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趨勢觀點

77/79GHz高頻毫米波雷達推動車用感測改朝換代

新電子/新通訊雜誌 廖專崇主編

車輛智慧化發展如火如荼,先進駕駛輔助系統(ADAS)功能發展已經接近成熟,整體進程已經從ADAS的Level 2跨足到自動駕駛的Level 3,車用毫米波雷達也跟著從24GHz進階為77/79GHz,以便提升感測距離與精準度,未來也將提供更多功能與應用,帶動全自動駕駛的發展。

77/79GHz高頻雷達興起

毫米波雷達(mmWave Radar)在車用感測器領域已占有一席之地,2015年的世界無線電通信大會上,各國將77GHz頻段劃分為「車載高分辨率雷達頻段」,因此77GHz瞬間成為國際標準。另外,由於歐洲電信標準協會(ETSI)和美國聯邦傳播委員會(FCC)制定的頻譜規則和標準自2018年9月起禁止新產品使用24GHz超寬頻段,所有使用24GHz超寬頻段(Ultra-wide Band, UWB)的現有產品必須在2022年之前逐步淘汰。

根據電磁波原理,當天線長度為電磁波波長的1/2或1/4時,收訊情況最好。換言之,頻率越高、波長越短,天線就可以做的越小,雷達體積也會較小。而現行毫米波雷達技術的24GHz與77/79GHz技術相較,相同的距離解析度高頻77/79GHz能提供更好的表現,讓雷達偵測距離可以有效拉長,對高速奔馳的汽車,緊急事故的預警與反應時間都能提升。

高頻電磁波也代表著能量較高,因此不用消耗很多電力,就能讓天線產生足夠的增益(Gain)傳送比較遠的距離。不過,高頻電磁波的繞射特性比較差,不容易繞過障礙物。分辨率的計算公式為光速/(兩倍的雷達頻寬),因此24GHz的分辨率為0.6公尺,77/79GHz的分辨率為18公分以下。77/79GHz雷達由於頻率較高,具有精度高的優點,因此77GHz的毫米波雷達主要適用於長距離(約250公尺)偵測。

77/79GHz高頻雷達將成為產業主流

根據研究機構Yole Développement(Yole)報告指出,預計到2025年雷達市場規模將達到86億美元,2015~2025年複合成長率為15.6%。24GHz雷達是2018年市場的主流,市場規模約22億美元。77GHz的產品從2018年開始也加速成長,根據Yole的看法,77/79GHz雷達在2020年左右就會成為主流。事實上,24GHz與高頻77/79GHz的世代交替,在2019年的現在正在如火如荼的上演中。

從2018年下半年開始,台灣投入毫米波雷達後段模組組裝的廠商已經開始接到許多高頻毫米波雷達的RFQ,由於技術上從24GHz升級到77/79GHz的雷達門檻不高,主要還是在成本差距上,所以高頻毫米波雷達成為主流是必然的趨勢。目前,24GHz的雷達模組價格約50~80美元,77/79GHz的高頻雷達模組依照功能不同約100~200美元,77/79GHz產品約是24GHz產品的一倍,若是前方的長程雷達價格高達200美元左右,成本差距就更大了,77/79GHz的模組價格若是能降到100美元以內,成長動能就會進一步加碼。

儘管2019年上半年24GHz出貨還是毫米波雷達的主流,不過根據台灣車用雷達模組廠商表示,接下來新的設計都是針對77/79GHz的高頻產品,以該公司為例,2019年下半年高頻毫米波模組產品出貨量與24GHz模組可能就會出現黃金交叉,這波77/79GHz高頻技術取代潮,可以說來得又急又快。而且不是只有前方的長程雷達,短距的角雷達也出現同樣情況,因為高頻可以做廣角掃描,高頻雷達已經出現全面取代24GHz雷達的態勢。

圖1  2015~2025年車用雷達發展趨勢(資料來源:Yole Développement《05/2019》)

圖1 2015~2025年車用雷達發展趨勢(資料來源:Yole Développement《05/2019》)

高頻毫米波雷達普及之路 降低成本成關鍵

毫米波雷達從24GHz轉變到高頻77/79GHz為主的過程中,毫米波雷達應用領域越見廣泛,商機大開果然吸引許多廠商投入,現階段產品與技術也有幾個趨勢正在發生,工研院產科國際所機械與系統研究組資深研究經理石育賢表示,為了節省系統開發的成本,歐洲晶片大廠現在有一些解決方案是將低頻與高頻毫米波雷達晶片整合在同一個模組上,共用電子控制單元(Engine Control Unit, ECU),藉此降低成本。

車用高頻毫米波雷達在2019年的趨勢還是緊扣前方防碰撞功能系統。石育賢也指出,現在高階車款都配備高頻毫米波雷達,在車用感測器市場已占有相當的比例。至於能不能成為標配,就看價格能否降低。歐洲現在的政策力推eCall緊急呼叫系統,旨在為歐盟內任何地方發生碰撞的駕駛者提供快速援助。但是從安全的角度來看,主動安全系統的搭載應該更優先於這類被動求救系統。所以重要性的順序應該是防碰撞第一,再來是緊急煞車系統,最後才是緊急呼叫系統。

車輛智慧電子功能要求只會越來越多,必須掌握路況和所有突發狀況,也須要靠感測器來輔助。以現在的高頻毫米波雷達技術大概能偵測到200~250公尺左右的距離,但未來的需求一定會更高,甚至可能會達到300~400公尺。高頻毫米波雷達目前成本仍然偏高,須要更多廠商投入,降低技術瓶頸,同時導入更多應用提升出貨量,成本降低的速度成為刺激市場出貨量的主要原因之一。

陣列天線/波束成形 高頻毫米波雷達又精又遠

德州儀器CMCU技術應用經理王盈傑表示,2018年整體來說,主要是24GHz毫米波雷達技術成熟的時期,同時也是高頻毫米波雷達開始發展的階段。高頻毫米波雷達在2018年下半年到2019年開始出現更多新興應用,如更短距離的盲點偵測,或是車內的雷達,用以偵測駕駛的生理狀態與姿態、乘客數量等等,甚至利用車內雷達判讀手勢。

圖2  許多車內感測功能也會應用到毫米波雷達

圖2 許多車內感測功能也會應用到毫米波雷達

而要提升高頻毫米波雷達精度,透過陣列天線與波束成形(Beam Forming)技術可以讓毫米波雷達更精準、傳輸距離更遠。理論上頻率越高傳輸距離越短,因為高頻會有衰減的問題,而77~79GHz的衰減至少是24GHz的九倍以上。而之所以會選擇高頻毫米波雷達是因為高頻的波長短,波長短就可以掃描得更精細,因此解析度就會比較高。

而要解決高頻訊號衰減的問題,可以透過陣列天線的方式讓傳輸距離提升、掃描範圍變廣。藉由開關天線改變使用天線個數的方式控制波束,即波束成形技術,集中波束便能使傳輸距離變遠,類似前雷達的應用,寬波束可以進行短距離大角度範圍的掃描,類似角雷達的功能。在IC發射功率固定的狀況之下,藉由波束控制即可以調整訊號傳輸距離,加上高頻天線占電路板空間更小,而且可直接印刷在PCB板上,相較模組與天線分離式的設計,整體成本並不會成長太多。

感測器要模仿的器官就是人眼,而人眼是一個非常偉大的器官,要用機械替代如此精密的感官有相當大的挑戰。因各種車用感測器如光達(LiDAR)、毫米波雷達、攝影機等分別有技術上的優劣勢。

因此就有廠商提出結合攝影機與毫米波雷達的解決方案,一般毫米波雷達感測的資訊是點雲圖,無法具體判斷物體的類型,結合攝影機的影像資訊與毫米波雷達的物體感測,可以大幅提升感測精準度,業界稱這樣的方案為影像雷達(Camera Radar),將兩個不同感測器蒐集的訊息利用感測融合的方式進行綜合判斷與解讀。

但感測融合也有其困難,由於感測器數量多種類又不同,資訊量當然就跟著增加。資訊量大的情況下,若是不同感測器的感測結果產生矛盾,要如何判斷將是一大挑戰。以現在的技術來說,正確的感測和運算可以達到辨識物體的能力,但若要完全自駕同時也要求短時間做出正確的判斷,過於複雜的演算法和大量的感測器也會讓成本變得高不可攀。另外,車輛行駛過程中速度與反應時間對於感測與訊息處裡是一大挑戰,尤其車輛高速行駛時,對於訊息反應時間相當敏感,有賴後端的數位訊號處理器(DSP)或中央處理器運算能力的搭配。

77/79GHz大潮來襲 各界廠商競相布局

為了提升高頻毫米波雷達的感測距離、範圍和效能,目前德州儀器提供的解決方案可以整合多顆雷達在一個模組,讓兩顆毫米波雷達的感測訊號疊加,達到更遠的距離和更細膩的角度解析度。另外,毫米波雷達的專長是透過電波感測相對速度、位置與角度,由於77/79GHz毫米波雷達晶片模組體積更小,尤其是使用CMOS製程的晶片。因此,德州儀器同時提出整合四顆77/79GHz高頻毫米波雷達的解決方案,稱為Image Radar,與過去單顆或兩顆雷達不同的是,透過這四顆雷達感測不同的向量資訊,可以將過去主要是2D訊息的感測資料,提升到3D的完整訊息,更具體描繪感測物的型態。

毫米波雷達未來幾年將是科技產業的當紅炸子雞之一,從晶片、模組、軟體、演算法、系統與應用都有發展空間,目前相關技術發展還是以國外廠商如德州儀器(TI)、英飛凌(Infineon)、意法半導體(ST),Tier 1廠商如Bosch、Continental等技術領先,台灣廠商晶片部分聯發科已有解決方案,聯發科車用毫米波雷達切入高頻76~81GHz,已經開始量產出貨,並與車用零組件大廠Bosch及Continental等廠商積極合作;模組部分主要是為昇科,主要經營大陸的汽車品牌市場,2019年出貨已經以77/79GHz的高頻雷達模組為主力。

資料來源:聯發科MTK

資料來源:聯發科MTK