大和有話說

我們曾在【萬物聯網，淺談IoT低功耗廣域網路趨勢】中談過物聯網的三層架構，分別是感知層、網路層、應用服務層。這一次，我們回歸IoT的源頭，來談談「感測層」中成長速度驚人的「毫米波雷達」。

開始之前，先複習一下三個基礎的通訊原理。

1. 電磁波（Electromagnetic wave）是由互相垂直的「電場」與「磁場」交互產生的一種能量。

2. 在數學上，「毫」代表的是「千分之一」，數學代號為m。當數學代號「毫」加上「米」這個單位的時候，「毫米」就代表「千分之一公尺」的意思，也就是millimeter（縮寫mm）。

3.「波長」指的是電磁波的波峰到波峰的距離，通常以毫米(mm)、微米(μm)或是奈米(nm)為單位；「頻率」則指電磁波每一秒震動的次數，以「赫茲(Hz)」作為單位。其中，最重要的特性就在於「波長」與「頻率」成反比。

回歸正題，毫米波就是指波長介於1～10毫米（mm）的電磁波。若以頻率來換算的話，大概是工作在30～300GHz的頻率，高於無線電波，低於可見光及紅外線。

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一、什麼是「毫米波雷達」？

毫米波雷達，指的是工作在毫米波波段（millimeter wave）的雷達，透過天線發射毫米波，及接收障礙物反射回來的訊號，來計算出與目標的相對速度、距離以及角度。

說到這，你可能會好奇，毫米波雷達到底厲害在哪？與我們常聽到的紅外線雷達、超聲波雷達、光達又有什麼差異？而最近AI影像辨識興起，攝影機是不是也有機會取代掉傳統雷達呢？

其實，這五種感測方式各有擅長。例如，紅外線、超聲波雷達的價格雖然較低，但是可探測的距離過短；攝影機雖然可分辨障礙物的大小與顏色，但就像人類的眼睛一樣，易受天氣因素影響。

光達雖然精準度高，但有天氣因素制約，且目前價格少說一顆也要400美元，離大量普及還有一段時間。至於毫米波雷達，雖然價格適中，不易受環境影響，但精度卻也遜於光達。

因此，目前看來，並沒有哪一類型的感測方式獨霸一方，實務上反倒是在各應用場景中互相搭配、各取所需。例如，在自動駕駛領域中，超聲波雷達、紅外線感測器、光達、毫米波雷達、攝影機便會各司其職，在性能上互補，可參考下表。

根據日本YANO Research Institute的研究報告，幾個主流的感測器中，除了紅外線感測器、超聲波雷達的成長幅度相對持平，其他像是毫米波雷達、攝影機、光達等感測器皆顯著成長。其中，毫米波雷達更是這幾年來成長最快速的類別。

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二、24GHz、60GHz、77GHz和79GHz車載毫米波雷達的發展

如同前面所提，毫米波是指工作約介於30～300GHz的頻段，雖然目前各國針對車載毫米波雷達所分配的頻段各有不同，但主要還是集中於24GHz及77GHz，只有少數國家如日本則採用了60GHz頻段。

2015年的世界無線電通信大會上，各國將77GHz頻段劃分為「車載高分辨率雷達頻段」，因此77GHz瞬間成為國際標準。由於高頻段的77GHz相對於24GHz具有諸多優勢，也使得日本從60GHz逐漸轉而開發77GHz的毫米波雷達。

在分析24GHz、77GHz、79GHz各頻段之優劣前，我們再補充三個電磁波原理，等等比起來會更有感覺。

1. 根據電磁波原理，當天線長度為電磁波波長的1/2或1/4時，收訊情況最好。換言之，頻率越高、波長越短，天線就可以做的越小，雷達體積也會較小。

2. 高頻電磁波也代表著能量較高，因此不用消耗很多電力，就能讓天線產生足夠的增益（Gain）傳送比較遠的距離。不過，高頻電磁波的繞射性質比較差，不容易繞過障礙物，所以室內接收訊號的品質會比較差。

3. 毫米波雷達「分辨率」的定義為：「雷達可以區分的兩個物體的最近距離」。例如，若兩個物體靠的太近，那麼雷達可能會把它視為一個物體，如果分開一點，雷達便會視為兩個物體。簡言之，可以讓雷達辨別出「這裡有兩個物體，而不是一個物體」的前提下，兩物體之間的最短距離，就是雷達的分辨率。

分辨率的計算公式為光速/（2倍的雷達頻寬），因此24GHz（250MHz頻寬）的分辨率為0.6m，77GHz（1GHz）的分辨率為18cm。4GHz頻寬的毫米波雷達分辨率可以做到5cm。

由於24GHz毫米波的波長較長（約1.25cm），故其天線、雷達體積會相較77GHz（約4mm）來得大。不過，由於24GHz雷達的「繞射能力」較強，因此24GHz毫米波雷達主要用於小於50公尺的短距離偵測。

77GHz雷達由於頻率較高，具有精度高、訊號穿透性佳等優點，因此77GHz的毫米波雷達主要適用於長距離（約250公尺）偵測。

至於79GHz，由於24GHz ISM頻段的頻寬只有250MHz，使得其「分辨率」與「探測距離」有其限制，因此，2015年國際電信聯盟（ITU）決定開放76GHz~81GHz頻段供車載雷達應用。79GHz不僅較24GHz車載雷達頻寬更大，讓分辨率得以壓縮至5公分，而設備體積也更小，更易於後續安裝。

整體看來，汽車毫米波雷達不斷朝高精度需求發展，使得雷達系統持續從24GHz往77GHz、79GHz升級。我們可以預測，未來車載雷達頻段將趨向76GHz～81GHz之間，最終以77GHz雷達作為長距通信的載體，79GHz作為短距通信的載體。

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三、全球汽車毫米波雷達產業鏈

打開毫米波雷達的硬體結構，主要零組件包括發射器、接收器、訊號處理器、電路板以及天線等等。除了硬體的組成外，毫米波雷達如何透過演算法，來取得分析結果，也是一門很大的學問。

在了解雷達的基本構造後，接下來我們來看看全球汽車毫米波雷達的產業鏈，從上游的晶片、電路板開始，再到中游的車用電子系統廠，最後再到下游的車廠，市場分佈狀況可參考下圖。

a.上游：晶片廠

毫米波雷達的核心晶片主要來自於國際大廠，這幾年不少IC廠商推出毫米波雷達SOC晶片，將微控制器(MCU)、數位訊號處理器(DSP)、訊號放大器及負責收發雷達波的射頻晶片全部整合在在單一晶片上，例如NXP的77GHz SOC感測晶片、Infineon的79 GHz SOC感測晶片等。

以市佔率來看，目前國際市場主要被恩智浦（NXP）、英飛凌（infineon）、德州儀器（TI）等晶片設計公司佔據。

b. 中游：車用電子系統廠

至於中游的毫米波雷達市場，幾乎被奧托立夫（Autoliv）、博世（Bosch）、大陸集團（Continental）、德爾福（Delphi）、天合汽車集團（TRW）、法雷奧（Valeo）、海拉（Hella）、電裝（Denso）、富士通（Fujitsu）等國際廠商壟斷。

若以中國大陸的毫米波雷達市佔率來看，24GHz雷達市場主要由博世（Bosch）、法雷奧（Valeo）、海拉（Hella）所主導，合計市佔率60%以上；77GHz雷達主要由博世（Bosch）、大陸集團（Continental）和德爾福（Delphi）主導，合計市佔率更是高達80%。

臺灣也不乏發展汽車毫米波雷達系統之廠商，例如啟碁電子（6285）、為升科技（2231）、明泰科技（3380）等，皆陸續出貨24GHz毫米波雷達，至於77GHz產品則多處於客戶驗證的階段。此外，其他廠商包括輝創科技、同致電子（3552）等公司，亦積極發展毫米波雷達。

c.下游：車廠

為了實現ADAS的各項功能，一台車至少需要「1長」+「4中短」，共5個毫米波雷達。因此，目前像是BMW、Benz、Audi、Toyota、Ford，甚至是電動車大廠Tesla、中國小鵬汽車都在其車款中，配置多個毫米波雷達。

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四、3個新創的機會點

以24GHz的毫米波雷達來看，除了市場擁擠外，國際Tier 1大廠在技術上也已深耕許久，新創公司較難以進入。不過，由於這些Tier 1的售價居高不下，且市場板塊也漸漸邁向77GHz、79GHz等頻段，使得新創公司有一個不錯的機會點，可以從提升精度、降低成本來努力。

另外，在目前各類型的雷達各有優缺下，結合攝影機、毫米波雷達、光達等多合一功能的感測器也逐漸興起。例如，AEye開發的iDAR感測器，不僅做到降低成本，也同時提供相機與光達組合的性能，不僅辨識範圍高達300米，也具備相機辨識顏色與交通號誌的特性。

最後，一般來說，傳統車廠基於技術可靠度，其實不大敢用新創公司的產品。若硬要跟這些車廠周旋，也往往曠日費時，有時一不小心就榨乾了新創公司的資源。其實，除了車用市場外，毫米波雷達也開始擴展到其他新興領域，值得新創觀察。

例如，24GHz毫米波雷達就廣泛地用於智慧家庭、智慧開門系統、工業機器人等等。60GHz雷達除了上述應用外，也適合做一些生命特徵感測，用以偵測心跳及呼吸。甚至，毫米波雷達也可整進智慧音箱，透過偵測使用者的遠近、手勢變化，來實現人機互動。相較於車用市場，這些應用進入門檻較低，也是新創公司的另一個機會點。

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