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波导天线,路在何方?

08-18

从行业和技术两个维度看波导天线的市场化之路。

今年2月特斯拉“放弃纯视觉,新车加装毫米波雷达”的消息一经传出,就着实在中国A股市场掀起了一股毫米波雷达热。资本市场确实会早于行业爆发前几年就提前预知,这就像2015年充电桩股票大热(那时大众还不知道所谓充电桩是何物),而充电桩真正走进大众视野,已经是2018年以后的事情了。

不管这波毫米波雷达概念股大热是资本市场的提前布局,还是资本的炒作?我们都有必要搞清楚毫米波雷达究竟解决了什么行业问题?以及除了众所周知的芯片“卡脖子”问题外,我国毫米波雷达的发展,是否还有其它的“卡脖子”问题?

而这就得从汽车工业想要达到的终极状态--自动驾驶,以终为始,开始说起。

01 自动驾驶--是“忽悠”?还是“最终钥匙”?

“据盖世汽车统计,截至6月30日,今年智能电动汽车领域至少已经披露了98起融资事件,其中69起与智能驾驶相关。而在去年同期,整个智能电动汽车赛道披露的融资不过70余起,其中智能驾驶相关融资事件不到60起。”在这个资本寒冬的2023,还有大量资本涌入自动驾驶赛道,恐怕跟2022年工信部的一则征求意见稿有关。

2022年11月2日,工信部会同公安部,针对L3、L4级自动驾驶汽车,起草了《关于开展智能网联汽车准入和上路通行试点工作的通知(征求意见稿)》(图1)

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图1

在征求意见稿中提到,对于符合条件的L3、L4级自动驾驶功能的智能网联汽车,可以在试点城市的限定公共道路区域内开展上路通行试点。这则征求意见稿把自动驾驶又推向了一个热度,而对于自动驾驶的真正未来,众说纷纭。

业界大佬比亚迪的王传福说,自动驾驶是忽悠,被资本裹挟的噱头。而另一方面,据联合国安全和安保部的数据显示每年全球有130万人死于交通事故和5000万人在事故中受伤(数据来源:联合国官网https://www.un.org/en/safety-and-security/road-safety)。”另一个业界大佬特斯拉的马斯克则发声说:“年底实现全面自动驾驶”,自动驾驶是解决交通事故的最终钥匙。

自动驾驶到底是资本的噱头,还是那把最终的钥匙?无人敢妄下定论。然而,在某些驾驶场景下,用自动驾驶的技术逻辑去进行高阶辅助驾驶,是当下消费者的真实需求,解决当下需求,也才是在自动驾驶领域耕耘的公司活下去的唯一可能。

试想一下如下驾驶场景:

场景一:大雾天气下,能见度很低,看不清道路,也看不到前车;(图2)

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图2

场景二:夜间行车时,对面车开了远光灯,而这时有人横穿马路;(图3)

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图3

场景三:出隧道时的强逆光或进隧道时的瞬间昏暗,驾驶员无法看清路况;(图4)

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图4(※以上照片来自网络,若有侵权,请联系删除)

在以上驾驶场景下,如果有高阶辅助系统(ADAS)给驾驶员提供驾驶决策的辅助,给驾驶员提供第二双眼睛和耳朵,相信行车就会安全和轻松很多。并且政府或相关组织也在2022年开始在政策上“加磅”自动驾驶和高阶辅助驾驶。

欧盟要求从2022年开始新车必须装配AEB自动紧急刹车系统(Automatic emergency braking systems)。也有Euro NCAP(New Car Assessment Program)这样的行业组织要求汽车主机厂装配数个雷达传感器和摄像头,从而能检测诸如动物、自行车和行人等小目标。

02 毫米波雷达--是鸡肋?还是必需?

目前用于ADAS高阶辅助驾驶上的主流传感技术,有摄像头、激光雷达和毫米波雷达三种,它们各有优缺点。

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尽管毫米波雷达在测距和测速的直接性上优于另两种传感方式,然而由于普通3D毫米波雷达分辨率低且无法测高等原因,曾经一度被特斯拉舍弃。今年特斯拉被爆出,重新装回毫米波雷达,其背后的逻辑应该有二:

毫米波雷达具有全天候和受环境天气影响小的优点,在摄像头和激光雷达使用受限的场景下,提供可靠的传感支持;

随着技术的进步,毫米波雷达找到了低成本解决分辨率低的办法。在可测速、测距和测宽基础上,又增添了测高的功能,自此,毫米波雷达就进入了4D时代,且随着芯片算法和天线技术的进一步提高,4D毫米波雷达也可以生成大量点云从而可以成像。

也正是由于毫米波雷达天生的受环境和天气影响小的特点,再加上其性能进一步的提高,毫米波雷达现在被行业定义为“must have”“必需”要装配的传感技术。Yole2022汽车行业研究报告(图5)中指出了不同自动驾驶级别(L0到L5)需要的毫米波雷达数量:

■L0和L1需要3个毫米波雷达

L2需要3到5个毫米波雷达

L3需要大于5个毫米波雷达

L4和L5需要7-11个毫米波雷达

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图5(※图片来自Yole官网,若有侵权,请联系删除)

03 4D毫米波雷达--能量产了?还是存在限制?

2021年大陆汽车Continental推出了一款4D毫米波雷达ARS540(图6),探测距离达到300m,可测高,可成像,震惊业内。

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图6大陆汽车 ARS540雷达(※图片来自Continental官网,若有侵权,请联系删除)

“ARS540水平方位角Azimuth或者说水平分辨率达1.2°,绝大多数毫米波雷达水平分辨率只有5°,ARS540是普通毫米波雷达水平分辨率的近5倍。其次,ARS540是具备能够真正测量目标高度的毫米波雷达,也就是其垂直方位角或分辨率Elevation达到了2.3°。”据行业人士所述。

中国的毫米波雷达研发从3D时代就已经远远落后了,国外的ABCD(Autolive/Bosch/Continental/Delphi),后Autolive雷达和Delphi分别更名为Veoneer和Aptiv,再加上Hella和ZF,几乎占领了全部车载毫米波雷达市场份额。相较于国外雷达公司近30年的技术积累,我国最早也就是华域汽车于2014年开始研发车载毫米波雷达产品。

我国毫米波雷达国产化相对滞后,芯片是主要的制约因素之一。24GHz频率相对简单,供应链也相对成熟稳定,国内厂商能从飞思卡尔等芯片公司获得24GHz的芯片。然而,随着76-81GHz在全球范围内被定义为汽车雷达的唯一频率范围。鉴于针对这个频段,供应链与知识产权的限制,飞思卡尔、恩智浦、德州仪器、意法半导体等芯片商,对中国并没有完全放开77GHz雷达芯片的供应。国内芯片公司,如加特兰和地平线,也在努力突破供应链与知识产权的限制,加速研发77GHz雷达芯片,相信不久就有好消息传出。

而限制我国毫米波雷达发展的,还不仅仅是芯片。行业人士对ARS540雷达进行了拆机分析,其中的核心部件有:赛灵思Xilinx的射频芯片和灏讯Huber Suhner的腔体波导天线waveguide volume antenna(图7),也有人称之为hollow waveguide antenna。

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图7 ARS540爆炸图(※图片来自网络,若有侵权,请联系删除)

也自此国人才开始关注到波导天线在车载77GHz毫米波雷达上的应用,而瑞士的huber Suhner和瑞典的Gapwaves早已在该应用上耕耘数年。

04 毫米波雷达天线--从微带到波导

天线作为毫米波雷达最重要的收发部件之一,在24GHz低频时,微带天线损耗小,辐射效率可以满足要求。进入77GHz频段,介质损耗增大,天线效率降低。若采用低损耗的高频介质板,又会造成成本增加。且77GHz频段,还需要尽可能覆盖住从76GHz到81GHz 5个G的带宽。以及采用了腔体波导天线的ARS540横空出世,人们惊奇的发现,波导天线由于其相较于微带天线的强大性能优势,开始在雷达4D时代崭露头角。

九章智驾的调研报告就指出(图8):微带天线在大角度下增益衰减较大,多天线阵列间一致性较差。且随着4D雷达多芯片级联方案会要求大幅增加收发天线,若仍采用微带天线设计思路,馈线走线复杂度很大,且天线阵列只能在X-Y方向上布局,导致雷达面积过大,罗杰斯板材使用面积也会变大,成本显著增加。

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图8(※图片来自九章智驾,若有侵权,请联系删除)

并且,波导天线可在X-Y-Z三个方向展开,设计更加紧凑,可以缩减天线和雷达面积,实现高效率的馈电网络。这能够助于高增益的天线单元的设计,提高雷达的探测距离。用波导天线替代微带天线,已经成为毫米波雷达天线阵元设计的未来趋势。

05 波导天线--腔体波导?还是间隙波导?

据统计中国目前已经有35家毫米波雷达公司,其中只有少部分可以从TI和NXP等芯片供应商买到芯片,而即使拿到了芯片的中国毫米波雷达公司,还要面临着能否买到质优价廉的波导天线。

波导天线其实不是一个新鲜的概念,在军方已经大量使用,只是当车载雷达来到76-81GHz高频段时,频率越高,波长自然更短,设计难度和加工精度都面临挑战,当然还有天线材料。

最经济适用做天线的材料是铝和铜,而雷达想要更高的分辨率就需要更多的通道,这就要求在已经面积很小的天线板上,做出更多的通道结构,这对铜和铝的机加工提出了极高的挑战,从网上拆解的ARS540的波导天线(图9)来看,此种高密集的天线通道,用铜或铝做CNC,无论是效率和成本都几乎不可能实现。

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图9 波导天线(ARS540)(※图片来自网络,若有侵权,请联系删除)

目前行业想到的办法是用塑料,先注塑成型出这些复杂结构,然后在塑料上做涂层,让其具有天线功能。ARS540波导天线是用的PPS塑料,然后涂覆了银。用PPS涂银来做波导天线,会面临有三个方面的问题,一是银金属本身就很贵(5.6元/克);二是在PPS上涂银只能用PVD的方法,而PVD的效率很低且工艺耗电量很大;三是用银而非其它金属做涂层,是因为银比较好焊接,即使如此,这么多通道需要焊接成需要的波导腔体,其焊接的合格率也会面临极大挑战,焊接一旦不好就会漏波,天线性能变差。

总结下来,目前的腔体波导天线,存在材料成本高、工艺效率低和焊接合格率低这三个问题。而波导技术的另一个流派,就是间隙波导gap waveguide。相较于腔体波导(也可以称为普通波导),间隙波导由于其有周期性的EBG电磁带隙做电磁屏蔽,即使安装后留有空隙,也不会导致漏波的情况(图10)。

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图10 间隙波导和普通波导漏波对比(※图片来自行业会议资料,若有侵权,请联系删除)

由于间隙波导对焊接的要求不高,所以,间隙波导可以选用铜作为涂层金属,从这个角度来说,间隙波导在材料成本和焊接成本方面是优于腔体波导的。但,间隙波导仍然存在采用PVD工艺,低效率和高能耗问题依旧存在。电池复合集流体(铜箔)这个行业在使用PVD做铜涂层,由于PVD工艺高耗电量的问题,类似的工厂会选择建在西南部水电站旁边,从而获得充足的电力供应。

而行业还面临另外一个问题,无论是腔体波导,还是间隙波导,目前还仅仅是两家欧洲公司在做,而智能网联汽车的主战场在中国,当中国毫米波雷达公司想要找这两家欧洲天线公司合作时,往往也得不到满意的回馈。

06 波导天线的中国主张

简而言之,我国毫米波雷达波导天线行业,存在如下三个问题:欧洲技术封锁“嫌疑”,高耗电和低效率,以及高成本。这也导致了波导天线像是困在了成本的迷局里,无法跑出量产性。

其实,无论是77GHz毫米波雷达,还是波导天线,欧洲还远领先于我们,而自动驾驶和高阶辅助驾驶的主战场或主要需求地,却是在我们中国,在强大的市场需求下,需要我们产业人共同努力,把波导天线拽出成本的迷局和技术封锁的囧地,助跑中国毫米波雷达事业起飞!

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