毫米波雷达是什么?自动驾驶、智能家居都少不了它!

我们曾在【万物联网，浅谈IoT低功耗广域网趋势】中谈过物联网的三层架构，分别是感知层、网络层、应用服务层。这一次，我们回归物联网的源头，来谈谈感测层中成长速度惊人的“毫米波雷达”。

开始之前，先复习一下三个基础的通讯原理。

1. 电磁波(Electromagnetic wave)是由互相垂直的“电场”与“磁场”交互产生的一种能量。

2. 在数学上，“毫”代表的是“千分之一”，数学代号为m。当数学代号“毫”加上“米”这个单位的时候，“毫米”就代表“千分之一公尺”的意思，也就是millimeter(缩写mm)。

3.“波长”指的是电磁波的波峰到波峰的距离，通常以毫米(mm)、微米(μm)或是奈米(nm)为单位;“频率”则指电磁波每一秒震动的次数，以“赫兹(Hz)”作为单位。其中，最重要的特性就在于“波长”与“频率”成反比。

回归正题，毫米波就是指波长介于1～10毫米(mm)的电磁波。若以频率来换算的话，大概是工作在10～300GHz的频率，高于无线电波，低于可见光及红外线。

一、什么是“毫米波雷达”?

毫米波雷达，指的是工作在毫米波波段(millimeter wave)的雷达，透过天线发射毫米波，及接收障碍物反射回来的讯号，来计算出与目标的相对速度、距离以及角度。

说到这，你可能会好奇，毫米波雷达到底厉害在哪?与我们常听到的红外线雷达、超声波雷达、光达又有什么差异?而最近AI影像辨识兴起，摄影机是不是也有机会取代掉传统雷达呢?

其实，这五种感测方式各有擅长。例如，红外线、超声波雷达的价格虽然较低，但是可探测的距离过短;摄影机虽然可分辨障碍物的大小与颜色，但就像人类的眼睛一样，易受天气因素影响。

光达虽然精准度高，但有天气因素制约，且目前价格少说一颗也要400美元，离大量普及还有一段时间。至于毫米波雷达，虽然价格适中，不易受环境影响，但精度却也逊于光达。

因此，目前看来，并没有哪一类型的感测方式独霸一方，实务上反倒是在各应用场景中互相搭配、各取所需。例如，在自动驾驶领域中，超声波雷达、红外线传感器、光达、毫米波雷达、摄影机便会各司其职，在性能上互补，可参考下表。

根据日本YANO Research Institute的研究报告，几个主流的传感器中，除了红外线传感器、超声波雷达的成长幅度相对持平，其他像是毫米波雷达、摄影机、光达等传感器皆显著成长。其中，毫米波雷达更是这几年来成长最快速的类别。

二、24GHz、60GHz、77GHz和79GHz车载毫米波雷达的发展

如同前面所提，毫米波是指工作介于10～300GHz的频段，虽然目前各国针对车载毫米波雷达所分配的频段各有不同，但主要还是集中于24GHz及77GHz，只有少数国家如日本则采用了60GHz频段。

2015年的世界无线电通信大会上，各国将77GHz频段划分为「车载高分辨率雷达频段」，因此77GHz瞬间成为国际标准。由于高频段的77GHz相对于24GHz具有诸多优势，也使得日本从60GHz逐渐转而开发77GHz的毫米波雷达。

在分析24GHz、77GHz、79GHz各频段之优劣前，我们再补充三个电磁波原理，等等比起来会更有感觉。

1. 根据电磁波原理，当天线长度为电磁波波长的1/2或1/4时，收讯情况最好。换言之，频率越高、波长越短，天线就可以做的越小，雷达体积也会较小。

2. 高频电磁波也代表着能量较高，因此不用消耗很多电力，就能让天线产生足够的增益(Gain)传送比较远的距离。不过，高频电磁波的绕射性质比较差，不容易绕过障碍物，所以室内接收讯号的质量会比较差。

3. 毫米波雷达“分辨率”的定义为：“雷达可以区分的两个物体的最近距离”。例如，若两个物体靠的太近，那么雷达可能会把它视为一个物体，如果分开一点，雷达便会视为两个物体。简言之，可以让雷达辨别出“这里有两个物体，而不是一个物体”的前提下，两物体之间的最短距离，就是雷达的分辨率。

分辨率的计算公式为光速/(2倍的雷达带宽)，因此24GHz(250MHz带宽)的分辨率为0.6m，77GHz(1GHz)的分辨率为18cm。4GHz带宽的毫米波雷达分辨率可以做到5cm。

由于24GHz毫米波的波长较长(约1.25cm)，故其天线、雷达体积会相较77GHz(约4mm)来得大。不过，由于24GHz雷达的「绕射能力」较强，因此24GHz毫米波雷达主要用于小于50公尺的短距离侦测。

77GHz雷达由于频率较高，具有精度高、讯号穿透性佳等优点，因此77GHz的毫米波雷达主要适用于长距离(约250公尺)侦测。

至于79GHz，由于24GHz ISM频段的带宽只有250MHz，使得其「分辨率」与「探测距离」有其限制，因此，2015年国际电信联盟(ITU)决定开放76GHz~81GHz频段供车载雷达应用。79GHz不仅较24GHz车载雷达带宽更大，让分辨率得以压缩至5公分，而设备体积也更小，更易于后续安装。

整体看来，汽车毫米波雷达不断朝高精度需求发展，使得雷达系统持续从24GHz往77GHz、79GHz升级。我们可以预测，未来车载雷达频段将趋向76GHz～81GHz之间，最终以77GHz雷达作为长距通信的载体，79GHz作为短距通信的载体。

三、全球汽车毫米波雷达产业链

打开毫米波雷达的硬件结构，主要零组件包括发射器、接收器、讯号处理器、电路板以及天线等等。除了硬件的组成外，毫米波雷达如何透过算法，来取得分析结果，也是一门很大的学问。

在了解雷达的基本构造后，接下来我们来看看全球汽车毫米波雷达的产业链，从上游的芯片、电路板开始，再到中游的车用电子系统厂，最后再到下游的车厂，市场分布状况可参考下图。

a.上游：芯片厂

毫米波雷达的核心芯片主要来自于国际大厂，这几年不少IC厂商推出毫米波雷达SOC芯片，将微控制器(MCU)、数字信号处理器(DSP)、讯号放大器及负责收发雷达波的射频芯片全部整合在在单一芯片上，例如NXP的77GHz SOC感测芯片、Infineon的79 GHz SOC感测芯片等。

以市场占有率来看，目前国际市场主要被恩智浦(NXP)、英飞凌(infineon)、德州仪器(TI)等芯片设计公司占据。

b. 中游：车用电子系统厂

至于中游的毫米波雷达市场，几乎被奥托立夫(Autoliv)、博世(Bosch)、大陆集团(Continental)、德尔福(Delphi)、天合汽车集团(TRW)、法雷奥(Valeo)、海拉(Hella)、电装(Denso)、富士通(Fujitsu)等国际厂商垄断。

若以中国的毫米波雷达市场占有率来看，24GHz雷达市场主要由博世(Bosch)、法雷奥(Valeo)、海拉(Hella)所主导，合计市场占有率60%以上;77GHz雷达主要由博世(Bosch)、大陆集团(Continental)和德尔福(Delphi)主导，合计市场占有率更是高达80%。

台湾地区也不乏发展汽车毫米波雷达系统之厂商，例如启碁电子(6285)、为升科技(2231)、明泰科技(3380)等，皆陆续出货24GHz毫米波雷达，至于77GHz产品则多处于客户验证的阶段。此外，其他厂商包括辉创科技、同致电子(3552)等公司，亦积极发展毫米波雷达。

c.下游：车厂

为了实现ADAS的各项功能，一台车至少需要「1长」+「4中短」，共5个毫米波雷达。因此，目前像是BMW、Benz、Audi、Toyota、Ford，甚至是电动车大厂Tesla、小鹏汽车都在其车款中，配置多个毫米波雷达。

四、3个新创的机会点

以24GHz的毫米波雷达来看，除了市场拥挤外，国际Tier 1大厂在技术上也已深耕许久，新创公司较难以进入。不过，由于这些Tier 1的售价居高不下，且市场板块也渐渐迈向77GHz、79GHz等频段，使得新创公司有一个不错的机会点，可以从提升精度、降低成本来努力。

另外，在目前各类型的雷达各有优缺下，结合摄影机、毫米波雷达、光达等多合一功能的传感器也逐渐兴起。例如，AEye开发的iDAR传感器，不仅做到降低成本，也同时提供相机与光达组合的性能，不仅辨识范围高达300米，也具备相机辨识颜色与交通号志的特性。

最后，一般来说，传统车厂基于技术可靠度，其实不大敢用新创公司的产品。若硬要跟这些车厂周旋，也往往旷日费时，有时一不小心就榨干了新创公司的资源。其实，除了车用市场外，毫米波雷达也开始扩展到其他新兴领域，值得新创观察。

例如，24GHz毫米波雷达就广泛地用于智能家居、智能开门系统、工业机器人等等。60GHz雷达除了上述应用外，也适合做一些生命特征感测，用以侦测心跳及呼吸。甚至，毫米波雷达也可整进智能音箱，透过侦测使用者的远近、手势变化，来实现人机互动。相较于车用市场，这些应用进入门坎较低，也是新创公司的另一个机会点。