助飞中国毫米波雷达，困在成本迷局里的波导天线，路在何方？
今年2月特斯拉“放弃纯视觉，新车加装毫米波雷达”的消息一经传出，就着实在中国A股市场掀起了一股毫米波雷达热。资本市场确实会早于行业爆发前几年就提前预知，这就像2015年充电桩股票大热(那时大众还不知道所谓充电桩是何物)，而充电桩真正走进大众视野，已经是2018年以后的事情了。
不管这波毫米波雷达概念股大热是资本市场的提前布局，还是资本的炒作？我们都有必要搞清楚毫米波雷达究竟解决了什么行业问题？以及除了众所周知的芯片“卡脖子”问题外，我国毫米波雷达的发展，是否还有其它的“卡脖子”问题？
而这就得从汽车工业想要达到的终极状态--自动驾驶，以终为始，开始说起。
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自动驾驶--是“忽悠”？还是“最终钥匙”？
“据盖世汽车统计，截至6月30日，今年智能电动汽车领域至少已经披露了98起融资事件，其中69起与智能驾驶相关。而在去年同期，整个智能电动汽车赛道披露的融资不过70余起，其中智能驾驶相关融资事件不到60起。”在这个资本寒冬的2023，还有大量资本涌入自动驾驶赛道，恐怕跟2022年工信部的一则征求意见稿有关。
2022年11月2日，工信部会同公安部，针对L3、L4级自动驾驶汽车，起草了《关于开展智能网联汽车准入和上路通行试点工作的通知(征求意见稿)》(图1)
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在征求意见稿中提到，对于符合条件的L3、L4级自动驾驶功能的智能网联汽车，可以在试点城市的限定公共道路区域内开展上路通行试点。这则征求意见稿把自动驾驶又推向了一个热度，而对于自动驾驶的真正未来，众说纷纭。
业界大佬比亚迪的王传福说，自动驾驶是忽悠，被资本裹挟的噱头。而另一方面，据联合国安全和安保部的数据显示每年全球有130万人死于交通事故和5000万人在事故中受伤(数据来源：联合国官网https://www.un.org/en/safety-and-security/road-safety)。”另一个业界大佬特斯拉的马斯克则发声说：“年底实现全面自动驾驶”，自动驾驶是解决交通事故的最终钥匙。
自动驾驶到底是资本的噱头，还是那把最终的钥匙？无人敢妄下定论。然而，在某些驾驶场景下，用自动驾驶的技术逻辑去进行高阶辅助驾驶，是当下消费者的真实需求，解决当下需求，也才是在自动驾驶领域耕耘的公司活下去的唯一可能。
试想一下如下驾驶场景：
场景一：大雾天气下，能见度很低，看不清道路，也看不到前车；(图2)
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场景二：夜间行车时，对面车开了远光灯，而这时有人横穿马路；(图3)
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场景三：出隧道时的强逆光或进隧道时的瞬间昏暗，驾驶员无法看清路况；(图4)
图4(※以上照片来自网络，若有侵权，请联系删除)
在以上驾驶场景下，如果有高阶辅助系统(ADAS)给驾驶员提供驾驶决策的辅助，给驾驶员提供第二双眼睛和耳朵，相信行车就会安全和轻松很多。并且政府或相关组织也在2022年开始在政策上“加磅”自动驾驶和高阶辅助驾驶。
欧盟要求从2022年开始新车必须装配AEB自动紧急刹车系统(Automatic emergency brakingsystems)。也有Euro NCAP(New Car Assessment Program)这样的行业组织要求汽车主机厂装配数个雷达传感器和摄像头，从而能检测诸如动物、自行车和行人等小目标。
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毫米波雷达--是鸡肋？还是必需？
目前用于ADAS高阶辅助驾驶上的主流传感技术，有摄像头、激光雷达和毫米波雷达三种，它们各有优缺点。
尽管毫米波雷达在测距和测速的直接性上优于另两种传感方式，然而由于普通3D毫米波雷达分辨率低且无法测高等原因，曾经一度被特斯拉舍弃。今年特斯拉被爆出，重新装回毫米波雷达，其背后的逻辑应该有二：
也正是由于毫米波雷达天生的受环境和天气影响小的特点，再加上其性能进一步的提高，毫米波雷达现在被行业定义为“must have”“必需”要装配的传感技术。Yole2022汽车行业研究报告(图5)中指出了不同自动驾驶级别(L0到L5)需要的毫米波雷达数量：
L0和L1需要3个毫米波雷达
L2需要3到5个毫米波雷达
L3需要大于5个毫米波雷达
L4和L5需要7-11个毫米波雷达
图5(※图片来自Yole官网，若有侵权，请联系删除)
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4D毫米波雷达--能量产了？还是存在限制？
2021年大陆汽车Continental推出了一款4D毫米波雷达ARS540(图6)，探测距离达到300m，可测高，可成像，震惊业内。
图6大陆汽车 ARS540雷达(※图片来自Continental官网，若有侵权，请联系删除)
“ARS540水平方位角Azimuth或者说水平分辨率达1.2°，绝大多数毫米波雷达水平分辨率只有5°，ARS540是普通毫米波雷达水平分辨率的近5倍。其次，ARS540是具备能够真正测量目标高度的毫米波雷达，也就是其垂直方位角或分辨率Elevation达到了2.3°。”据行业人士所述。
中国的毫米波雷达研发从3D时代就已经远远落后了，国外的ABCD(Autolive/Bosch/Continental/Delphi)，后Autolive雷达和Delphi分别更名为Veoneer和Aptiv，再加上Hella和ZF，几乎占领了全部车载毫米波雷达市场份额。相较于国外雷达公司近30年的技术积累，我国最早也就是华域汽车于2014年开始研发车载毫米波雷达产品。
我国毫米波雷达国产化相对滞后，芯片是主要的制约因素之一。24GHz频率相对简单，供应链也相对成熟稳定，国内厂商能从飞思卡尔等芯片公司获得24GHz的芯片。然而，随着76-81GHz在全球范围内被定义为汽车雷达的唯一频率范围。鉴于针对这个频段，供应链与知识产权的限制，飞思卡尔、恩智浦、德州仪器、意法半导体等芯片商，对中国并没有完全放开77GHz雷达芯片的供应。国内芯片公司，如加特兰和地平线，也在努力突破供应链与知识产权的限制，加速研发77GHz雷达芯片，相信不久就有好消息传出。
而限制我国毫米波雷达发展的，还不仅仅是芯片。行业人士对ARS540雷达进行了拆机分析，其中的核心部件有：赛灵思Xilinx的射频芯片和灏讯Huber Suhner的腔体波导天线waveguide volume antenna(图7)，也有人称之为hollow waveguide antenna。
图7 ARS540爆炸图(※图片来自网络，若有侵权，请联系删除)
也自此国人才开始关注到波导天线在车载77GHz毫米波雷达上的应用，而瑞士的huber Suhner和瑞典的Gapwaves早已在该应用上耕耘数年。
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毫米波雷达天线--从微带到波导
天线作为毫米波雷达最重要的收发部件之一，在24GHz低频时，微带天线损耗小，辐射效率可以满足要求。进入77GHz频段，介质损耗增大，天线效率降低。若采用低损耗的高频介质板，又会造成成本增加。且77GHz频段，还需要尽可能覆盖住从76GHz到81GHz 5个G的带宽。以及采用了腔体波导天线的ARS540横空出世，人们惊奇的发现，波导天线由于其相较于微带天线的强大性能优势，开始在雷达4D时代崭露头角。
九章智驾的调研报告就指出（图8）：微带天线在大角度下增益衰减较大，多天线阵列间一致性较差。且随着4D雷达多芯片级联方案会要求大幅增加收发天线，若仍采用微带天线设计思路，馈线走线复杂度很大，且天线阵列只能在X-Y方向上布局，导致雷达面积过大，罗杰斯板材使用面积也会变大，成本显著增加。
图8(※图片来自九章智驾，若有侵权，请联系删除)
并且，波导天线可在X-Y-Z三个方向展开，设计更加紧凑，可以缩减天线和雷达面积，实现高效率的馈电网络。这能够助于高增益的天线单元的设计，提高雷达的探测距离。用波导天线替代微带天线，已经成为毫米波雷达天线阵元设计的未来趋势。
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波导天线--腔体波导？还是间隙波导？
据统计中国目前已经有35家毫米波雷达公司，其中只有少部分可以从TI和NXP等芯片供应商买到芯片，而即使拿到了芯片的中国毫米波雷达公司，还要面临着能否买到质优价廉的波导天线。
波导天线其实不是一个新鲜的概念，在军方已经大量使用，只是当车载雷达来到76-81GHz高频段时，频率越高，波长自然更短，设计难度和加工精度都面临挑战，当然还有天线材料。
最经济适用做天线的材料是铝和铜，而雷达想要更高的分辨率就需要更多的通道，这就要求在已经面积很小的天线板上，做出更多的通道结构，这对铜和铝的机加工提出了极高的挑战，从网上拆解的ARS540的波导天线(图9)来看，此种高密集的天线通道，用铜或铝做CNC，无论是效率和成本都几乎不可能实现。
图9 波导天线(ARS540)(※图片来自网络，若有侵权，请联系删除)
目前行业想到的办法是用塑料，先注塑成型出这些复杂结构，然后在塑料上做涂层，让其具有天线功能。ARS540波导天线是用的PPS塑料，然后涂覆了银。用PPS涂银来做波导天线，会面临有三个方面的问题，一是银金属本身就很贵(5.6元/克)；二是在PPS上涂银只能用PVD的方法，而PVD的效率很低且工艺耗电量很大；三是用银而非其它金属做涂层，是因为银比较好焊接，即使如此，这么多通道需要焊接成需要的波导腔体，其焊接的合格率也会面临极大挑战，焊接一旦不好就会漏波，天线性能变差。
总结下来，目前的腔体波导天线，存在材料成本高、工艺效率低和焊接合格率低这三个问题。而波导技术的另一个流派，就是间隙波导gap waveguide。相较于腔体波导(也可以称为普通波导)，间隙波导由于其有周期性的EBG电磁带隙做电磁屏蔽，即使安装后留有空隙，也不会导致漏波的情况(图10)。
图10 间隙波导和普通波导漏波对比(※图片来自行业会议资料，若有侵权，请联系删除)
由于间隙波导对焊接的要求不高，所以，间隙波导可以选用铜作为涂层金属，从这个角度来说，间隙波导在材料成本和焊接成本方面是优于腔体波导的。但，间隙波导仍然存在采用PVD工艺，低效率和高能耗问题依旧存在。电池复合集流体(铜箔)这个行业在使用PVD做铜涂层，由于PVD工艺高耗电量的问题，类似的工厂会选择建在西南部水电站旁边，从而获得充足的电力供应。
而行业还面临另外一个问题，无论是腔体波导，还是间隙波导，目前还仅仅是两家欧洲公司在做，而智能网联汽车的主战场在中国，当中国毫米波雷达公司想要找这两家欧洲天线公司合作时，往往也得不到满意的回馈。
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波导天线的中国主张
简而言之，我国毫米波雷达波导天线行业，存在如下三个问题：欧洲技术封锁“嫌疑”，高耗电和低效率，以及高成本。这也导致了波导天线像是困在了成本的迷局里，无法跑出量产性。
其实，无论是77GHz毫米波雷达，还是波导天线，欧洲还远领先于我们，而自动驾驶和高阶辅助驾驶的主战场或主要需求地，却是在我们中国，在强大的市场需求下，需要我们产业人共同努力，把波导天线拽出成本的迷局和技术封锁的囧地，助跑中国毫米波雷达事业起飞！
已经有中国产业人采取了行动，以硕贝德和泛源智汇为代表的中国天线公司，已经开始对该领域发起了技术攻关，想必不久的未来既有好消息传出。
