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77GHz毫米波雷达的未来,属于CMOS工艺

时间:2019-03-23 作者:刘于苇 阅读:
77GHz毫米波雷达如今已成为汽车电子中的主流,早在1990年初用的是砷化镓(GaAs)工艺,到了2000年初,锗硅(SiGe)工艺的发展大大提高了毫米波雷达的集成度。但SiGe的价格和体积还是不能满足未来自动驾驶中,单车配10个以上毫米波雷达的需求,CMOS工艺使得这一切成为了可能……

自动驾驶以及智能网联已经成为汽车发展的重要趋势,而这些功能的实现,都离不开传感器带来的数据——这些数据越多,云上系统可以提供的信息就越精准和可靠。以L4以上自动驾驶车为例,至少要配备10个以上的毫米波雷达,来满足不同的距离需求。对于毫米波雷达技术而言,除了需要进一步降低成本以外,小型化也是一个重要的发展指标。WOlEETC-电子工程专辑

77GHz毫米波雷达如今已成为汽车电子中的主流,回忆其历史,早在1990年初用的是砷化镓(GaAs)工艺,一个砷化镓毫米波雷达中需要至少配备7到8颗以上的芯片,这让它的成本非常昂贵。到了2000年初,锗硅(SiGe)工艺的发展大大提高了毫米波雷达的集成度,只需要2到5颗MMICs和1到2颗BBICs,该工艺也是目前较高端车型中普遍采用的量产77GHz毫米波雷达。WOlEETC-电子工程专辑

当然,SiGe的价格和体积还是不能满足未来自动驾驶中,单车配10个以上毫米波雷达的需求,我们需要更加小型化和低廉的方案,CMOS工艺使得这一切成为了可能。WOlEETC-电子工程专辑

CMOS毫米波雷达先行者

作为全球最早使用CMOS来设计毫米波电路的公司之一,加特兰微电子科技(上海)有限公司ASIC副总裁周文婷在日前举办的新能源与智能网联汽车创新发展论坛上,接受了《电子工程专辑》的采访。WOlEETC-电子工程专辑
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加特兰微电子科技(上海)有限公司ASIC副总裁周文婷WOlEETC-电子工程专辑

2015年开始研发,到2017年10月,通过两年多的时间,加特兰微电子发布了全球首颗CMOS工艺77GHz毫米波雷达收发芯片。WOlEETC-电子工程专辑

为什么CMOS在早年没被用于汽车毫米波雷达设计中呢?周文婷认为,CMOS工艺在最近几年才可以工作在超高频率中,从CMOS和SiGe两个工艺的发展历程就能看出,以180纳米为例,SiGe可以工作在180GHz以上,而CMOS只能达到40GHz,虽然摩尔定律不断推动CMOS工艺发展,基本上每两年就会有一个新工艺诞生,但一般射频电路设计最大的功率频率是FT的二分之一到三分之一,早年CMOS工艺只能工作在大概10GHz以下,大都用于消费市场。WOlEETC-电子工程专辑
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直到工艺进步到40纳米以后,当FT大于200GHz以上,用CMOS来做77GHz毫米波设计才成为了可能。(Source:Calterah Semiconductor)WOlEETC-电子工程专辑

降成本,减尺寸,加速研发

CMOS带来的一个最大好处就是成本降低,从毫米波雷达的造价构成可以看出,早年的砷化镓的毫米波雷达当中,前端芯片的比例非常重,有7到8颗,它要占整个成本的40%。到SiGe的时代,成本相对砷化镓工艺来讲下降了50%,同时射频芯片部分的比例也降到了36%左右。WOlEETC-电子工程专辑

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(Source:Calterah Semiconductor)WOlEETC-电子工程专辑
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“到了CMOS时代,由于CMOS整个晶圆的价格是非常低廉的,因此整个比例又进一步下降。”周文婷表示,“CMOS相对于SiGe而言,整体造价又下降了40%,其次CMOS的集成度非常高,所以RF前端芯片占比也下降了。砷化镓工艺中需要7到8颗芯片,SiGe需要3到4颗,CMOS只需要一颗,因此大大降低了整个雷达模块设计的复杂度和难度,也加速了整个设计开发的时间周期。”WOlEETC-电子工程专辑

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(Source:Calterah Semiconductor)WOlEETC-电子工程专辑

因为CMOS的工艺集成度高,所以它也使得毫米波雷达的小型化成为了可能,因此CMOS工艺现在不但可以用于77GHz的设计,同时它的低成本和高精度的特性也符合了毫米波雷达未来发展的需求。WOlEETC-电子工程专辑

10余年经验累积,无人能及

2015年是CMOS毫米波雷达的元年,全球相关的半导体公司都在投资这个方向,但从进度上来说,加特兰依然是领先的。WOlEETC-电子工程专辑

周文婷介绍道:“我们的主创人员是最早从事CMOS毫米波设计的一批,早在2000年出头时就开始做全球第一个CMOS毫米波设计。一批科研人员经验上已经积累10年以上,而不是等别人都起来了,我们才开始做。比如一些厂家现在想从24G转77G,而我们当时都是从60G转到77G,这个跨度就小很多。”WOlEETC-电子工程专辑

加特兰目前全球有90多家客户,在国内车厂的前装车上已经实现量产。除了车载77GHz这个领域之外,还有60GHz的芯片用在工业等行业市场。WOlEETC-电子工程专辑

产品细节

来看加特兰这款全球首颗的CMOS工艺77GHz毫米波雷达芯片,和1元硬币比起来也是非常小的,采用40纳米CMOS工艺,FO-WLCSP封装方式,把射频端的损耗降到了最低,极大提升射频性能。WOlEETC-电子工程专辑

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(Source:Calterah Semiconductor)WOlEETC-电子工程专辑
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芯片中集成2个发射通道、4个接收通道以及增益部分等,这样一个单芯片就完全集成了之前SiGe几个套片所达到的所有功能。发射通道最大输出功率12dBm,接收通道可以输出40到70dB以上的增益,噪声系数只有12dB。WOlEETC-电子工程专辑

周文婷表示,加特兰还在片上集成了很多功能单元模块,例如温度传感器,锁频检测器,每个发射端同时还可以支持20dB的功率可控,满足不同应用的需求。在RX部分做了BIST电路,对于上层系统可以更好地满足功能安全的需求。WOlEETC-电子工程专辑

另外一大特色就是低功耗,这款芯片主要电路都工作在1.1伏,包括前端的射频电路,也包括了一些高频电路。低功耗带来的优势就是工作温度比较低,也对散热系统带来了很大的好处。下图是用热成像仪拍摄的,当这款芯片在25度环境温度下开启工作的时候,芯片节温大概是在56度左右。WOlEETC-电子工程专辑

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(Source:Calterah Semiconductor)WOlEETC-电子工程专辑
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2017年10年发布的第一款Yosemite产品后,加特兰就开始量产,同时也量产了CAL77A4T8R,这个是二合一的封装,可以提供4个输出通道、8个接收通道,整个大小在6.8×9.8平方毫米的尺寸。两款车载产品都已经通过车载AEC-Q100的认证。WOlEETC-电子工程专辑

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(Source:Calterah Semiconductor)

新一代ALPS,满足未来对毫米波雷达四大需求

而在3月21日,加特兰又发布了一款全新的ALPS系列毫米波雷达系统单芯片。ALPS系列芯片集成了高速ADC、完整的雷达信号处理baseband以及高性能的CPU核。此次发布会上更是推出了集成片上天线的AiP(antenna in package)产品。WOlEETC-电子工程专辑

加特兰微电子CEO陈嘉澍在发布会现场表示:”过去两年中,我们对毫米波雷达市场的需求进入了深入的调研,随着智能驾驶的普及,整车对于毫米波雷达提出了更多、更高的要求,在技术层面,未来的毫米波雷达要满足四个方面要求。“WOlEETC-电子工程专辑

第一、 为了扩大更大测试范围,毫米波雷达需要实现更快速的扫描,相应的ADC需要更加的快速,以保证响应客户需求;为了给多传感器提供丰富的数据,雷达的处理基带需要变得更加快速;WOlEETC-电子工程专辑

第二、未来的毫米波雷达需要覆盖长距、中距和短距,能够在不同模式下实现自由切换,除了水平方向的方位探测之外,俯仰角的探测也将成为毫米波雷达的必需功能;WOlEETC-电子工程专辑

第三、智能驾驶飞速发展,也给传感器和毫米波雷达提出更高速度要求,未来的毫米波雷达开发和应用需要更加简单、高效;WOlEETC-电子工程专辑

第四、作为智能驾驶的核心部件,毫米波雷达必须满足AEC-Q100的可靠性要求,同时功能安全,让雷达具备错误自检能力,传感器数据更加可靠。”WOlEETC-电子工程专辑

同时,本次发布会还发布了更具性价比的Alps 2T4R产品和60GHz SoC产品。这些芯片组成的家族平台,将为用户提供从长距、中距到短距、超短距的全方位完整解决方案。该系列芯片都将在第2季度推出工程样品,并于2019年内实现规模量产。WOlEETC-电子工程专辑

本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
刘于苇
电子工程专辑(EETimes China)副主分析师。
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