汽车雷达是高级驾驶辅助系统 (ADAS) 的关键组件，在改善道路安全方面发挥着逐渐重要的作用，尤其是在其他传感技术（如摄像头和激光雷达）面临重大限制的情况下。最有希望的进步之一是 140 GHz 雷达的开发，它将补充目前使用的 60 GHz（车内）和 77 GHz（环境感知）雷达系统。140 GHz 雷达具有高分辨率和紧凑设计，有望提供强大的传感功能（无论是在车辆内部还是外部），而成本仅为激光雷达的一小部分。

  imec 的技术专家估计，到 2030 年代初，这种新型雷达可能会集成到汽车传感器套件中，从而解锁自动代客泊车和高级驾驶员监控等令人兴奋的用例。但在该技术充分的发挥商业潜力之前，一定要解决多项技术和监管挑战。

  本文概述了将 140 GHz 雷达推向市场的必要步骤，并研究了它的发展如何成为重新思考汽车（传感）系统整体设计的催化剂。

  卡尔·奔驰首次驾驶“奔驰专利汽车”上路已近 150 年，汽车仍然是技术奇迹。它们配备了多达一百个传感器阵列，高端车型的传感器数量甚至达到这一个数字的两倍。一方面，这套汽车传感器套件通过持续监测发动机控制单元 (ECM) 中的关键参数（如空气流量、燃油喷射和点火正时），在优化发动机性能方面发挥着关键作用。此外，它还包括摄像头、激光雷达、雷达和超声波技术，以提高道路安全性和驾驶舒适度。

  图像传感器（即摄像头）对汽车制造商来说很重要。它们是人眼的强大延伸，可以识别交通标志，并启用后视和环视功能来协助停车和操纵。

  激光雷达（光检测和测距） 传感器可生成车辆四周环境的高分辨率地图，以此来实现准确的感知和响应。它们对于行人检测、监控复杂的超车动作以及检测车辆前方障碍物等应用至关重要。

  然而，虽然这些技术都能增强汽车的感知能力，但它们也有局限性。摄像头在弱光或过亮的环境下表现不佳，需要大量且昂贵的处理才能将视频（像素）转换为可用数据。激光雷达的激光束在恶劣的天气条件下很容易散射或被吸收，例如暴雨、大雾或大雪。此外，激光雷达系统的建造、采购和维护成本高昂。最后，超声波传感器在长距离上的价值有限。

  这正是雷达技术发挥作用的地方，它即使在恶劣的天气条件下也能提供强大、可靠和长距离的传感，而且成本仅为激光雷达的一小部分。

  现代汽车已经配备了多个雷达传感器，通常与摄像头技术配合使用，以支持高级驾驶辅助 功能，例如自适应巡航控制、碰撞警告和车道保持辅助。但雷达也将成为车内传感应用越来越有趣的技术选择。想象一下驾驶员监控和检测停放车辆中儿童或宠物的存在，即使他们隐藏在车内（例如在后座的毯子下）。

  当前的汽车雷达系统在两个频段运行：60 GHz用于（第一代）车内应用，77 GHz用于车外使用。这种分离有助于最大限度地减少干扰，因为使用相同频率的雷达系统可能会干扰彼此的信号。

  与此同时，汽车行业也开始探索140 GHz频段。推动这一举措的一个因素是 60 GHz 频段也用于无线局域网 (WLAN) 和点对点通信，从而阻碍了汽车雷达的性能。

  更高的分辨率：能够检测更小的物体，并改善不同距离和角度的物体的检测（例如区分车辆中的多名乘客）。

  更小的天线：这对于汽车设计特别有益，因为紧凑性和保持光滑的外观至关重要。

  这些功能对于实现一系列新的用例都至关重要，包括自动代客泊车和高级驾驶员监控——在竞争非常激烈、压力巨大的市场中，消费者愿意为这些功能支付高价。

  超宽带 (UWB)是一种短距离 8 GHz 无线技术，已用于安全无钥匙进入等高级汽车功能。但它的潜力远不止于此。UWB 的精细范围功能也使其很适合车舱内传感应用。

  Ilja Ocket解释道：“140 GHz 雷达和 UWB 之间的主要不同之处在于它们的信号特性。UWB 信号的波长较长，因此更难在整个汽车内部实现一致的覆盖，常常要安装多个锚点。相比之下，140 GHz 雷达的频率较高，分辨率和精度更高，很适合复杂的使用情况——仅使用一个传感器。”

  “不完全是，”Ocket 说。“在 imec，我们始终相信这两种技术将共存，满足多种的需求，但相互补充，以提高车辆的安全性和舒适性。UWB 的优点是 OEM 已经熟悉该技术。此外，它可以建立在现有的（无钥匙进入）基础设施上，从而提供重要的成本优势。相比之下，140 GHz 雷达具有更高的分辨率，有几率会成为监控任务的首选技术，因为精确测量多个乘员或物体之间的角度和距离至关重要。”

  “实际上，我们还远未达到汽车传感器套件完全饱和的程度。真正的挑战是在不显著提高传感器套件整体价格的情况下添加（新的）传感器模式。这就是怎么回事无论是雷达还是 UWB 实现，汽车行业都将继续要求使用基于 CMOS 的技术来制造传感器，这些技术充分的利用了标准、经济高效的芯片制造工艺。”

  140 GHz 汽车雷达解决方案预计将于2030 年代初实现商业化。尽管该技术潜力巨大，但在将其集成到商用车辆之前必须克服几个障碍。

  重要的是，主要的技术挑战与半导体限制无关——因为 140 GHz 雷达系统仍旧能利用标准 CMOS 技术（而不是需要用更昂贵、更奇特的技术（如磷化铟）的更高频率解决方案）。这使该行业能够从先进的片上系统集成、纳米级设计和更高的功率效率中受益——同时保持较低的生产所带来的成本，这对于大众市场采用至关重要。

  更大的挑战在于物理领域。随着雷达系统从 60 GHz 和 77 GHz 过渡到 140 GHz，相同数量的发射功率覆盖的距离更短。换句话说，在更高频率下实现相同的感测范围需要更加多功率，这在技术上很难实现。因此，根据 OEM 对 140 GHz 传感器所需的范围，最先进的技术将需要朝着与 CMOS 技术相结合的共封装或集成 III-V 前端发展。

  雷达系统集成到车辆中会导致信号严重丢失，这进一步加剧了这一挑战。尽管已经使用透明材料使雷达信号更容易通过，但这样的一个问题在更高频率下会恶化。因此就需要新的材料解决方案，不仅要透明到 140 GHz，还要坚固、耐用、外观美观。

  除了技术挑战之外，缺乏（统一的）频谱监管是 140 GHz 汽车雷达系统商业化应用的另一个障碍。

  Ilja Ocket：“目前使用的 76-81 GHz 频段的频谱规定因国家而异。这阻碍了汽车雷达的全球商业化推广，因为 OEM 需要一致的标准才能在全世界内销售汽车。因此，为了尽最大可能避免在 140 GHz 汽车雷达系统上重复这一问题，实现全球标准化是关键。”

  尽管咨询小组已开始制定监管建议，特别是针对车舱内应用，但 Ocket 认为这一进程需要加快。

  “随着我们朝着允许在车舱内使用 140 GHz 的方向发展，我们该利用这一势头来确保更高能量水平的频谱调节，从而为外部传感提供有价值的应用。”

  “道路安全的改善取决于价格实惠的智能汽车的普及，而 140 GHz 汽车雷达对此至关重要。然而，只有加强监管才能实现这一愿景，”他总结道。

  尽管商用 140 GHz（汽车）雷达解决方案尚未面世，但台积电和 GlobalFoundries 等半导体领导者已深入参与其开发。与此同时，研究工作也在继续推进，着重关注干扰管理、技术基准测试和新雷达设计原则等领域。

  干扰管理包括一项主要研究领域。研究界强烈主张在 140 GHz 频段内采用标准化调制方案，以便从一开始就减轻干扰。凭借其在开发 77 GHz 汽车雷达系统方面的专业相关知识，imec 计划在这一领域发挥主导作用。

  另一个关键的重点领域是半导体技术平台的中立基准测试和评估——包括 22 nm FD-SOI 和 16 nm FinFET 类型，它们被认为是支持 140 GHz 汽车雷达系统开发的良好候选者。在这里，imec 在客观评估半导体技术方面的专业相关知识应该再次帮助行业选择最合适的技术方案。

  最后，第三个重要的研究挑战是开发分布式和相干雷达架构，其中雷达单元以连贯的方式运行——共享数据并进行集中协调——而不是孤立地运行。这种办法能够产生更小、更高效、更具成本效益的雷达系统，并具有类似激光雷达的角度分辨率。同样，凭借其在 77 GHz 雷达设计方面的专业相关知识，imec 可以为这一领域做出重大贡献——特别是在开发用于数据处理的底层芯片架构方面。

  软件定义汽车的兴起要求汽车开发方式发生根本性转变。简单地添加硬件和分层新软件已不再足够。相反，汽车制造商必须设计和制造越来越电子化的安全关键产品，从头开始构建系统以支持复杂且安全关键的应用程序。然而，汽车行业缺乏这种全面改革的经验。

  Imec 认为，开发 140 GHz 汽车雷达系统应成为这一转型的一部分。它为加速开发新的传感模式及其与摄像头模块（甚至在摄像头模块内）的集成提供了一个理想的测试案例。

  140 GHz 汽车雷达具有通过以实惠的价格提供高分辨率传感来改变驾驶体验的潜力，可实现自动代客泊车和高级驾驶员/乘客监控等服务。

  虽然这项技术对于使车辆更智能、更安全、更高效至关重要，但对关键技术进步的持续研究至关重要。此外，适当的频谱监管对于实现该技术的民主化并确保其广泛采用至关重要。

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