芯片上也有我們的AIP芯片，集成了一個發射天線和一個接收天線。今年的CES上，出現的LOP技術結合了AIP封裝和波導天線，波導天線可以直接安裝在AIP封裝上。利用波導天線的性能優勢，彌補了AIP在增益方面的不足。
4D雷達可能是最近毫米波雷達領域最熱門的話題。4D指的是雷達獲取的目標信息，包括距離、速度、水平面角度和俯仰面角度，共有四個維度的信息。如果將毫米波雷達與其他感知技術進行比較，如激光和攝像頭，可以看到毫米波雷達有一個局限，即空間分辨率有限，這限制了雷達對目標的識別能力。為了提高角度分辨率，我們可以增加天線數量。天線越多，雷達的角度分辨率就會越好。
在目前的雷達系統中，從整個前端的信號接收到FFT的處理，再到最終目標的識別、分類和跟蹤，這些過程都是在傳感器端進行的。
分布式或衛星雷達的概念是將大部分信號處理和目標識別交給中央處理器處理。這樣可以充分利用整個中央處理器的算力和計算資源。通過更高的算力和更多的軟件處理，可以解決毫米波雷達在復雜場景和多目標情況下的穩定檢測等方面的問題。當然，同時也能夠解決4D雷達帶來的更多數據和對更高算力的要求。在今年的CES上，包括TI和NXP都推出了適用于衛星雷達的芯片產品。
從獨立功能的雷達到分布式雷達和集成的域控制器架構，這些產品對整個多傳感器融合也會帶來額外的幫助。因為除了毫米波雷達的信號外，域控制器還可以處理其他傳感器的信號，實現更多傳感器的融合處理。當然，這樣的架構需要在域控制器和雷達前端之間有一個高速的數據傳輸能力，包括高速以太網或其他更高速的連接協議。同時，還需要在車上分布的不同雷達之間實現LO源、時鐘、控制信號等的同步。所有這些工作都需要整個行業上下游的通力合作：從雷達芯片到域控制器的協同解決。
最后關于算法的部分。傳統雷達的算法是對接收機的中頻信號進行濾波，然后進行三維FFT處理，從而獲取目標的信息。這種處理方法屬于我們稱之為經典的程序設計，即按照規則對數據進行處理，以獲得答案。而機器學習則是在已經有了數據和答案的情況下，通過學習彼此之間的因果關系，找到相應的識別規則。將學習獲得的新規則應用到新的數據時，就能更迅速、更智能地獲得答案。
基于矽杰微的RKB2401，我們構建了一個初步的神經網絡進行機器學習。當然，在攝像頭和圖像識別領域，機器學習已經取得了相當多的進展。在毫米波雷達領域，這只是剛剛開始，還有很多工作要做。當然，如果更多的機器學習方法進入毫米波雷達領域，我們也可以預見對算力和計算資源的需求將更高。
前面針對毫米波雷達領域的天線、封裝架構以及算法的進展，我做了一些初步的分析。實際上，人們對雷達芯片的半導體工藝也非常關注。
半導體工藝包含硅基的CMOS工藝、鍺硅的HBT工藝、以及三五族化合物的HBT和氮化鎵工藝。對于這三類半導體工藝，CMOS的優勢在于集成度，它可以實現非常大規模的集成。CMOS是非常適合數字芯片的。化合物半導體在性能上有優勢，適用于高性能的模擬芯片，具有高速度和高功率。而鍺硅工藝介于兩者之間，更適合開發我們稱之為"MMIC"的芯片。?
智能生活對環境感知的需求
可以說，雷達從最初作為一種軍用技術，逐漸發展成為今天不可或缺、非常重要的一種環境感知傳感器。其應用場景并不僅僅局限于汽車領域，還包括工業、交通、安防、無人機、樓宇等領域。
今年的CES展覽中，人工智能幾乎出現在衣食住行的每個領域，對整個傳感器行業而言，這是一個利好的消息，因為所有的人工智能硬件首先需要傳感器和感知功能。
汽車是我們相對熟悉的應用場景之一。汽車雷達在海外20多年前開始發展。到今天，汽車仍然是毫米波雷達中最重要的應用領域之一，包括角雷達和前線雷達，也包括車內人員檢測、車門和后備箱等新的智能感應功能。
毫米波雷達的應用領域也擴展到停車領域。在這里，雷達不是安裝在車上，而是安裝在車周邊。根據不同的安裝位置，我們有不同類型的停車雷達。安裝在地面的稱為地磁雷達，配合地磁進行檢測以提高準確性。而安裝在視頻監控上的停車雷達通過測量汽車的距離、靠近和遠離的速度，來決定是否觸發攝像頭進行拍照。
車路協同和智慧交通是另一個非常重要的毫米波雷達應用場景。在交通領域，用于傳感的傳感器與汽車中非常相似，包括攝像頭、激光雷達和毫米波雷達。目前，一體化的雷達和攝像頭系統在交通領域得到廣泛應用。通過雷達，我們能夠檢測交通流量、車速等交通信息，并提供諸如智慧公路中的彎道預警、霧燈感應等功能。
無人機是近年來新興的應用場景。無人機與無人車非常相似，都需要避障功能。在大型無人機上，如農業植保機和物流機等，毫米波雷達和測高雷達已經成為行業的標配。
在水利領域，毫米波雷達能夠提供非常高精度的距離測量能力，特別是對水位高度的測量。此外，它還包括對水流速度等的測量。矽杰微為客戶提供了全國產芯片的K波段和W波段產品，能夠實現毫米級別的精度和小于十度角的波束聚集能力。在智能家居場景中，在全屋智能的框架下需要對人的不同存在狀態進行探測。這包括大幅度的移動，以及對非常微小的動作如呼吸、心跳等生命體征的感知。毫米波雷達能夠有效地對不同的人體狀態進行探測和感知。
家電領域，特別是白電行業，是國內最早開始嘗試使用毫米波雷達傳感器的行業之一。以空調為例，安裝了毫米波雷達的空調能夠實現智能送風，跟隨人移動，無人時自動關機等多種智能功能。在智能家電的應用上，雷達能夠幫助實現節能省電，達到雙碳目標。
類似家電產品，衛浴產品對傳感器的可靠性、質量和品控等方面要求都很高。毫米波雷達作為環境感知傳感器在這方面有很重要的優勢。
毫米波雷達行業在中國雖然起步較晚，但是產業鏈歷經多年發展相對成熟，芯片走向成熟化，算法端在近年日益完善，未來我國毫米波雷達具有較大的發展空間。鈦資本也將繼續關注毫米波雷達技術投資的重點賽道，并與行業專家共同探討，傳遞行業聲音，為投資者提供更具參考價值的投資信息。
