基于CMOS工艺的毫米波雷达对行业的影响增大

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在目前三类主要的自动驾驶传感器中,毫米波雷达被视为性价比最高,有极强的穿透率,能够穿过光照、降雨、扬尘、下雾或霜冻来准确探测物体,可以在全黑的环境工作,可全天候工作。

车载毫米波雷达的性能指标,通常有探测距离、分辨率等,而决定这些指标优劣的,是毫米波雷达内部的天线、射频、基带以及控制处理部分。当中射频的技术难度较高,主要负责微波信号的发射与接收。

雷达要实现相应的功能,需要通过各个处理模块配合完成,而由于汽车的使用环境,对尺寸以及稳定性的要求较高,这些特性回溯到源头,就取决于以上不同模块的集成。

传统的做法是在雷达内集成各个不同模块,以SiGe工艺为主,技术成熟,但集成度较低,新兴的CMOS工艺可将不同模块集成到单芯片上,集成度较高,但还处在早期。

传统的SiGe工艺

半导体材料可以分为元素半导体和化合物半导体两大类,元素半导体指硅、锗单一元素形成的半导体,化合物指砷化镓、磷化铟等化合物形成的半导体。

毫米波雷达芯片的工艺,主要分为锗硅(SiGe)和CMOS两种,SiGe工艺最早是由IBM 于1998年推出量产方案,之后便广泛用于无线通信IC制程技术之一。SiGe高频特性良好,材料安全性佳,导热性好,而且制程成熟、整合度高,具成本较低之优势。

SiGe既拥有硅工艺的集成度、良率和成本优势,又具备第3到第5类半导体(如砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP))在速度方面的优点。

毫米波雷达射频前端MMIC芯片、主处理器是毫米波雷达的硬件核心,前端主要包括收发模块、功放和处理模块。

目前大多数毫米波雷达前端基于锗硅(SiGe)技术,大都是分立式的,即发射器、接收器和处理组件均为独立单元,这使得其设计过程十分复杂,并且整体方案体积庞大。

而在汽车应用中,一般会配备多个雷达传感器,如果采用锗硅(SiGe)传感器,空间上的限制使得其“难堪重任”。

英飞凌的前端芯片采用转换频率为200 GHz的硅锗(SiGe)制造工艺。该工艺作为KOKON项目的一部分,由德国联邦教育与研究部(BMBF)协助开发,专门设计用于汽车行业,并通过了相关认证。

与目前使用的砷化镓(GaAs)组件不同,SiGe工艺可制造出更加小巧且经济实惠的雷达传感器。此外,英飞凌还推出了全新的集成测试方法,确保雷达传感器满足汽车行业苛刻的质量要求。

CMOS工艺

CMOS 与传统 SiGe 双极型晶体管相比,由于在低电压条件下也可运行,因此可降低耗电量。虽然 CMOS 存在低频区噪声偏大的问题,但两者在毫米波区域(76-81GHz)具有大致同等的性能,对于77-79GHz车载毫米波雷达应用,,CMOS 低频区噪声大的问题并不太突出。

同时,全球CMOS 产业链已十分成熟,可大批量生产,基于CMOS技术实现毫米波雷达关键器件,可使整个雷达系统的成本显著下降。

CMOS工艺一般分为RFCMOS、Ultra CMOS、Si BiCMOS。RF CMOS工艺可分为两大类:体硅工艺和SOI(绝缘体上硅)工艺。

采用RFCMOS制程最大的好处,当然是可以将射频、基频与存储器等组件合而为一的高整合度,减小系统的尺寸、降低功耗、成本。

在工艺技术改进的推动下,CMOS的速度可不断提高,79GHz波段可提供4GHz带宽,能够探测5cm范围以内的物体,提升了探测精度,实现更高范围的分辨率。

NXP推出了高集成的雷达收发器技术(RFCMOS或BiCMOS)提供可扩展的系统解决方案,可解决超短距离,短距离,中距离和远距离雷达。TEF810X是一款完全集成的RFCMOS 77GHz汽车雷达收发器。

MR3003是一款完全集成的BiCMOS雷达收发器,符合汽车要求的76-81 GHz单芯片。MR3003具有同类最佳性能,例如具有TX相位旋转的高角度分辨率,由于低相位噪声和线性造成的最佳物体分离效果,以及由于高输出功率和低噪声系数导致的长检测范围。

TI最新推出的毫米波雷达芯片AWR1642,采用德州仪器低功耗45纳米RFCMOS工艺制造,它是一款高端单芯片方案,实现了RF+MCU+DSP全集成,MCU可运行汽车开放式系统架构、集群和跟踪算法,DSP则可执行定点和浮点运算以提升处理效率。

相比于传统的24GHz方案,其外形尺寸缩小33%、功耗减少50%、范围精度提高10倍以上、整体方案成本更低。

集成度更高是大势所趋

博世中距雷达MRR工作在76-77GHz频段,三发四收,工作张角(aperture angle)可达±45度,能探测远达160米的物体。

MRR采用了英飞凌77GHz的SiGe单片微波集成电路(MMIC)用作高频发射器和接收器,使用混合PTFE/FR4基板制作非对称结构,并配有平面天线。这两个RF裸片采用由英飞凌研发的嵌入式晶圆级BGA(embedded wafer level BGA)、扇出晶圆级封装(Fan-Out Wafer Level Package)。

大陆集团77GHz雷达ARS4-A也使用了NXP的方案,射频(RF)芯片采用重分布芯片封装(RCP)扇出晶圆级封装,该封装最初由飞思卡尔(Freescale)开发和制造。

奥托立夫77GHz多模雷达集成了两块电子板,包括德州仪器(TI)的微控制器和汽车视觉处理器。射频(RF)板使用混合PTFE/FR4基板制作成不对称结构,并且配备有平面天线。

该雷达使用英飞凌(Infineon)77GHz SiGe单片集成微波集成电路(MMIC)作为其高频发射器和接收器。射频(RF)芯片采用最新的eWLB封装,这是英飞凌开发和制造的扇出型晶圆级封装。发射器和接收器连接到双功率放大器和英飞凌的波形发生器。

德尔福RACam集成了76 GHz第二代短距离雷达和摄像头,其中雷达芯片便采用了英飞凌76 GHz雷达接收器和发射器:RRN7740和RTN7750。

从以上可以看出,目前全球主流的毫米波雷达厂商,还是采用SiGe工艺的芯片,部分芯片厂商也在推基于CMOS工艺的芯片。后者代表着高集成度,低功耗以及小尺寸,未来将会成为行业趋势。

目前,各家芯片厂商也在努力推进cmos制程的芯片商用量产。但每一项新的工艺取代传统工艺,在初期都会面临成本的压力,作为一项新的技术,CMOS的工艺尺寸未来还会减小,集成度也还会越来越高。

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