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深度拆解4D毫米波雷達，從設計到PCB解決方案

2023.11.23

從毫米波雷達到4D毫米波雷達

在各種傳感器中，毫米波雷達憑借體積小、成本低、全天候運行、測速能力和高距離分辨率等優勢，一直被廣泛應用于自動駕駛。然而，傳統的毫米波雷達(也稱為3D毫米波雷達)，在測量目標高度上性能不佳(3D雷達并不是不能測高，只是分辨比較差)，并且通常只包含距離、方位和速度信息。此外，3D毫米波雷達存在雜波、噪聲和低分辨率等問題，特別是在角度維度上，這最終限制了它在復雜感知任務中的適用性。

多輸入多輸出（MIMO）天線技術的進步提高了俯仰角分辨率，導致了4D毫米波雷達的出現。4D毫米波雷達可以測量四種類型的目標信息：距離、方位、高度(俯仰角)和速度，使得：

最遠探測距離大幅可達300多米，比激光雷達和視覺傳感器都要遠；
水平角度分辨率較高，通常可以達到1 的角度分辨率，可以區分 300m 處的兩輛近車；
可以測量俯仰角度，可達到優于2°的角度分辨率，可在 150m 處區分地物和立交橋；
當有橫穿車輛和行人, 多普勒為零或很低時通過高精度的水平角和高精度的俯仰角可以有效識別目標；
目標點云更密集，信息更豐富，更適合與深度學習框架結合。

4D毫米波雷達有望在中低端車型上占領激光雷達降本后的生態位，配合攝像頭及傳統毫米波雷達形成一套高性價比的智能駕駛硬件組合。

采埃孚4D毫米波雷達產品拆解

采埃孚4D毫米波雷達應用在國內某中高端純電平臺上，單車搭載2個雷達，分別安裝在前后保險杠內部，可以實現最遠探測距離350米。從拆解的信息來看，該4D雷達可以分為4個部分，分別是數字接口板及結構件、發射單元及PCB、屏蔽罩和雷達天線罩，如下圖所示。

發射單元的微帶天線陣列一共有28根天線，分為發射天線和接收天線兩類，其中12個發射天線(TX)，16個接收天線(RX)，通過MIMO技術增加虛擬孔徑，形成192個虛擬通道。高清圖如下所示：

雷達一共有4個MMIC(單片微波集成電路),采用多片級聯的方式連接。外部銀色的為屏蔽罩，內部為MMIC。MMIC是雷達關鍵零部件，完成雷達發射信號的調制、發射、接收以及回波信號的解調。4個MMIC存在主從關系，功率需要均勻的分配到三個Slave MMIC，分功電阻將本振功分信號功率進行均勻分配。覆銅打孔處的本振功分線用于4個MMIC的同步，高頻PCB板材性能要求高于普通PCB，主要用于蝕刻毫米波雷達天線。詳細結構圖如下所示：

移除屏蔽罩后，可以清晰地看見內部黑色的MMIC，以及3發4收的電路特征，如下圖所示。MMIC具體型號為AWR2243P，由德州儀器提供。

雷達使用的AWR2243P是支持多片級聯的型號，AWR2243是TI第二代毫米波傳感器，使用了TI第二代毫米波射頻前端，射頻性能比第一代產品有了大幅提升，其4個MMIC，單個MMIC具有3發射天線及4接收天線，一共28根天線。下圖中綠色線框分割幫助梳理天線所屬的MMIC，藍色標注為發射天線，紅色標注為接收天線。

從雷達天線排列位置的角度，也能辨別4D 毫米波雷達與傳統毫米波雷達的區別。下圖中上面部分為本次拆解的采埃孚4D毫米波雷達，感興趣的朋友可以自行研究這個天線布局(稀疏均勻陣+Monopulse布局)。下面部分為來自日本電裝的傳統3D毫米波雷達。

方位角的探測是通過接收天線所接受信號的相位差來進行計算的，水平直線排列的接收天線能夠探測水平方向的相位方位角信息（上圖紅框）。淺綠色框內的發射天線與紅色框的接收陣列通過MIMO技術，在垂直方向上形成虛擬孔徑陣列，來實現高度方向上的測量，則可以得到目標的高度信息（上圖綠框）。作為對比，傳統毫米波雷達發射天線和接收天線只在水平向上進行天線排列，在高度向上沒有布局發射或接收天線，因此無法探測高度信息。

發射單元的反面具有連接器、電源管理電路PMIC、處理器、模數轉換器ADC和DDR3存儲單元。

連接器通過與數字接口板連接，將雷達感知信號輸出到接口板，負責數據通信和供電。電源管理電路PMIC是一種廣泛應用于各種電子設備內的元器件。主要功能有電壓降壓(Buck)或升壓（Boost），確保為發射單元等用電設備提供穩壓電流。

處理器采用賽靈思ZYNQ UltraScale+MPSoC FPGA，具體型號為XAZU3EG ，優異的處理性能主要用于4D雷達復雜信號處理。傳統毫米波雷達則使用低成本的DSP進行信號處理的方案。NXP也在做類似產品，包括S32R45/41系列。

模數轉換器ADC用來控制PMIC模擬信號轉換為數字信號，產品來自德州儀器，型號為ADS7953Q。DDR3存儲單元主要用于緩存雷達采集到的數據和中間處理結果。該雷達采用兩塊存儲單元，產品來自美光，型號為MT53E128M32D2DS-053 AUT:A。詳細如下圖所示：

數字接口板及結構件由CAN FD接口、散熱翅片、以太網接口和數字接口板組成。傳統毫米波雷達數據量較小，以20Hz頻率估計，數據量約為數十kbps，CAN FD最高支持5Mbps，足以支持其數據傳輸需求。

4D毫米波雷達較大的功率(25W左右)使得其擁有較大的發熱量，結構件背面的散熱翅片幫助散熱，降低其工作溫度。4D毫米波雷達點云數量大幅提升，達到數百甚至上千點云量，以太網的高數據傳輸速率得以支持其傳輸需求。數字接口板負責與雷達與整車域控信號及電源進行適配及轉接。詳細如下圖所示：

毫米波雷達的PCB設計及材料使用

毫米波雷達大多采用如TI、Infineon或NXP等的完整的單芯片解決方案，片內集成了射頻前端、信號處理單元和控制單元，提供多個信號發射和接收通道。雷達模塊的PCB板設計主要有以下幾種方式：

以超低損耗的PCB材料作為最上層天線設計的載板，天線設計通常采用微帶貼片天線，疊層的第二層作為天線和其饋線的地層。疊層的其他PCB材料均采用FR-4的材料。這種設計相對簡單，加工容易，成本低。但由于超低損耗PCB材料的厚度較薄（通常0.127mm），需要關注銅箔粗糙度對損耗和一致性的影響。同時微帶貼片天線較窄的饋線需要關注加工的線寬精度控制。
用介質集成波導（SIW）電路代替微帶貼片天線進行雷達的天線設計。除天線外，其他PCB疊層采用FR-4材料作為雷達控制和電源層。SIW的天線設計仍選用超低損耗的PCB材料，降低損耗增大天線輻射。材料的厚度通常選擇較厚PCB來增大帶寬，減小銅箔粗糙度帶來的影響，同時還不存在加工較窄線寬時的工藝問題。但需要注意SIW的過孔加工和位置精度問題。
使用超低損耗材料設計多層板疊層。根據需求，選擇其中幾層或者全部疊層均使用超低損耗材料。這種設計方式在增加電路設計的靈活性和集成度的同時，可以進一步減小雷達模塊的尺寸。但缺點是相對成本較高，加工過程相對復雜。

TI AWR1642芯片方案疊層結構

4D毫米波雷達的PCB材料性能需要考慮以下幾個方面：

材料的電氣特性，穩定的介電常數和損耗可以使收發天線獲得準確的相位，從而提高天線增益和掃描角度或范圍，提高雷達探測和定位精度。PCB的介電常數和損耗的穩定性不僅要確保不同批次材料的穩定性，也要保證同一板內的變化小，材料需要非常好的穩定性。
銅箔的表面粗糙度，越薄的材料上銅箔表面粗糙度對電路的影響越大。越粗糙的銅箔類型其自身粗糙度變化也就越大，會造成介電常數和損耗的較大變化，影響毫米波的相位特性。
材料的可靠性，材料的可靠性不僅指材料在PCB加工中疊合、鉆孔、銅箔結合力等方面具有高可靠性，還包括材料的長期可靠性和環境可靠性。PCB材料的電氣性能是否隨著時間的推移保持穩定，是否能夠在不同溫濕度下保持穩定。這對于汽車安全件的重要性不言而喻。

4D毫米波雷達的PCB變化

無論4D毫米波雷達采用“級聯+MIMO”、專用芯片還是軟件賦能的方案，其本質是要大幅提升雷達收發信息的數量和質量（從而達到點云成像的結果），這也就使得信號收發的射頻前端和信號處理板的集成度顯著提升，相應的PCB板相比傳統雷達也將發生變化。

射頻板的PCB變化

面積增大至3倍，通過對比全球知名Tier1德國大陸公司的傳統毫米波雷達ARS410（特斯拉曾用）、4D毫米波雷達ARS540、特斯拉在FCC上披露的最新4D毫米波雷達的方案，我們發現4D毫米波雷達采取芯片級聯的方式使得射頻板面積有所增大，估算傳統毫米波雷達的射頻板面積約為0.006平方米，而以ARS540為代表的4D毫米波成像雷達的射頻板面積約為0.012平方米。
PCB層數增加，由于4D毫米波雷達的天線數據量增加，射頻板將從6層提升至8~10層。
PCB板材升級，無論是傳統毫米波雷達還是4D毫米波雷達，主流方案的PCB疊層中均會設置2層高頻層，所用材料為 PTFE。4D毫米波雷達的PCB板材也從初級PTFE材料（例如RO4850/RO4350）升級到較高級的高頻PTFE材料（例如RO3003/RO3006），后者材料單價為前者的3倍。

綜上所述，4D毫米波雷達射頻板的PCB相較于傳統毫米波雷達，PCB價值有望從12元上升到60~100元。

信號處理板的PCB變化

一般情況下信號處理板有高速處理要求，因此PCB多用高速板材。由于4D毫米波成像雷達信號處理量有所提升，PCB的規格也會相應升級。但值得注意的是，由于AI算法的介入和數據融合程度提升，毫米波雷達上的信號處理功能將會簡化，從而使得信號處理板的設計和工藝復雜度降低。根據調研，目前已經推出的 4D毫米波雷達的信號處理板PCB會從4層升級到4~6層，板材也會用到Ultra Low Loss級別。相應的PCB價值大約會從10 元/臺提升至20元/臺。