天线内置毫米波雷达极具成本、尺寸与性能优势,或降维打击超声波和红外方案

发布时间:2023-01-08  

随着集成度的提高,雷达模块成本不断下降,相比砷化镓工艺雷达,硅锗工艺雷达成本能下降一半,而加特兰全球最早量产的天线内置多通道毫米波雷达SoC,基于CMOS工艺(即硅工艺),可以把成本降低到砷化镓工艺的五分之一。

9月23日,加特兰微电子(以下简称“加特兰”)举行媒体会,介绍两款基于封装天线(AiP)技术的毫米波雷达产品,一款代号Alps为77/79GHz雷达,另一款代号Rhine为60GHz雷达。其中77/79GHz有车规级和工业级两个版本,60GHz为工业级版本。这两款集成天线的雷达全芯片尺寸仅为12.2mm*12.2mm,四发四收,内置雷达信号处理基带、FMCW波形生成器和高速ADC,外围只需供电电源及闪存就可以构成一个完整的毫米波雷达模块。

天线内置毫米波雷达系统框图、参考板及芯片尺寸


这样高集成度的雷达方案,尺寸可以做到超声波雷达大小,特别适合在自动泊车应用中替换超声波雷达,还可以用于驾驶舱内活体检测(后排检测)及手势操作等应用。除此之外,加特兰与客户在合作探索很多非车载应用,例如安防监控和智能空调等。全集成的雷达芯片具有体积小、功耗低和成本优的特点,有非常好的应用场景拓展空间。


天线小型化尝试最早围绕2.4GHz蓝牙芯片应用展开,2000年前后英国伯明翰大学和乔治亚理工大学等相继对5.8GHz的Wi-Fi芯片的封装集成天线进行研究,2005年左右IBM开始60GHz封装天线的研究,而新加坡理工大学的张跃平教授在2006年正式提出AiP(Antenna in Package)概念。


IEEE在2007年将60GHz列为非授权毫米波频段,60GHz波段的封装天线研究开始兴盛,而2014年5G频段确定包含毫米波频段,工业界开始真正关注AiP技术。加特兰是在2017年开始AiP产品研发,前后历经四代,在今年2季度发布的两款雷达SoC产品中,终于实现了性能、制造成本和可量产性的完美统一。


据加特兰生产技术总监王典介绍,开发毫米波雷达的AiP方案时,在物理设计、天线性能设计、电连接、封装工艺和材料、散热处理、可靠性与自动化测试等多个方面均存在技术难点,加特兰能够在三年时间迭代四代着实不易。以物理设计为例,在12*12平方毫米面积内,要放5000多过孔、160多条信号线、12个天线单元、4组功分器,最小线宽仅为25um,其难度可想而知。由于AiP在毫米波雷达中的应用非常前沿,所以很多研发工作走入到无人区,哪怕是量产测试也颇有难度,因为业界还没有现成的量产方案,加特兰经过3年自主研发,做出一套完整的封装天线毫米波雷达测试系统,可检测超过100项测试值,以确保量产的产品能可靠运行。


封装上集成天线的一大难题是加工一致性问题,由于封装工艺的一致性相对较差,为了产品能量产,加特兰团队在开发时加入了极高的设计冗余度,设计带宽比使用带宽的冗余度至少达到200%以上,以确保在封装工艺有偏差的情况下,器件还能正常工作。


王典表示,加特兰两款基于AiP技术的毫米波雷达SoC面积小、性能优、功能强大,是芯片、封装与天线组合设计完美结合的一款革命性产品。


据加特兰微电子产品经理吴翔介绍,全集成雷达比天线分立方案体积减小很多,在传统智能泊车应用中可以取代超声波传感器——全集成雷达尺寸与超声波雷达接近。此外,利用毫米波雷达,可检测生命体征、识别生命状态,对静止不动或进入睡眠状态的人依然可精准识别,特别适合舱内儿童留存检查,防止孩子被遗落在车上造成危险,而且雷达监测属于非成像监测,无隐私泄露风险。


在安防监控中,毫米波模块可与摄像头感知信息融合,提供多维度、跨尺度目标物体的距离、方位、运动等信息。而且,毫米波模块能够全天候工作,不惧光线、天气影响,与普通光学摄像头相比,降低了误报率,增加了系统的健壮性。


加特兰微电子首席运营官吕昱昭

加特兰微电子首席运营官吕昱昭表示,随着集成度的提高,雷达模块成本不断下降,相比砷化镓工艺雷达,硅锗工艺雷达成本能下降一半,而加特兰全球最早量产的天线内置多通道毫米波雷达SoC,基于CMOS工艺(即硅工艺),可以把成本降低到砷化镓工艺的五分之一。

据估算,到2024年,毫米波雷达年出货量将从现在的2.24亿颗增长到4亿颗,天线内置的毫米波雷达具有成本低、小型化、高集成和易生产等优势,市场潜力极大,吕昱昭说:“作为毫米波雷达芯片和方案提供者,加特兰希望通过技术创新让毫米波雷达变得更平民化,助力毫米波雷达在生活中得到更多普及。”

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