今年2月，Twitter博主Greetheonly發布特斯拉HW 4.0的實物圖片，指出該產品具備至少兩個乙太網接口。此前，特斯拉曾向FCC遞交毫米波雷達相關文件。該產品採用由6發射通道、8接收通道組成的射頻晶片組，工作頻率為76-77GHz，業界普遍推斷該產品為4D毫米波雷達。
特斯拉HW 4.0(圖源：Twitter博主Greetheonly)
何為4D毫米波雷達
所謂「4D毫米波雷達」，通俗地講，就是與現有的傳統毫米波雷達相比，其在水平和俯仰方向上的解析度得到了極大提高，可以在任何光照或天氣條件下，將雷達的功能從測量距離、速度、水平方位角擴展到涵蓋距離(Range)、方位(Azimuth)、俯仰角(Elevation)和相對速度(Velocity)的測量，顯著增強了雷達的性能。
如果用數字加以定量描述，以4D毫米波成像雷達為例，它可以實現超過300米的探測距離，可以在水平和俯仰方向上達到小於1度的解析度，輸出類似雷射雷達的點雲。也就是說，4D成像雷達可以用很高的解析度去探測物體的距離、速度、水平角度和高度，並通過點雲對環境和目標的輪廓進行描述並分類，從而滿足L2+ ADAS系統的需求。
當然，也只有這樣，它才能夠不僅可以「理解」水平面，還可以「理解」垂直平面，真正把前方探測到的物體輪廓大概描繪出來，從而幫助車輛判斷是在物體「下方」還是「上方」行駛，從而解決傳統毫米波雷達無法有效識別靜止物體、測量角度誤差範圍較大的問題。
從應用場景來看，L1級別目前需要實現自適應巡航控制(ACC)或者自動緊急制動(AEB)功能，這樣的系統通常搭載1顆前向長距離雷達與攝像頭組合，後向功能中的盲區檢測(BSD)、變道輔助系統(LCA)等功能則需要2顆后角雷達；到了L2級別，通常需要再額外多加裝兩顆前角雷達，以實現前向橫穿預警、帶轉向的AEB、自動泊車等功能，並與數顆攝像頭(≥4)一起實現360度車輛環視。
在L2+/L3以上級別，攝像頭(6-8)和雷達傳感器(5-10)的數量會進一步增多，對傳感器性能的要求也大幅提升。例如在L1、L2級別時，前向雷達只需具備辨別車輛或行人的能力即可，而到了L3+級別時則需要包括4D成像雷達在內的更高性能的雷達產品。
圖源：NXP
持續向中低端車型滲透
目前雷達市場有兩大重要變化：一是毫米波雷達技術從之前的SiGe轉型到RFCMOS，第二個關鍵變化是24GHz傳感器正被77GHz傳感器取代，這是推動4D毫米波雷達成本持續降低的主因。
毫米波雷達核心元器件包括MMIC、專用處理器和PCB，占BOM比重分別為20%、30%、10%，得益於MMIC晶片工藝的不斷改進下，車載毫米波雷達系統成本已經持續下行至初代工藝對應成本的30%。
1990-2007年間，毫米波雷達主要採用砷化鎵(GaAs)工藝，費用昂貴，多用於高頻高功率應用，且由於金屬層少，晶片集成度低，需要大量晶片搭建毫米波射頻前端(7-8顆MMIC/3-4顆BBIC)，導致雷達模塊體積和價格不具備吸引力；2007-2017年，鍺矽(SiGe)工藝逐漸開始成熟，系統所需射頻晶片數量大幅下降(2-5顆MMIC/1-2顆BBIC)，雷達體積也逐漸縮小，推動了毫米波雷達在汽車ADAS系統上的應用。但價格仍然較貴(上百美金)，除了高端車系，SiGe工藝的77GHz產品還是難以滿足大批量應用；而從2017年至今，低造價、高集成的CMOS工藝已經使雷達射頻晶片數量減少到1顆MMIC/1顆BBIC。
汽車毫米波雷達CMOS工藝爆發期已到(圖源：加特蘭微電子)
中信證券預計2025年悲觀/中性/樂觀情況下國內4D毫米波雷達市場空間分別為23.2億/30.3億/36.8億元，4D前向雷達和4D角雷達在L2級別中的滲透率分別為5%/6%/10%和2%/5%/6%，2030年國內4D毫米波雷達市場空間分別為106.2億/146.1億/150.1億元。
(文中的悲觀/中性/樂觀分別指：4D毫米波雷達僅滲透至搭載或計劃搭載雷射雷達的車型；4D毫米波雷達將滲透至搭載智能駕駛域控制器的L2級別車型；4D毫米波雷達的潛在滲透範圍進一步拓展至L2級別所有車型)
另一方面，現階段雷射雷達的產品單價約600-2000美元，采埃孚、大陸集團等tier1 的4D毫米波雷達約為150-200美元，相比雷射雷達性價比優勢顯著。價格方面，由於雷達獲得國產突破，價格方面也將繼續走低。中信證券方面預計2025/2030年4D前向雷達的單價分別為945/662元，4D角雷達的單價分別為378/265元；申萬宏源則預計4D成像雷達單價有望從1500元下降至1000元。
多種技術路線並存
目前，4D毫米波雷達的主要包括級聯、集成晶片、級聯+虛擬孔徑成像3種技術方案：
1）級聯方案基於成熟的標準雷達晶片打造，前期開發難度低，大陸集團、采埃孚、華域汽車等供應商均採用此方案。但由於級聯方案由多顆晶片級聯而成，產品尺寸較大、功耗較高。另一方面，天線之間存在互相干擾的問題，零部件供應商需要解決信噪比較低的問題。
例如恩智浦4D成像雷達方案就由多顆級聯TEF82xx雷達射頻晶片，並結合S32R45或S32R41雷達處理器晶片所構建，可實現360度環繞感知，從而滿足L2+級至L5級的自動駕駛需求。該方案最大的亮點在於率先提供了短距、中距、長距三合一的並發多模雷達感測，可實現對汽車周圍寬廣視場的同時感測。
圖源：NXP
2019年，TI推出了自己的毫米波雷達系統級聯方案。通過將四個3發4收的單個MIMO晶片級聯方案構成12發16收的MIMO雷達陣列，將雷達系統的虛擬通道數從12提升到了192，其水平角度解析度可達到1.4°，俯仰角度解析度可達到18°的效果。
2）集成晶片方案將多發多收天線集成在一顆ASIC晶片中，能夠大幅縮小產品體積，但晶片尚未完全成熟，成本較高。根據Vehicle 數據，現階段集成晶片方案的4D 毫米波雷達單價約為300-400美元，級聯方案則為150-200美元。
以色列Arbe為該晶片的頭部供應商，該公司開發出了目前最大的48發48收級聯雷達系統方案，其虛擬通道數可以達到驚人的2304個。但他們採用的是自研專用處理器，並在其中增加了獨有的雷達信號處理硬體加速模塊，以更好的解決成像雷達系統中數據高吞吐量的問題。
3）級聯+虛擬孔徑成像方案級聯+虛擬孔徑成像方案在標準雷達晶片的基礎上，藉助虛擬孔徑成像算法進行相位調製，使得每根接收天線在不同時間產生不同的相位響應，從而將原有物理天線虛擬至十倍甚至數十倍，角解析度能夠從10°提升至1°。與級聯方案相比，該方案使用的晶片數量更少，有利於縮小產品尺寸，降低產品功耗，但技術壁壘較高，現有參與者以傲酷和幾何夥伴為主。
國內多家供應商展開布局
南京隼眼科技目前通過單晶片就可以實現高達300米的探測距離和優於0.1度的角精度。而在5H交通雷達(即全息感知、超高智能、超精、超分辨和超距離)方面，實現了超過1500米的檢測能力，角精度優於0.1度，角解析度優於0.6度，可以同時覆蓋10-14個車道，代表了業內領先水平。
經緯恆潤基於Arbe雷達晶片組開發的4D毫米波雷達，具有48路發射和48路接收通道，探測距離達350m，並可實現方位向1°和俯仰向1.5°的真實孔徑解析度，能夠滿足L2+及以上級別智能駕駛系統的需求。公司已於2022年11月向Arbe 訂購34 萬個雷達晶片組，計劃應用於2023年和2024年的4D毫米波雷達量產產品。
威孚高科同樣基於Arbe雷達晶片組開發集成晶片方案的4D毫米波雷達產品。公司官網顯示，公司於2021年實現4D毫米波雷達的首批原型樣件試製和交付，目前處於技術研發和市場應用快速發展階段，並已獲得幹線物流項目定點。
華域汽車擁有2大產品系列：LRR30兩片級聯成像雷達和4片級聯成像雷達LRR40，可以達到350米的距離，水平和俯仰實現1度和2度的解析度，FOV可以進一步擴展到±75度，盲區可以進一步縮小。
華域4D雷達產品
保隆科技規劃了24發12收和48發48收兩款4D毫米波雷達，正處於開發測試階段。上述產品的最遠探測距離達300m，水平/垂直視場角分別為110°/30°，並可實現方位向1°和俯仰向1.6°的真實孔徑解析度。
為升科開發的高角度解析度雷達可得到小於1度的水平角解析度，以及小於2度的垂直角解析度，通過角解析度的提升，使得雷達偵測距離大於300米、輸出數據速率達到20FPS，並使雷達每秒提供8萬個點雲。
不要只關注數量
2022年乃至今後幾年內，汽車毫米波雷達數量的增加肯定是不爭的事實。但有業內專家指出，毫米波雷達即便發展到4D雷達或4片級聯雷達，也還遠遠沒有走到所能達到的盡頭。比如過去雷達最大的缺點是解析度不足，現在通過更多晶片級聯將解析度提升到足夠高的程度後，發現更突出的問題是動態範圍不足。
另一方面，從當前的發展趨勢來看，毫米波雷達除了應用於自動駕駛上，也在快速地向大交通、智能交通演進。這就必然涉及到車路協同，即「聰明的車」和「智慧的路」的協同，但協同的方式將呈現多樣化，既有通信，未來也有可能通過感知實現。
除了數量增加之外，車載毫米波雷達還需要思考的問題包括：如何繼續提升其在探測距離、距離解析度、角度解析度(包括俯仰方向)、檢測和區分小目標等方面的能力？如何實現相同性能條件下更低的功耗？如何在中短距離雷達應用中實現射頻前端和雷達處理器，甚至是天線與晶片封裝的集成，用來進一步降低系統成本，方便系統設計和應用？如何利用AI和深度學習進一步提高毫米波雷達自主學習、自我演進的能力？等等。
但「行則將至」。儘管自動駕駛級別不同，市場也有很多細分，不存在一刀切的傳感器市場，然而毋庸置疑的是，以毫米波雷達、攝像頭和雷射雷達為代表的傳感器已經成為自動駕駛的靈魂所在，它們正在迎來一個快速的發展和疊代周期。
3月29日，AspenCore將在上海舉辦國際集成電路展覽會暨研討會（IIC Shanghai 2023），同期將舉辦第二屆「碳中和暨綠色能源」論壇，推動半導體產業鏈上下游交流與合作！點擊這裡報名參加。
責編：Elaine