德国半导体公司英飞凌正在推动他们的低成本汽车防撞雷达计划。在日本，虽然以斯巴鲁为代表的基于图像传感器的防撞系统由于成本优势占据了主流，但英飞凌汽车事业部传感器和控制经理Ralf Bornefeld称，和立体相机相比，雷达方案成本更低。

图1 英飞凌汽车事业部传感器和控制经理

英飞凌很早就开始推进雷达系统低成本计划，在进入汽车领域之前，雷达上主要使用基于GaAs材料的微波振荡器， GaAs微波振荡器主要应用于卫星和军工等高端领域，在成本要求比较高的汽车领域基本没有用武之地。英飞凌涉足车载毫米波雷达领域是在2009年，第一代产品就采用SiGe工艺，提供的雷达产品比基于GaAs工艺的雷达成本下降了30%。传统采用GaAs工艺设计收发器的时候，发射端和接收端共需要8个RF芯片，而基于SiGe工艺只需要1个收发器芯片和1个振荡器芯片就可以了。另外，GaAs只能使用100mm的晶圆，而SiGe可以使用200mm的晶圆，不仅成本降低了，而且量产更加容易。这款芯片应用在在奥迪A4车型上。

【提示】GaAs和SiGe是两种半导体工艺材料，硅的原材料是普通的沙子，但当几十年前，科学家将它用来制作半导体器件以来，在摩尔定律的指导下，硅为我们的世界带来了翻天覆地的变化。如今，电子设备中所使用的大多数器件都采用了基于硅的标准CMOS工艺制作，但其中有一个部分却难以实现，这就是射频器件。目前,射频器件主要采用GaAs或SiGe工艺制造，但由于材料的稀缺性和工艺的复杂性，射频前端芯片普遍良率不高，成本居高不下。随着时下物联网及无线通信应用的迅猛扩张，射频器件对成本及集成性能有了更高要求，也推动着行业开始寻求成本更低的基于硅的标准CMOS工艺去生产射频器件。

英飞凌用SiGE芯片替代GaAs芯片

然后，英飞凌在2012年推出了第二代产品，这一代产品使用了一种叫做eWLB(Embedded Wafer-Level BGA)的封装技术，这种技术使得布线长度缩短，同时发热也得到了改善，而且用低成本模具代替昂贵的陶瓷成为可能。不仅晶体管自身的性能得到了提高，而且77GHz的设计也成为可能。通过这种技术更新，雷达成本下降了30%。这项技术应用到大众Golf 7以及Daimler的小型车Smart上。在欧洲，各种各样的车型上都搭载雷达系统，Bornefeld先生称，从第一代产品发布到2015年，5年的时间里已经有累计1000万个雷达芯片出货，接下来一年预计还要有1000万个出货。雷达已经成为欧洲防撞系统的主流。从第二代产品发布到现在，这款芯片的市场还一直在不断扩大。

图3 采用嵌入式晶圆级BGA技术的低成本化方案

英飞凌已经完成相当于SiGe收发器截止频率FT的2倍的400GHz新型收发器开发，正在开发第三代单芯片的RF+基波回路集成产品。这里采用的SiGe工艺具体是指主回路使用CMOS和77GHz高频需要的SiGe双极晶体管。可以说是BiCMOS工艺的一种。

【阅读提示】BiCMOS是继CMOS后的新一代高性能VLSI工艺。以CMOS工艺为基础，增加少量的工艺步骤而成。CMOS以低功耗、高密度成为80年VLSI的主流工艺。随着尺寸的逐步缩小，电路性能不断得到提高，但是当尺寸降到1um以下时，由于载流子速度饱和等原因，它的潜力受到很大的限制。把CMOS和Bipolar集成在同一芯片上，发挥各自的优势，克服缺点，可以使电路达到高速度、低功耗。BiCMOS工艺一般以CMOS工艺为基础，增加少量的工艺步骤而成。BiCMOS（Bipolar CMOS）是CMOS和双极器件同时集成在同一块芯片上的技术，其基本思想是以CMOS器件为主要单元电路，而在要求驱动大电容负载之处加入双极器件或电路。因此BiCMOS电路既具有CMOS电路高集成度、低功耗的优点，又获得了双极电路高速、强电流驱动能力的优势。

这款半导体芯片也集成了AD和各种接口，输出是高集成度的BiCMOS LSI数字接口，可以直接连接到MCU上。由77Ghz高频LSI，MCU，电源管理三个芯片就可以组成雷达系统，成本变得更低。该芯片计划在2019年量产。

图4 雷达芯片路线图，开发中的第三代芯片计划2019年量产

目前为止，英飞凌的低成本化方案，主要关注在系统成本的削减上。单纯的谈芯片的话，和图像传感器比成本还是高。但是包含收发器在内的77Ghz的整个毫米波雷达系统成本是控制在比较低的水平的。第二代产品是通过封装技术低成本化来降低，第三代主要是通过高集成度降低成本。

那么，毫米波雷达的好处有哪些呢？电磁波波长到了mm量级，天线设计尺寸会变小，按照光速3×1010cm/s计算，波长1cm的电磁波的频率是30Ghz，频率到了30Ghz以上，波长突破1cm就是毫米波雷达，频率300Ghz的时候相当于波长为1mm。天线在一定波长下如果发生共振，电磁波振幅容易放大，波长过长的时候，采用1/2和1/4波长的微波振荡器的比较多。但是，波长如果变短，波长本身的长度就可以做为微波振荡器使用。因此，天线可以做的比较小。77Ghz汽车用雷达使用4mm左右的波长，可以非常小。

【阅读提示】天线主要的作用是辐射/接收电磁波，同时进行能量转换，天线本身就是一个振荡器。天线的长短和波长成正比，所以和频率成反比，频率越高，波长越短，天线也就可以做得越短。

另外，如果是mm级波长的话，电磁波不再是放射状发出，而是像激光一样直线发出，防撞雷达就是利用这种性质。车辆前方如果有金属等，电磁波就会原样返回，因此，如果前方有车辆，就可以检测出来。

同时，车辆上也采用24Ghz雷达，24Ghz的波长超过了1cm，有12.5mm长，一般这个波长附近的雷达也叫做毫米波雷达。24Ghz雷达和77Ghz相比，直线性更差一些，但周围的金属物也是能够检测出来的。参照这样的特性，车辆周围的车辆检测使用24Ghz，前方车辆检测使用77GHz。

图5 24G和77G雷达在车辆防撞系统中的应用

英飞凌正在把欧洲的主流毫米波雷达技术向日本和中国等市场引入，Bornefeld先生虽然没有详细的描述毫米波雷达成本的逐年演化情况，但是至少这里是有一些量化的数值指标的，1998年，最初用在Daimler的S级车上的防撞雷达，系统成本大约是1500欧元，SiGe工艺导入那一年下降到了大约1000欧元。2012年第二代eWLB封装技术导入时，在大众Golf上使用的雷达成本下降到了500欧元。之后在戴姆勒Smart上装载的时候下降至250欧元。如果正在开发的第三代产品完成的话，系统成本还会更低。Bornefeld称第三代产品很可能是使用纯CMOS工艺制作。