本文来自微信公众号“半导体产业纵横”，【作者】方圆。
近日，南开大学携手香港城市大学，成功研制出薄膜铌酸锂光子毫米波雷达芯片，在毫米波雷达领域取得重大突破。这一创新成果，为未来6G通信、智能驾驶、精准感知等前沿领域的应用奠定了坚实基础。
01 芯片集成，点亮毫米波雷达
研究团队通过优化制备技术，成功在单一芯片上集成了倍频模块和回波去斜模块，完成了高效的毫米波雷达信号产生、处理和接收。为了验证雷达的性能，团队进行了一系列实验，包括测距、测速和逆合成孔径成像测试。结果显示，该雷达能够精准探测距离和速度，并对不同目标进行高清晰度的成像。
研究团队成员、南开大学教授朱厦表示，该成果不仅提升了现有微波光子雷达的性能，还为未来高性能、小型化光子雷达系统的发展树立了新标杆。在即将到来的6G时代，这项技术有望在多个领域引发重大变革，标志着微波光子雷达技术发展的重要里程碑。
这一重大突破，无疑将雷达芯片领域再次拉至聚光灯下。
雷达芯片处于雷达系统的核心地位，运作时巧妙融合射频与数字信号处理技术。雷达探测器发射高频电磁波信号后，芯片的射频前端负责接收反射回波，它凭借出色频率选择性与信号放大能力，捕捉微弱信号。
随后，信号进入数字信号处理模块，运用快速傅里叶变换（FFT）等算法解调、滤波、放大。依据电磁波传播特性及Doppler效应，通过精确测量发射与回波信号的时间延迟算出目标距离，凭借对回波频率变化的捕捉分析推算目标速度，再结合天线阵列与方位角算法确定目标方位，从而将电磁波信号转化为可用的目标信息。
02 进化与突破
早在20世纪中叶，雷达技术刚刚起步，那时的雷达芯片构造十分简单，主要由一些分立的电子元件组成，就像用零散的积木搭建起的简易模型。这些早期芯片功能有限，仅能实现基本的目标探测，而且体积庞大、能耗高，信号处理能力也极为薄弱。例如，早期的雷达芯片只能在较短的距离内探测较大的目标，对于复杂环境下的小目标几乎无能为力，在实际应用中受到诸多限制。
随着半导体技术的不断进步，20世纪90年代，砷化镓（GaAs）工艺被应用于雷达芯片制造。这一变革为雷达芯片注入了新的活力，相比之前的分立元件，砷化镓工艺制造的芯片集成度有所提高，能够在一定程度上缩小芯片体积、降低能耗，并且在信号处理速度上也有了明显提升。不过，砷化镓工艺的材料成本和制造成本都较高，对生产线要求严苛，这在一定程度上限制了其大规模应用。像用在奔驰汽车上的ARS100（第一款商用雷达），便是采用了砷化镓工艺的雷达芯片，虽然它开启了雷达在汽车领域应用的先河，但高昂的成本也使得其难以普及。
到了2007-2017年，锗硅（SiGe）工艺逐渐崭露头角，并开始取代砷化镓工艺。SiGe拥有硅工艺的集成度、良率和成本优势，使得前端射频芯片的集成度大幅提升。一个毫米波雷达只需要少量射频前端芯片，就可完成信号的处理，这极大地降低了毫米波雷达系统的成本。以大陆的ARS4-a为例，它采用了2片MR2001TX、4片MR2001RX和1片MR2001VC，通过SiGe工艺实现了更高效的信号处理和更低的成本，为雷达在更多领域的应用奠定了基础。
2017年至今，CMOS工艺成为了雷达芯片发展的新潮流。最初，CMOS工艺制程较低，无法工作在高频中，但随着技术的不断突破，到2010年，CMOS工艺进步到40nm，使得CMOS用于77GHz毫米波雷达成为可能。CMOS工艺处理速度更快，成本相对更低，集成度能够进一步提升，一个毫米波雷达甚至只需要1颗MMIC芯片，雷达整体系统成本进一步下降。例如博世的MRR5，采用1片英飞凌的SiGeBiCMOS MMIC：RXS8160PL，充分展现了CMOS工艺在降低成本和提高集成度方面的巨大优势。
简单来讲，雷达芯片的工作原理可以比作蝙蝠的回声定位系统。蝙蝠发出超声波，声波遇到障碍物后反射回来，蝙蝠通过接收回声来判断物体的距离和位置。同样，雷达芯片发射电磁波，电磁波遇到物体后反射回来，芯片通过接收反射波并计算时间差来确定物体的距离、速度和位置。整个过程就像蝙蝠利用回声在黑暗中导航一样，雷达芯片通过发射、接收和处理电磁波来探测和定位目标。
雷达芯片的工作原理决定了其在实际应用中的表现，而关键性能指标则是衡量雷达芯片性能优劣的重要标准。通过射频技术和数字信号处理技术，雷达芯片能够接收并处理高频电磁波信号，将其转换为可识别的目标信息，如距离、速度、方位等。然而，这些功能的实现效果如何，很大程度上取决于雷达芯片的关键性能指标。这些指标不仅直接影响雷达系统的探测精度和稳定性，还决定了其在不同应用场景中的适用性。
灵敏度影响芯片对微弱信号探测能力，远距离探测时，高灵敏度利于精准锁定目标，低灵敏度易错失目标；动态范围保障芯片处理不同强度信号，范围大的芯片可避免失真，确保复杂环境下正常工作；带宽与数据传输、分辨率相关，高带宽助于精细探测与成像，为高精度应用提供支持；速度范围界定芯片测量目标速度区间，汽车雷达关注低速，航空雷达追踪高速，适配不同场景。
03 应用领域
汽车领域是雷达芯片应用的重要场景之一。在自动驾驶技术中，雷达芯片扮演着关键传感器的角色。它能够实时探测车辆周围的环境，包括其他车辆、行人、障碍物等，并提供精确的距离、速度和方位信息。特斯拉的Autopilot系统采用多颗毫米波雷达芯片，实现了自动紧急制动、车道保持辅助、自适应巡航控制等功能，极大地提升了驾驶安全性和舒适性。具体应用中，前向雷达用于探测前方障碍物，实现自动紧急制动和自适应巡航控制；角雷达安装在车辆侧面，用于监测盲区车辆，实现变道辅助和盲点监测；后向雷达则安装在车辆尾部，用于监测后方来车，实现倒车预警和后方碰撞预警。
无人机领域也是雷达芯片的重要应用领域。雷达芯片为无人机提供了强大的环境感知能力，使其能够在复杂的环境中自主飞行和执行任务。在大疆的Matrice 300 RTK无人机中就搭载了高精度雷达芯片，可以实现精准定位、避障、地形跟随等功能，广泛应用于测绘、巡检、搜救等领域。具体应用中，避障雷达用于探测无人机飞行路径上的障碍物，实现自动避障功能；地形跟随雷达用于探测地面高度变化，实现无人机与地面保持恒定高度飞行；搜索雷达则用于探测目标物体，实现搜救和目标跟踪等功能。
安防领域中，雷达芯片可用于周界防护、入侵检测、人员定位等。例如，海康威视的雷达视频一体机采用了先进的雷达芯片技术，可以实现对入侵目标的精准探测和跟踪，并联动视频监控系统进行实时报警和记录。周界防护雷达用于探测围墙、栅栏等周界区域的入侵行为；室内定位雷达用于室内人员的定位和追踪，适用于监狱、医院等场所；生命探测雷达则用于探测废墟下的生命迹象，适用于地震救援等场景。
在工业领域，工业机器人、AGV小车、智能仓储等都离不开雷达芯片的支持。ABB的工业机器人配备了高精度雷达芯片，可以实现对工件的精准定位和抓取，提高生产效率和产品质量。具体应用中，工业机器人用于工件的定位、抓取、装配等操作；AGV小车用于物料运输、仓储管理等；智能仓储则用于货物的自动识别、定位、分拣等。
04 巨头林立，新兴力量崛起
雷达芯片行业的参与者主要包括传统半导体巨头、专业雷达芯片企业和新兴科技公司。在传统半导体巨头中，恩智浦（NXP）、英飞凌、德州仪器（TI）、意法半导体等国际芯片设计巨头在雷达芯片市场长期占据主导地位。
以恩智浦为例，其旗舰S32R45和新S32R41处理器可满足L2+级至L5级的自动驾驶需求，能构建4D成像雷达，实现360度环绕感知。其中，雷达微处理器单元（MPU）S32R41专用于77GHz高级雷达应用，采用Arm Cortex®-a53和Cortex-M7内核，结合专用雷达处理加速器，打造出卓越的雷达处理链。凭借深厚的技术积累和广泛的客户基础，恩智浦在汽车雷达芯片领域稳稳扎根，诸多知名汽车厂商的自动驾驶系统中都有其芯片的身影。
英飞凌拥有毫米波雷达全套解决方案，涵盖性能强大的前雷达、性价比高的角雷达，以及用于舱内监控的毫米波雷达芯片。其关键部件MMIC、MCU和PMIC广泛应用于各种细分雷达应用场景，在业界成熟量产的级联方案更是助力实现4D雷达，为汽车安全与智能驾驶提供坚实技术支撑，在全球汽车雷达市场份额可观。
德州仪器在雷达芯片领域同样成绩斐然。其于2024年1月推出的AWR2544 77GHz毫米波雷达传感器芯片采用卫星雷达架构设计，提升了高级驾驶辅助系统（ADAS）中的传感器融合和决策能力。德州仪器凭借持续的研发投入和先进的半导体技术，在雷达芯片市场始终保持着强劲的竞争力，产品广泛应用于汽车、工业等多个领域。
意法半导体基于丰富的经验和全面的汽车雷达收发器与电源管理IC产品组合，为客户提供基于24GHz和77GHz MMIC的雷达解决方案，产品满足严格的汽车安全完整性等级（ASIL）要求，在汽车雷达芯片市场占据重要一席。
在国际巨头的强势笼罩下，新兴雷达芯片企业也在努力突围，以创新技术和独特优势在市场中崭露头角。Uhnder便是其中之一，作为数字毫米波成像雷达技术的领导者，基于数字编码调制（DCM）技术，其完全由软件定义的雷达芯片和传感器模块能为ADAS、AV和物流自动化系统提供最高分辨率的数字感知。2024年2月完成5000万美元D轮融资，彰显了市场对其技术潜力的高度认可。2022年推出的首款车规级4D数字成像雷达芯片S80，已通过基于AECQ104的所有车规资格认证以及基于ISO26262的ASIL-B认证，并已部署在Fisker的Ocean车型上，成功切入汽车雷达市场，为行业带来新的发展思路和竞争活力。
相比国外，国内车载毫米波雷达芯片企业起步晚、技术积累少，尚未形成强大市场影响力。但随着产业加速发展与市场需求驱动，国内企业积极入局。
像加特兰微电子，2014年成立专注CMOS芯片，2024年一季度出货超800万颗，预计全年600万颗，产品已入20余家车企、超200款车型，适用于多类雷达。森思泰克77GHz产品率先“上路”，用于ADAS关键功能。德赛西威开发多频段产品助力自动驾驶。清能华波专注芯片设计，南京米勒、铖昌科技、电科芯片也凭各自优势，在研发、生产上发力。这些企业于细分领域崭露头角，正缩小差距，有望提升未来竞争力。
根据市场研究机构的数据，2022年全球雷达芯片市场规模约为50亿美元，预计到2027年将增长至120亿美元。目前，英飞凌和恩智浦占据市场主导地位，合计市场份额超过50%。TI和ADI分别占据约15%和10%的市场份额。新兴企业如Arbe和Uhnder虽然市场份额较小，但增长迅速，预计未来几年将占据更大市场份额。
