中国制造的毫米波芯片取得新突破！创下探测距离新纪录

2 月 17 日，中国电科 38 所在第 68 届国际固态电路会议（ISSCC）上发布了一款具有高性能的 77GHz 毫米波芯片和模组。该芯片能够实现长达 38.5 米的探测距离，这刷新了毫米波封装天线最长探测距离的纪录。

图 | 具有高性能的 77GHz 毫米波芯片和模组（来源：中国电科 38 所）

毫米波，即波长处于 1 至 10 毫米的电磁波。因其位于微波与远红外波相互交叠的波长范围内，所以有同时具有两种波谱的特点。随着 5G 技术的逐渐普及，毫米波这项技术也开始更多地被人们关注。毫米波的波段在 24GHz 至 100GHz 之间，因此在 5G 上的速度会远远高于 Sub-6G 频段。毫米波本身具有的优势，使它在通信和自动驾驶等领域能够发挥非常重要的作用。但毫米波的探测距离，也是一个需要解决的技术难题。

这次发布的封装天线模组包含两颗 38 所自研的 77GHz 毫米波雷达芯片。这种芯片采用低成本的 CMOS 工艺，单片集成 3 个发射通道、4 个接收通道及雷达波形产生等，充分适配智能驾驶领域对核心毫米波传感器的需求，在快速宽带雷达信号的生成方面具备独特的优势。77GHz 毫米波芯片同时支持多片级联并构建更大规模的雷达阵列，其主要性能指标达到了国际先进水平。

这款 77GHz 的毫米波芯片，能够在 24mm×24mm 的空间内实现多路毫米波雷达收发前端的功能。研究人员提出一种动态可调快速宽带 chirp 信号的产生方法，还在封装内采用多馈入天线技术。这不仅能够大幅地提升封装天线的有效辐射距离，也为近距离智能感知提供了一种小体积且低成本的解决方案。

我们都知道，天线作为无线系统中的重要部件，有集成和分离两种形式。分离天线早已经被我们熟知，集成天线主要包括片上天线（AoC）和封装天线（AiP）两种类型。片上天线技术主要是利用半导体材料与工艺，将天线与其他的电路在同一个芯片上集成。因为有对性能和成本方面的考虑，片上天线技术在太赫兹频段上更为适用。封装天线技术主要是利用封装材料与工艺，将天线在携带芯片的封装内集成。

由于封装天线（AiP）技术在兼顾天线性能、成本及体积方面有着很好的表现，所以近些年来它不仅代表着毫米波天线技术领域的重大成就，还深受广大芯片和封装制造商的青睐。在今天，诸如 60GHz 无线通信，122GHz、145GHz 和 160GHz 传感器，94GHz 相控阵天线和手势雷达芯片等都利用了封装天线（AiP）技术。可以想见，在 5G 毫米波移动通信系统的天线解决方面，封装天线技术也将会发挥很好的作用。作为封装天线技术下的一种主流实现方式的封装是基于扇出型晶圆级的封装。目前，国际上的那些大公司都是在该技术的指导下，开发并集成封装天线的芯片产品。中国电科 38 所利用扇出型晶圆级封装技术，还同时采用多馈入天线技术，这能够进一步改善封装天线效率低的问题。

集聚在这款毫米波雷达芯片上的成果，有望推动智能感知技术领域的又一次突破。中国电科 38 所表示：“下一步，研究人员将对毫米波雷达芯片进一步优化，并根据应用需求的扩展和技术的进步进行改变，还会根据具体的应用场景提供一站式的解决方案。”

国际固态电路会议（ISSCC）通常被认为是各个时期国际上最尖端的固态电路技术的最先发表之地，被誉为集成电路领域的 “奥林匹克盛会”。它由发明晶体管的贝尔实验室和其他组织在 1953 年成立。在它 60 多年的历史当中，集成电路具有里程碑意义的发明都在这里首次亮相。例如：全球首个 GHz 微处理器、全球首个 CMOS 毫米波电路、全球首个 TTL 电路等等。能够入选该会议的科研成果，都代表着当前国际集成电路领域的最高科技水平。

中国电子科技集团第三十八研究所（简称：中国电科 38 所）是中电科技集团所属的一类研究所，是中国国防高科技电子装备骨干研究所，也被称为华东电子工程研究所，同时被誉为中国军工电子 “国家队”。它主要从事军事电子、信息产业等综合性质的电子信息技术研制、生产、集成等的研究。该所于 1965 年在贵州省都匀市建立，1988 年底研究所整体迁往安徽省合肥市。研究所成立四十多年来，一共取得了超过 1500 项科研成果。其中，多项成果都居于国际领先地位，为填补国内空白做出了重要的贡献。

迈矽科推出高性能77GHz毫米波雷达芯片，未量产就已获数万颗订单

8月5日，由国产半导体IP供应商芯原股份主办的“第十二届松山湖中国IC创新高峰论坛”在东莞松山湖召开。南京迈矽科微电子科技有限公司 总经理侯德彬在会上发布了旗下的第二代高性能77GHz毫米波雷达芯片MSTR003。

△南京迈矽科微电子科技有限公司总经理侯德彬

近年来，随着自动驾驶技术的兴起，毫米波雷达已经成为自动驾驶领域的关键性技术。虽然近两年激光雷达技术凭借其高精度的优势，获得了众多车厂的采用，但是其也面临着成本居高不下，以及易受雾霾、雨雪、大雾天气干扰等问题。

相比之下，毫米波雷达虽然探测视野相对较小，但其具有不易受天气及环境干扰、远距离探测能力更强（可覆盖500-1000米及以上）的特性，且总体成本更低。至于毫米波雷达的空间分辨率相对激光雷达较弱的问题，也可以通过阵列成像来解决。另外，还可以通过毫米波雷达与摄像头技术进行融合来提升全天候精准感知能力。这也使得毫米波雷达技术也得到了不少车厂的认可。

目前雷达系统一般采用比较多的是24GHz、60GHz、77GHz毫米波频段，主要针对工业、工业自动化和汽车领域。一般来说，雷达系统的频率越高，无线电的波长就越短，分辨率/精准度就越高（但是信号易衰减、传播距离短），并且所需的天线体积也越小。所以，总体上来看，77GHz毫米波雷达性能更好，精度更高，体积也可以做到更小，更符合汽车自动驾驶的需求。因此，近年来，77GHz毫米波雷达成为了众多厂商争夺的焦点。

根据研究机构的预测数据显示，2017-2022 年车载毫米波雷达市场CAGR 35%，2022 年全球车用毫米波雷达市场规模总计约160亿美元，其中短中距毫米波 84 亿 美元，年复合增长率达48%；长距毫米波雷达（4D） 市场75.6 亿美元，CAGR 36% 。从国内市场来说，预计 2023 年中国毫米波雷达市场规模将达到 171 亿元，2018-2023 年年复合增长率达48.7%。

2019年4月，恩智浦首席技术官Lars Reger在接受芯智讯采访时就曾表示，未来L3-L5级的自动驾驶汽车将会推动高精度的77GHz毫米波雷达需求的增长，而且每辆L3-L5级自动驾驶汽车都可能会集成4-6个毫米波雷达，这部分的半导体芯片价值将超过360美元。

当时，全球范围内能够具备77GHz毫米波雷达芯片供应能力的主要是恩智浦（飞思卡尔）、英飞凌、意法半导体等少数国外芯片厂商。这主要是由于77GHz毫米波雷达芯片对于制造工艺要求较高，供应链也并未完全成熟，成本也较高。

据南京迈矽科微电子科技有限公司总经理侯德彬介绍，雷达主芯片主要由MCU/DSP处理芯片和MMIC射频芯片组合而成，先进制程的CMOS工艺适合MCU/DSP，但对于射频性能提升有限；成熟制程的CMOS工艺，如65nm、40nm等适合射频MMIC，但会影响MCU/DSP性能；Ⅲ-V族适合设计PA，但集成度有限。

目前，77GHz毫米波雷达芯片主要有RF CMOS和SiGe BiCMOS两种制造工艺。比如恩智浦、英飞凌和意法半导体等大厂主要采用的是SiGe BiCMOS工艺，其优势在于整体的性能表现更好，比如噪声较低、高输出功率、温度覆盖范围更大等，但是成本更高（高出约20%）。而国内目前虽然已有多家77GHz毫米波雷达芯片厂商，但是主要都是设计厂商，且大多采用的是通常用于手机基带射频、WiFi、蓝牙射频芯片的RF CMOS工艺，其优势在于集成度高、成本低，但是劣势也很明显，比如输出功率低、低频噪声较大、温度覆盖范围小等。在制造这块主要也是交由格芯、TowerJazz等海外厂商代工。

另外，根据作用距离和功能要求的不同，对于雷达芯片的性能要求不同，芯片的架构也不一样。比如高性能的远距离4D（速度、距离、方位和高度）成像雷达，需要整合4颗MMIC和1颗MCU，可能是16发16收，这也使得其中的MCU芯片，需要10nm或7nm制程才能满足要求，因为需要有很强的处理能力。这些都给雷达芯片的设计带来很多新的挑战。

南京迈矽科微电子成立于2016年8月，是一家专注于微波/毫米波芯片研发和销售的企业。公司的核心研发团队源于东南大学毫米波国家重点实验室，在微波/毫米波芯片领域拥有丰富的研发经验。目前在77GHz毫米波雷达芯片、5G毫米波移动通信芯片、45GHz毫米波WiFi芯片、毫米波卫星通信芯片等领域均具有纯自主知识产权以及国际先进水平的芯片产品。并已和几十家企业建立了良好的合作关系。

“可能很多人会很奇怪，一家初创型公司会涉及到这么多个领域，其实这些都与毫米波芯片相关，只是应用不一样而已。对我们来说，这些都是毫米波级射频芯片，只不过射频芯片可移植性很弱，需要有更多的积累。因此，我们希望在毫米波领域上有更多的作为，所以我们这个领域上也花了很多时间来做。”侯德彬进一步解释到。

具体产品方面，在2019年之时，迈矽科微电子就发布两款77GHz毫米波雷达芯片MSTR001和MSTR002，这两款芯片均为三发四收车载防撞雷达单片收发芯片，采用SiGe工艺与eWLB封装。

在此次的“第十二届松山湖中国IC创新高峰论坛”上，迈矽科微电子推出了其第二代77GHz毫米波雷达芯片MSTR003，主要面向车用4D成像雷达和路端的智能交通雷达场景，推动国产化替代77GHz毫米波雷达芯片方案的快速落地。所谓交通雷达，需要具备全天候感知能力（视频与雷达结合）、远距离（1000米以上）探测能力以及更高的空间分辨率，需要多片芯片级联技术支持。

据介绍，MSTR003虽然还是三发四收，但是在输出功率（大于15dBm）和噪声性能（9dB）上将会优于上一代产品，同时还集成了锁相环、ADC，具有芯片级联功能，支持雷达系统的低成本多片级联方案。配合迈矽科微电子自己研发的功率放大器和低噪声放大器套片，3片级联方案的交通雷达可以达到业界最高的1公里以上的探测距离；2到4片级联的车用4D成像雷达也可以获得300米以上的探测距离。

侯德彬表示，交通/4D雷达应用需求，反馈到相关的输出能力，包括高输出功率、多通道道、高移相精密、宽温度范围，我们的MSTR003可以很好的满足这些要求。

此外，侯德彬还透露，今年迈矽科微电子的客户（隼眼科技）跟四川数字交通科技股份有限公司合作发布了首款基于国产MMIC雷达芯片（这款国产MMIC雷达芯片正是迈矽科微电子的MSTR003）的高性能交通毫米波雷达。这款交通雷达是国内唯一实现定向800-1200米@0.1度角精度的智慧交通雷达，并且支持全天候0.1mm量级高精度边坡、桥梁、隧道变形监测，成本也相对进口产品更低。

“虽然这款芯片还没有量产，但是迈矽科微电子已经获得数万颗的订单，我们希望在今年年底前可以继续供货。”侯德彬说到。

在谈到雷达芯片的国产替代方面，侯德彬表示，“国产替代是一条很漫长的路，特别是这些雷达演进到芯片级的时候，想要把现有的市场吃掉很困难，只有在技术更新、变革的时候，我们才有更多尽快追上欧美企业的机会。”

编辑：芯智讯-浪客剑

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