小而美的毫米波雷达产业如何升级？

作为实现自动驾驶的三大重要传感器之一，毫米波雷达随自动驾驶的兴起而进入人们的视野。虽然其产业规模并不大（预测全球市场规模2020年约50-60亿美元），却拥有可应用于自动驾驶、无人机、工业楼宇自动化与监控、智能交通等众多高速增长领域的产品。本文从技术特点、产品应用、产业链和国内企业发展出发，分析我国毫米波雷达产业发展的现状及问题，并对如何实现产业升级提出建议。 图片来源：华域汽车 毫米波雷达系统及特点 毫米波雷达是一种使用毫米量级波长电磁波的非接触式探测技术，可用于检测物体的距离、速度、角度信息，工作频谱范围一般为30-300GHz。 毫米波雷达系统构成。如图1所示，毫米波雷达系统包括发送（TX）和接收（RX）射频组件、天线阵列、时钟等模拟模块（雷达收发器），模数转换器（ADC）、微控制器单元（MCU）和数字信号处理器（DSP）等数字模块，以及集成了天线的高频PCB板。 图1. 博世第三代毫米波雷达构成 图片来源：博世，华夏幸福产业研究院 工作原理。以车载毫米波雷达为例，雷达收发器通过天线发射毫米波，同时接收反射信号，经MCU处理后可以获取0-250米范围内移动物体的特征信息，如平面内相对汽车的距离、速度、角度、运动方向等。同时，毫米波雷达可以通过上述特征信息进行目标追踪、识别分类等，汽车中央处理单元（ECU）还可以结合车身动态信息进行数据融合，综合超声雷达、激光雷达、视觉图像等多方面信息做出决策，如告知或警告驾驶员及时对汽车做出主动干预，避免事故发生。 图2. 毫米波雷达系统示意图 图片来源：NXP，华夏幸福产业研究院 毫米波雷达的主要优势。探测性能稳定、作用距离较长、环境适用性好；与超声波雷达相比，体积小、质量轻和空间分辨率高，探测距离更远，因而应用范围更广；与激光雷达相比，毫米波雷达穿透雾、烟、灰尘的能力强，具有全天候全天时的特点，且价格远低于激光雷达。 图3. 毫米波雷达与其他主要传感器对比 数据来源：华夏幸福产业研究院 毫米波雷达未来有望替代激光雷达。激光雷达目前是构建L3-L5级自动驾驶必备的技术，主要在于其三维重构能力。但是，毫米波雷达模块厂商也在向三维重构方向发展。技术上，通过增加天线阵列实现z轴数据的获取，使用更高频率的毫米波雷达增加空间和角度分辨率，从而更好的识别物体形貌。考虑毫米波雷达的巨大价格优势，未来有望部分取代激光雷达。 毫米波雷达的主要应用领域 毫米波雷达广泛应用于汽车、无人机、智能交通、军事等领域。 主动安全系统ADAS是毫米波雷达最大的应用领域。毫米波雷达传输距离远，在传输过程中大气衰减和损耗低穿透性强，很好的弥补了摄像头探测距离短的缺点。长距离毫米波雷达（LRR）可用于自适应巡航控制（ACC）、前向防撞预警（FCW）和自动紧急制动（AEB）。短距离毫米波雷达（SRR）可用于盲点监测（BSD）、变道辅助（LCA）和泊车辅助等功能。 图4. 毫米波雷达在汽车中的应用 图片来源：MastTechnologies，蓝色为长距离毫米波雷达（LRR），绿色为短距离毫米波雷达（SRR） 汽车ADAS普及是毫米波雷达应用的主要推动力。随着人工智能相关技术的不断成熟，ADAS及自动驾驶的渗透率正迅速攀升。IHS预计2020年时全球ADAS渗透率将从2015年的10%增至30%。 欧洲地区由于车规要求，渗透率已高达86%。美国NHTSA2016年公布20家主要汽车制造商的承诺，将在2022年9月1日前将所有新车装配AEB。2018年，我国将FCW、AEB等主动安全系统列入新版中国新车评价规程（C-NCAP）。 图5. 主要传感器在各级自动驾驶中的应用及成本 数据来源：Yole Développement，华夏幸福产业研究院 IHS预计自动驾驶相关半导体市场2017-2024年CAGR高达18.1%，2024年市场规模123亿美元。据Strategy Analytics 测算，毫米波雷达成本L2、L3和L4/5级自动驾驶系统中的成本约为90美元、190美元和230美元。 图6. 主要传感器在各级自动驾驶中的成本测算 数据来源：Strategy Analytics，华夏幸福产业研究院 毫米波雷达用于植保无人机仿地飞行。毫米波雷达在军事有人机、无人机早已大规模应用。无人机领域主要用于植保无人机定高。无人机植保时，需要仿地飞行，即参考地貌起伏，保持一定的距地高度飞行。由于植保环境大多较差，多灰尘、水雾，超声、激光和光学传感技术受到较大干扰，而毫米波雷达可以穿透灰尘、水雾，准确反映植被叶片高度。 毫米波雷达用于工业楼宇自动化和智能监控。工业毫米波解决方案可实现室内（14m范围内）和室外（>50m范围）人员的检测和跟踪。同时可用于高精度占位检测，检测出的人员位置和速度信息后，可在目标进入监控区域或向特定方向移动时触发系统报警。毫米波雷达利用其板载处理能力，可以忽略不重要的静态物体（如桌椅）和动态物体（如树木和风扇）的特征来减少错误检测。由于没有摄像头，毫米波非常适合于对隐私敏感的应用场合。 毫米波雷达用于智能交通管理系统。毫米波雷达受天气、环境影响较小，可以精确稳定的测量车辆、行人的速度、位置等信息，被广泛应用于智能交通管理中。如测速、电子卡口、电子警察、流量监测、智能路口、路内停车管理等。 毫米波雷达用于智能家居和健康医疗。高频毫米波雷达可以实现高精度探测，可检测细微的物体移动，目前已用于手势识别产品。医疗级精度的毫米波雷达可以进行非接触式检测，如深度睡眠、浅度睡眠等。 毫米波雷达向更高频方向发展 目前，毫米波雷达主要工作的频段有：24GHz、60GHz、77GHz和120GHz等。 24GHz应用最广，但超宽带ISM UBW（带宽5GHz）将被禁用。24GHz频段包括窄带ISM NB（带宽250MHz）和超宽带ISM UBW（带宽5GHz）。出于规范频谱标准的目的，欧洲电信标准化协会（ETSI）和美国联邦通信委员会（FCC）在2018年开始禁止新产品使用24GHz UBW频段，正在使用的产品将于2021年被禁用。 高频毫米波雷达相对低频性能优势明显。 高频毫米波雷达测量精度更高。测量精度一般与频段带宽有关。未被禁用的24GHz ISM NB频带只有250MHz带宽，而60GHz（60-64GHz）和77GHz（76-81GHz）分别有4GHz和5GHz带宽，因而可以实现更高的测量精度，物体分辨和距离测量更准。 高频毫米波雷达体积更小。雷达模块中，集成在高频PCB板上的天线占据了较大的空间。因而缩小天线尺寸可以实现模块的小型化。毫米波频率越高，天线尺寸越小，例如60GHz的PCB板相对24GHz可以缩小6倍之多。毫米波雷达的小型化有利于其在汽车、工业、智能硬件等领域的应用，易满足外观设计优化和轻量化设计需求。 产业发展需要突破MMIC芯片制造和封测技术 毫米波雷达模块的核心是MMIC芯片，约占毫米波雷达模块成本的30%，高频PCB板约占10%。MCU、DSP、存储和接口等部分约占总成本的50%。 图7. 加特兰77GHz CMOS毫米波雷达芯片（MMIC） 图片来源：加特兰公司官网 我国毫米波雷达MMIC芯片产业发展受制于制造和封测技术。 头部企业以IDM模式为主，竞争优势明显。从国外产业链看，MMIC芯片主要由英飞凌、恩智浦、意法和德州仪器等企业主导，这些企业都采用IDM模式。IDM模式下，企业可做到芯片设计、制造工艺和封测工艺的同步优化，实现性能、成本的最佳控制。目前，头部企业的毛利率通常大于50%。 图8. 毫米波雷达主要产业链 我国企业以设计和模块为主，制造、封测环节空白。老牌模拟芯片企业英飞凌、恩智浦和意法等主要采用SiGe BiCMOS工艺。2017年新进场的德州仪器则主推RF CMOS。目前国内的设计企业主要由美国的格芯和以色列的TowerJazz代工，而格芯以RF CMOS技术为主。 RF CMOS工艺通常用于手机、wifi、蓝牙等射频模块制造，用在毫米波雷达上需要克服较大的低频噪声问题。2017年后RF CMOS工艺开始在毫米波雷达上推广。采用RF CMOS工艺，MMIC可以与MCU、DSP、数模转化等电路高度集成，可以进一步小型化雷达模块。目前国内的MMIC设计企业主要布局RF CMOS技术。 MMIC芯片和模块设计领域创企活跃 上市公司的产品空白为创企发展提供了机遇。在毫米波雷达领域，我国的上市公司主要集中在雷达模块领域，如华域汽车、德赛西威、保隆科技等。上市公司们主攻24GHz产品，77GHz产品都处于研发阶段。华域汽车2017年发布了国内首款24GHz毫米波雷达，日前已完成77GHz毫米波雷达产品研发，并开始小批量生产供货。 2015年后，大量毫米波雷达创企出现，主要集中在MMIC芯片设计和雷达模块环节，分别属于产业链的两端。中间的MMIC制造和封测环节大多由美国的格芯代工。 图9. 我国MMIC设计企业和雷达模块企业数量变化 数据来源：鲸准，华夏幸福产业研究院 从企业数量看，模块企业有23家，明显多于仅7家的MMIC设计领域。北京、上海和广东企业数量最多。北京的企业在两个领域较平均，相对上海、广东有更多的MMIC设计企业，这与北京相对丰富的高校和科研机构资源相关。而上海、广东则是以模块企业为主。 图10. 创企所在领域在各个省市中的分布 数据来源：鲸准，华夏幸福产业研究院 从融资情况看，MMIC芯片企业更容易获得融资。7家企业6家都获得了融资。23家模块企业仅13家获得融资。北京的6家企业有5家获得了融资。广东的4家模块企业中有3家获得投资，而上海的5家模块企业仅1家获得投资。这种现象应该与广东靠近制造业企业有关。 总结 目前，汽车是毫米波雷达最大的市场，虽然今年汽车销量总体有所下滑，但是政策驱动下的ADAS普及趋势不会改变。 我国企业进入毫米波雷达领域较晚，目前主要集中在MMIC设计和模块设计领域，产品需要通过差异化设计来面对行业巨头高性价比的垄断优势。这也需要下游车企给国内创企多一些机会和耐心，共同壮大国内产业实力。 参看国外产业链模式，我国企业需要在SiGe BiCMOS和RF CMOS制造和封测技术上填补空白，整合MMIC设计企业，向IDM模式转型，提高产业链整体效率和产品性价比。