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德州仪器携CMOS工艺77Ghz毫米波雷达来袭
君硅科技   浏览数:   发布日期:2018-01-24 10:17
 

在上游半导体厂商和终端主机厂的推动下,自动驾驶汽车成为现在市场的绝对热点,这个以ADAS为代表的产品形态势必会给有先天优势的毫米波雷达的庞大市场需求。

作为一个波长介于厘米波和光波之间的波段,毫米波兼有微波制导和光电制导的优点,且其引导头具有体积小、质量轻和空间分辨率高的特点。加上极强的穿透雾、烟、灰尘的能力和探测性能稳定、探测距离长的优点,毫米波雷达成为了ADAS和更高级别自动驾驶汽车的首选,相关市场也逐渐升温。

根据数据显示,2014年全球汽车毫米波雷达市场出货量在1900万个。而据市场研究机构Plunkeet Research预测,预计到2020年全球汽车毫米波雷达将近7000万个,我国车载毫米波雷达的市场规模有望达到400亿元左右,2015-2020年的年均复合增速约为24%。面对这个巨大的“金库”,众多汽车电子厂商先后涌入这个市场,德州仪器就是其中的一个代表。

德州仪器携CMOS工艺毫米波雷达入局

在汽车电子半导体供应商领域,德州仪器毫无疑问是名列前茅的,但在过往,他们一直没相关的毫米波雷达产品。今年五月在北京发布了毫米波产品补全后,德州仪器就可以给客户提供集成度更高的解决方案,简化他们的设计流程。

德州仪器中国区嵌入式产品系统与应用总监蒋宏

“虽然德州仪器今年在推出毫米波雷达,但其实从2010年开始,我们就开始投入到毫米波雷达的研发。” 德州仪器中国区嵌入式产品系统与应用总监蒋宏告诉半导体行业观察的记者。

德州仪器毫米波雷达发展历程

“德州仪器的毫米波雷达产品分成两个系列,一个是面向汽车的AWR系列,另一个是面向工业的IWR系列,不同于其他大部分竞争对手使用硅锗工艺,我们的雷达采用的是先进的CMOS工艺,产品尺寸甚至做到了指甲盖大小”,蒋宏强调。

从公开的资料得知,目前大多数商用雷达系统,特别是高级驾驶员辅助系统 (ADAS) 中的雷达系统,均基于锗硅(SiGe) 技术。而一些高端车辆都有一个多芯片SiGe雷达系统。虽然基于SiGe技术的77GHz汽车雷达系统能够满足自适应巡航控制时的高速度要求,但由于它们体积过大、过于笨重,占用了大量电路板空间。

而随着自动驾驶层级的不断推进,车辆中雷达传感器数量的不断攀升,目前车辆中至少有10个雷达传感器(前置、后置和车角),空间上的限制就要求每个传感器必须体积更小、功耗更低,并且性价比更高。某些正处于开发阶段的现有雷达系统将促使发射器、接收器、时钟和基带功能集成在一个单芯片内,这就需要CMOS技术的支持。

通过充分利用互补金属氧化物半导体 (CMOS) 技术,并将嵌入式微控制器 (MCU) 和数字信号处理 (DSP) 以及智能雷达前端集成在内,德州仪器已经将集成度提升至新高度。前端具有处理功能将尽可能降低雷达系统尺寸、功率、外形尺寸和成本,从而进一步实现车辆内多个雷达系统的安装。

图1:由CMOS实现的单芯片集成

德州仪器方面表示,CMOS技术的传统优势还包括更高的晶体管密度和更低功率。CMOS内的数字缩放降低了功率,缩小了尺寸,并且提高了每个节点的性能。在数字晶体管改进的推动下,CMOS的速度不断提高,满足了79GHz ADAS应用的需要了。

而未来的雷达系统还将需要对短距离的支持,将更佳的角分辨率转化为雷达系统内的更多天线。采用CMOS技术的TI传感器能够支持此项扩展能力,实现高容量的大批量生产。CMOS技术进一步提高了TI在模拟组件中嵌入数字功能的能力,从而实现了在雷达系统部署方面的全新系统配置和拓扑。

“最重要的是,我们这个CMOS产品具有非常好的成本优势”,蒋宏强调。


下一步是征服汽车和工业市场

在极具优势技术的加持下,德州仪器为汽车和工业市场分别推出了第一代的AWR1243、AWR1443、AWR1642和IWR1443、IWR1642系列产品。

首先在汽车领域,蒋宏告诉记者,德州仪器汽车毫米波雷达产品线工作在76 - 81GHz波段内,采用调频连续波技术(FMCW),并具有锁相环(PLL)可实现线性和高精度调频,有助于提高范围精度;能够覆盖整个4GHz调频带宽,从而能够探测5cm范围以内的物体;一个复杂的接收器架构能够在稠密的传感器环境中实现人为干扰或非人为干扰的探测;可以在整个电压和温度范围内进行自校准的智能化自监控系统等特性。

“面对汽车领域的不同应用方向,我们推荐用不同的产品”,蒋宏强调。

他建议将AWR12xx应用在像180米,200米这样的中远距离,或者更远目标的探测。同时这个产品有可能跟摄像头或跟其他的传感器做融合,可以帮助辨认出物体。比如大猫、小猫、大人和小孩都能辨认出来。这势必会带来更多的数据处理。但蒋宏表示,这正是AWR12xx优势所在。

AWR1243毫米波雷达是一款具有3个发射器和4个接收器天线的雷达前端传感器。这款器件针对的是诸如ACC和自动紧急刹车(AEB)等长距离和中等距离雷达应用,以实现自动驾驶。与它一同提供的还有CSI-2/信号 LVDS、I2C和SPI。

该单芯片毫米波集成电路(MMIC)还具有一个内置的校准和监控引擎,并且可以与诸如TI TDA3处理器等外部处理器耦合。将多个AWR1243传感器级联在一起可以在自动高速公路驾驶的成像雷达等应用中轻松实现更远的距离和更佳的角分辨率。

AWR1243 毫米波收发器、视野范围和视域能力

在短距离应用,蒋宏先生则难以使用AWR1642系列。根据他的介绍,这是一款高端单芯片毫米波传感器,具有2个发射和4个接收天线,针对短距离和超短距离应用,比如盲点探测、变道辅助、十字路口交通警示和车辆启停控制等。它具有CAN、CAN FD和SPI接口,以及1.5MB的片上内存,一个ARM® Cortex®-R4F和TI C674x DSP负责数据处理。

AWR1642单芯片传感器、视野范围和视域能力

正是在这些技术之前下,产品具有外形尺寸缩小33%、功耗减少50%、范围精度提高10倍以上、整体方案成本更低的优点。

在面向停车辅助、乘坐人员探测、车门/后备箱开启装置以及简单手势运动等接近度感测应用等超短距离应用,蒋宏先生表示这是AWR1443所擅长的。AWR1443器件包括针对3个发射和4个接收天线的完整毫米波射频部分以及模拟信号链,并包含具有0.5MB片上存储器的用户可编程ARM Cortex R4F,以实现前端的自主运行。

AWR1443单芯片传感器

毫米波传感器技术在汽车领域非常成功,不过设计人员目前正在解决这项技术扩展至其它市场时所面临的挑战,比如说楼宇和工厂自动化应用领域。所遇到的问题是,此前的雷达系统都是分立式设计,导致了复杂的硬件设计和软件开发,提高了准入门槛。

德州仪器的IWR1x 毫米波传感器将单芯片毫米波感测所必需的全部组件集成在一起,以简化硬件和软件设计。

德州仪器的单芯片IWR1x 毫米波传感器产品组合将毫米波雷达射频技术与强大的ARM® MCU和TI数字信号处理 (DSP) 集成在一起,实现了简单的单芯片解决方案,降低了毫米波感测的准入门槛。借助TI的单芯片10mmx10mm IWR1x传感器,你不用再去处理分立式前端、模数转换器和处理器件之间的复杂高速数据和通信走线,也不用处理额外尺寸、功率和支持它们的相关物料清单成本。这个集成度还简化了软件设计过程,从而极大简化了器件配置、监控和校准。

德州仪器能将其应用到液位监测、交通监控基础设施和无人机等领域,德州仪器甚至还将其应用到了心率和心跳呼吸的非接触测量中。

先进的产品加上德州仪器打造的一款由驱动程序、操作系统(OS)抽象层、参考算法库、固件、API、实用工具和演示实例组成的软件开发套件,还有第三方合作伙伴的支持,德州仪器毫米波雷达已经蓄势待发。

(责任编辑:js)

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