毫米波雷達是什麼?自動駕駛、智慧家庭都少不了它!|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。

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。

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。

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。

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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  1. 你好~你的文章寫得太好了,忍不住留言,讓我一個完全不懂感測器技術的文組人都能看懂,又覺得有趣,謝謝你!

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