波導天線，路在何方？
從行業(yè)和技術(shù)兩個維度看波導天線的市場化之路。
今年2月特斯拉“放棄純視覺，新車加裝毫米波雷達”的消息一經(jīng)傳出，就著實在中國A股市場掀起了一股毫米波雷達熱。資本市場確實會早于行業(yè)爆發(fā)前幾年就提前預(yù)知，這就像2015年充電樁股票大熱(那時大眾還不知道所謂充電樁是何物)，而充電樁真正走進大眾視野，已經(jīng)是2018年以后的事情了。
不管這波毫米波雷達概念股大熱是資本市場的提前布局，還是資本的炒作？ ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 都有必要搞清楚毫米波雷達究竟解決了什么行業(yè)問題？以及除了眾所周知的芯片“卡脖子”問題外，我國毫米波雷達的開展，是否還有其它的“卡脖子”問題？
而這就得從汽車工業(yè)想要達到的終極狀態(tài)--自動駕駛，以終為始，開始說起。
01 自動駕駛--是“忽悠”？還是“最終鑰匙”？
“據(jù)蓋世汽車統(tǒng)計，截至6月30日，今年智能電動汽車領(lǐng)域至少已經(jīng)披露了98起融資事件，其中69起與智能駕駛相關(guān)。而在去年同期，整個智能電動汽車賽道披露的融資不過70余起，其中智能駕駛相關(guān)融資事件不到60起?！痹谶@個資本寒冬的2023，還有大量資本涌入自動駕駛賽道，恐怕跟2022年工信部的一則征求意見稿有關(guān)。
2022年11月2日，工信部會同公安部，針對L3、L4級自動駕駛汽車，起草了《關(guān)于召開智能網(wǎng)聯(lián)汽車準入和上路通行試點工作的通知(征求意見稿)》(圖1)
圖1
在征求意見稿中提到，對于符合條件的L3、L4級自動駕駛功能的智能網(wǎng)聯(lián)汽車，可以在試點城市的限定公共道路區(qū)域內(nèi)召開上路通行試點。這則征求意見稿把自動駕駛又推向了一個熱度，而對于自動駕駛的真正未來，眾說紛紜。
業(yè)界大佬比亞迪的王傳福說，自動駕駛是忽悠，被資本裹挾的噱頭。而另一方面，據(jù)聯(lián)合國安全和安保部的數(shù)據(jù)顯示每年全球有130萬人死于交通事故和5000萬人在事故中受傷(數(shù)據(jù)來源：聯(lián)合國官網(wǎng)http://www.un.org/en/safety-and-security/road-safety)。”另一個業(yè)界大佬特斯拉的馬斯克則發(fā)聲說：“年底實現(xiàn)全面自動駕駛”，自動駕駛是解決交通事故的最終鑰匙。
自動駕駛到底是資本的噱頭，還是那把最終的鑰匙？無人敢妄下定論。然而，在某些駕駛場景下，用自動駕駛的技術(shù)邏輯去進行高階輔助駕駛，是當下消費者的真實需求，解決當下需求，也才是在自動駕駛領(lǐng)域耕耘的公司活下去的唯一可能。
試想一下如下駕駛場景：
場景一：大霧天氣下，能見度很低，看不清道路，也看不到前車；(圖2)
圖2
場景二：夜間行車時，對面車開了遠光燈，而這時有人橫穿馬路；(圖3)
圖3
場景三：出隧道時的強逆光或進隧道時的瞬間昏暗，駕駛員無法看清路況；(圖4)
圖4(※以上照片來自網(wǎng)絡(luò)，若有侵權(quán)，請聯(lián)系刪除)
在以上駕駛場景下，如果有高階輔助系統(tǒng)(ADAS)給駕駛員給予駕駛決策的輔助，給駕駛員給予第二雙眼睛和耳朵，相信行車就會安全和輕松很多。并且政府或相關(guān)組織也在2022年開始在政策上“加磅”自動駕駛和高階輔助駕駛。
歐盟要求從2022年開始新車必須裝配AEB自動緊急剎車系統(tǒng)(Automatic emergency braking systems)。也有Euro NCAP(New Car Assessment Program)這樣的行業(yè)組織要求汽車主機廠裝配數(shù)個雷達傳感器和攝像頭，從而能檢測諸如動物、自行車和行人等小目標。
02 毫米波雷達--是雞肋？還是必需？
現(xiàn)在用于ADAS高階輔助駕駛上的主流傳感技術(shù)，有攝像頭、激光雷達和毫米波雷達三種，它們各有優(yōu)缺點。
盡管毫米波雷達在測距和測速的直接性上優(yōu)于另兩種傳感方式，然而由于普通3D毫米波雷達分辨率低且無法測高等原因，曾經(jīng)一度被特斯拉舍棄。今年特斯拉被爆出，重新裝回毫米波雷達，其背后的邏輯應(yīng)該有二：
毫米波雷達具有全天候和受環(huán)境天氣影響小的優(yōu)點，在攝像頭和激光雷達使用受限的場景下，給予可靠的傳感支持；
隨著技術(shù)的進步，毫米波雷達找到了低成本解決分辨率低的辦法。在可測速、測距和測寬基礎(chǔ)上，又增添了測高的功能，自此，毫米波雷達就進入了4D時代，且隨著芯片算法和天線技術(shù)的進一步提高，4D毫米波雷達也可以生成大量點云從而可以成像。
也正是由于毫米波雷達天生的受環(huán)境和天氣影響小的特點，再加上其性能進一步的提高，毫米波雷達現(xiàn)在被行業(yè)定義為“must have”“必需”要裝配的傳感技術(shù)。Yole2022汽車行業(yè)研究報告(圖5)中指出了不同自動駕駛級別(L0到L5)需要的毫米波雷達數(shù)量：
■L0和L1需要3個毫米波雷達
■L2需要3到5個毫米波雷達
■L3需要大于5個毫米波雷達
■L4和L5需要7-11個毫米波雷達
圖5(※圖片來自Yole官網(wǎng)，若有侵權(quán)，請聯(lián)系刪除)
03 4D毫米波雷達--能量產(chǎn)了？還是存在限制？
2021年大陸汽車Continental推出了一款4D毫米波雷達ARS540(圖6)，探測距離達到300m，可測高，可成像，震驚業(yè)內(nèi)。
圖6大陸汽車 ARS540雷達(※圖片來自Continental官網(wǎng)，若有侵權(quán)，請聯(lián)系刪除)
“ARS540水平方位角Azimuth或者說水平分辨率達1.2°，絕大多數(shù)毫米波雷達水平分辨率只有5°，ARS540是普通毫米波雷達水平分辨率的近5倍。其次，ARS540是具備能夠真正測量目標高度的毫米波雷達，也就是其垂直方位角或分辨率Elevation達到了2.3°?！睋?jù)行業(yè)人士所述。
中國的毫米波雷達研發(fā)從3D時代就已經(jīng)遠遠落后了，國外的ABCD(Autolive/Bosch/Continental/Delphi)，后Autolive雷達和Delphi分別更名為Veoneer和Aptiv，再加上Hella和ZF，幾乎占領(lǐng)了全部車載毫米波雷達市場份額。相較于國外雷達公司近30年的技術(shù)積累，我國最早也就是華域汽車于2014年開始研發(fā)車載毫米波雷達產(chǎn)品。
我國毫米波雷達國產(chǎn)化相對滯后，芯片是主要的制約因素之一。24GHz頻率相對簡單，供應(yīng)鏈也相對成熟穩(wěn)定，國內(nèi)廠商能從飛思卡爾等芯片公司取得24GHz的芯片。然而，隨著76-81GHz在全球范圍內(nèi)被定義為汽車雷達的唯一頻率范圍。鑒于針對這個頻段，供應(yīng)鏈與知識產(chǎn)權(quán)的限制，飛思卡爾、恩智浦、德州儀器、意法半導體等芯片商，對中國并沒有完全放開77GHz雷達芯片的供應(yīng)。國內(nèi)芯片公司，如加特蘭和地平線，也在努力突破供應(yīng)鏈與知識產(chǎn)權(quán)的限制，加速研發(fā)77GHz雷達芯片，相信不久就有好消息傳出。
而限制我國毫米波雷達開展的，還不僅僅是芯片。行業(yè)人士對ARS540雷達進行了拆機分析，其中的核心部件有：賽靈思Xilinx的射頻芯片和灝訊Huber Suhner的腔體波導天線waveguide volume antenna(圖7)，也有人稱之為hollow waveguide antenna。
圖7 ARS540爆炸圖(※圖片來自網(wǎng)絡(luò)，若有侵權(quán)，請聯(lián)系刪除)
也自此國人才開始關(guān)注到波導天線在車載77GHz毫米波雷達上的應(yīng)用，而瑞士的huber Suhner和瑞典的Gapwaves早已在該應(yīng)用上耕耘數(shù)年。
04 毫米波雷達天線--從微帶到波導
天線作為毫米波雷達最重要的收發(fā)部件之一，在24GHz低頻時，微帶天線損耗小，輻射效率可以滿足要求。進入77GHz頻段，介質(zhì)損耗增大，天線效率降低。若采用低損耗的高頻介質(zhì)板，又會造成成本增加。且77GHz頻段，還需要盡可能覆蓋住從76GHz到81GHz 5個G的帶寬。以及采用了腔體波導天線的ARS540橫空出世，人們驚奇的發(fā)現(xiàn)，波導天線由于其相較于微帶天線的強大性能優(yōu)勢，開始在雷達4D時代嶄露頭角。
九章智駕的調(diào)研報告就指出（圖8）：微帶天線在大角度下增益衰減較大，多天線陣列間一致性較差。且隨著4D雷達多芯片級聯(lián)方案會要求大幅增加收發(fā)天線，若仍采用微帶天線設(shè)計思路，饋線走線復(fù)雜度很大，且天線陣列只能在X-Y方向上布局，導致雷達面積過大，羅杰斯板材使用面積也會變大，成本顯著增加。
圖8(※圖片來自九章智駕，若有侵權(quán)，請聯(lián)系刪除)
并且，波導天線可在X-Y-Z三個方向展開，設(shè)計更加緊湊，可以縮減天線和雷達面積，實現(xiàn)高效率的饋電網(wǎng)絡(luò)。這能夠助于高增益的天線單元的設(shè)計，提高雷達的探測距離。用波導天線替代微帶天線，已經(jīng)成為毫米波雷達天線陣元設(shè)計的未來趨勢。
05 波導天線--腔體波導？還是間隙波導？
據(jù)統(tǒng)計中國現(xiàn)在已經(jīng)有35家毫米波雷達公司，其中只有少部分可以從TI和NXP等芯片供應(yīng)商買到芯片，而即使拿到了芯片的中國毫米波雷達公司，還要面臨著能否買到質(zhì)優(yōu)價廉的波導天線。
波導天線其實不是一個新鮮的概念，在軍方已經(jīng)大量使用，只是當車載雷達來到76-81GHz高頻段時，頻率越高，波長自然更短，設(shè)計難度和加工精度都面臨挑戰(zhàn)，當然還有天線材料。
最經(jīng)濟適用做天線的材料是鋁和銅，而雷達想要更高的分辨率就需要更多的通道，這就要求在已經(jīng)面積很小的天線板上，做出更多的通道結(jié)構(gòu)，這對銅和鋁的機加工提出了極高的挑戰(zhàn)，從網(wǎng)上拆解的ARS540的波導天線(圖9)來看，此種高密集的天線通道，用銅或鋁做CNC，無論是效率和成本都幾乎不可能實現(xiàn)。
圖9 波導天線(ARS540)(※圖片來自網(wǎng)絡(luò)，若有侵權(quán)，請聯(lián)系刪除)
現(xiàn)在行業(yè)想到的辦法是用塑料，先注塑成型出這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)，然后在塑料上做涂層，讓其具有天線功能。ARS540波導天線是用的PPS塑料，然后涂覆了銀。用PPS涂銀來做波導天線，會面臨有三個方面的問題，一是銀金屬本身就很貴(5.6元/克)；二是在PPS上涂銀只能用PVD的方法，而PVD的效率很低且工藝耗電量很大；三是用銀而非其它金屬做涂層，是因為銀比較好焊接，即使如此，這么多通道需要焊接成需要的波導腔體，其焊接的合格率也會面臨極大挑戰(zhàn)，焊接一旦不好就會漏波，天線性能變差。
總結(jié)下來，現(xiàn)在的腔體波導天線，存在材料成本高、工藝效率低和焊接合格率低這三個問題。而波導技術(shù)的另一個流派，就是間隙波導gap waveguide。相較于腔體波導(也可以稱為普通波導)，間隙波導由于其有周期性的EBG電磁帶隙做電磁屏蔽，即使安裝后留有空隙，也不會導致漏波的情況(圖10)。
圖10 間隙波導和普通波導漏波對比(※圖片來自行業(yè)會議資料，若有侵權(quán)，請聯(lián)系刪除)
由于間隙波導對焊接的要求不高，所以，間隙波導可以選用銅作為涂層金屬，從這個角度來說，間隙波導在材料成本和焊接成本方面是優(yōu)于腔體波導的。但，間隙波導仍然存在采用PVD工藝，低效率和高能耗問題依舊存在。電池復(fù)合集流體(銅箔)這個行業(yè)在使用PVD做銅涂層，由于PVD工藝高耗電量的問題，類似的工廠會選擇建在西南部水電站旁邊，從而取得充足的電力供應(yīng)。
而行業(yè)還面臨另外一個問題，無論是腔體波導，還是間隙波導，現(xiàn)在還僅僅是兩家歐洲公司在做，而智能網(wǎng)聯(lián)汽車的主戰(zhàn)場在中國，當中國毫米波雷達公司想要找這兩家歐洲天線公司合作時，往往也得不到滿意的回饋。
06 波導天線的中國主張
簡而言之，我國毫米波雷達波導天線行業(yè)，存在如下三個問題：歐洲技術(shù)封鎖“嫌疑”，高耗電和低效率，以及高成本。這也導致了波導天線像是困在了成本的迷局里，無法跑出量產(chǎn)性。
其實，無論是77GHz毫米波雷達，還是波導天線，歐洲還遠領(lǐng)先于 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 ，而自動駕駛和高階輔助駕駛的主戰(zhàn)場或主要需求地，卻是在 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 中國，在強大的市場需求下，需要 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 產(chǎn)業(yè)人共同努力，把波導天線拽出成本的迷局和技術(shù)封鎖的囧地，助跑中國毫米波雷達事業(yè)起飛！
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