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我們曾在【萬物聯(lián)網(wǎng)，淺談IoT低功耗廣域網(wǎng)趨勢】中談過物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)，分別是感知層、網(wǎng)絡層、應用服務層。這一次，我們回歸物聯(lián)網(wǎng)的源頭，來談談感測層中成長速度驚人的“毫米波雷達”。

開始之前，先復習一下三個基礎的通訊原理。

1. 電磁波(Electromagnetic wave)是由互相垂直的“電場”與“磁場”交互產(chǎn)生的一種能量。

2. 在數(shù)學上，“毫”代表的是“千分之一”，數(shù)學代號為m。當數(shù)學代號“毫”加上“米”這個單位的時候，“毫米”就代表“千分之一公尺”的意思，也就是millimeter(縮寫mm)。

3.“波長”指的是電磁波的波峰到波峰的距離，通常以毫米(mm)、微米(μm)或是奈米(nm)為單位;“頻率”則指電磁波每一秒震動的次數(shù)，以“赫茲(Hz)”作為單位。其中，最重要的特性就在于“波長”與“頻率”成反比。

回歸正題，毫米波就是指波長介于1～10毫米(mm)的電磁波。若以頻率來換算的話，大概是工作在10～300GHz的頻率，高于無線電波，低于可見光及紅外線。

一、什么是“毫米波雷達”?

毫米波雷達，指的是工作在毫米波波段(millimeter wave)的雷達，透過天線發(fā)射毫米波，及接收障礙物反射回來的訊號，來計算出與目標的相對速度、距離以及角度。

說到這，你可能會好奇，毫米波雷達到底厲害在哪?與我們常聽到的紅外線雷達、超聲波雷達、光達又有什么差異?而最近AI影像辨識興起，攝影機是不是也有機會取代掉傳統(tǒng)雷達呢?

其實，這五種感測方式各有擅長。例如，紅外線、超聲波雷達的價格雖然較低，但是可探測的距離過短;攝影機雖然可分辨障礙物的大小與顏色，但就像人類的眼睛一樣，易受天氣因素影響。

光達雖然精準度高，但有天氣因素制約，且目前價格少說一顆也要400美元，離大量普及還有一段時間。至于毫米波雷達，雖然價格適中，不易受環(huán)境影響，但精度卻也遜于光達。

因此，目前看來，并沒有哪一類型的感測方式獨霸一方，實務上反倒是在各應用場景中互相搭配、各取所需。例如，在自動駕駛領域中，超聲波雷達、紅外線傳感器、光達、毫米波雷達、攝影機便會各司其職，在性能上互補，可參考下表。

根據(jù)日本YANO Research Institute的研究報告，幾個主流的傳感器中，除了紅外線傳感器、超聲波雷達的成長幅度相對持平，其他像是毫米波雷達、攝影機、光達等傳感器皆顯著成長。其中，毫米波雷達更是這幾年來成長最快速的類別。

二、24GHz、60GHz、77GHz和79GHz車載毫米波雷達的發(fā)展

如同前面所提，毫米波是指工作介于10～300GHz的頻段，雖然目前各國針對車載毫米波雷達所分配的頻段各有不同，但主要還是集中于24GHz及77GHz，只有少數(shù)國家如日本則采用了60GHz頻段。

2015年的世界無線電通信大會上，各國將77GHz頻段劃分為「車載高分辨率雷達頻段」，因此77GHz瞬間成為國際標準。由于高頻段的77GHz相對于24GHz具有諸多優(yōu)勢，也使得日本從60GHz逐漸轉(zhuǎn)而開發(fā)77GHz的毫米波雷達。

在分析24GHz、77GHz、79GHz各頻段之優(yōu)劣前，我們再補充三個電磁波原理，等等比起來會更有感覺。

1. 根據(jù)電磁波原理，當天線長度為電磁波波長的1/2或1/4時，收訊情況最好。換言之，頻率越高、波長越短，天線就可以做的越小，雷達體積也會較小。

2. 高頻電磁波也代表著能量較高，因此不用消耗很多電力，就能讓天線產(chǎn)生足夠的增益(Gain)傳送比較遠的距離。不過，高頻電磁波的繞射性質(zhì)比較差，不容易繞過障礙物，所以室內(nèi)接收訊號的質(zhì)量會比較差。

3. 毫米波雷達“分辨率”的定義為：“雷達可以區(qū)分的兩個物體的最近距離”。例如，若兩個物體靠的太近，那么雷達可能會把它視為一個物體，如果分開一點，雷達便會視為兩個物體。簡言之，可以讓雷達辨別出“這里有兩個物體，而不是一個物體”的前提下，兩物體之間的最短距離，就是雷達的分辨率。

分辨率的計算公式為光速/(2倍的雷達帶寬)，因此24GHz(250MHz帶寬)的分辨率為0.6m，77GHz(1GHz)的分辨率為18cm。4GHz帶寬的毫米波雷達分辨率可以做到5cm。

由于24GHz毫米波的波長較長(約1.25cm)，故其天線、雷達體積會相較77GHz(約4mm)來得大。不過，由于24GHz雷達的「繞射能力」較強，因此24GHz毫米波雷達主要用于小于50公尺的短距離偵測。

77GHz雷達由于頻率較高，具有精度高、訊號穿透性佳等優(yōu)點，因此77GHz的毫米波雷達主要適用于長距離(約250公尺)偵測。

至于79GHz，由于24GHz ISM頻段的帶寬只有250MHz，使得其「分辨率」與「探測距離」有其限制，因此，2015年國際電信聯(lián)盟(ITU)決定開放76GHz~81GHz頻段供車載雷達應用。79GHz不僅較24GHz車載雷達帶寬更大，讓分辨率得以壓縮至5公分，而設備體積也更小，更易于后續(xù)安裝。

整體看來，汽車毫米波雷達不斷朝高精度需求發(fā)展，使得雷達系統(tǒng)持續(xù)從24GHz往77GHz、79GHz升級。我們可以預測，未來車載雷達頻段將趨向76GHz～81GHz之間，最終以77GHz雷達作為長距通信的載體，79GHz作為短距通信的載體。

三、全球汽車毫米波雷達產(chǎn)業(yè)鏈

打開毫米波雷達的硬件結(jié)構(gòu)，主要零組件包括發(fā)射器、接收器、訊號處理器、電路板以及天線等等。除了硬件的組成外，毫米波雷達如何透過算法，來取得分析結(jié)果，也是一門很大的學問。

在了解雷達的基本構(gòu)造后，接下來我們來看看全球汽車毫米波雷達的產(chǎn)業(yè)鏈，從上游的芯片、電路板開始，再到中游的車用電子系統(tǒng)廠，最后再到下游的車廠，市場分布狀況可參考下圖。

a.上游：芯片廠

毫米波雷達的核心芯片主要來自于國際大廠，這幾年不少IC廠商推出毫米波雷達SOC芯片，將微控制器(MCU)、數(shù)字信號處理器(DSP)、訊號放大器及負責收發(fā)雷達波的射頻芯片全部整合在在單一芯片上，例如NXP的77GHz SOC感測芯片、Infineon的79 GHz SOC感測芯片等。

以市場占有率來看，目前國際市場主要被恩智浦(NXP)、英飛凌(infineon)、德州儀器(TI)等芯片設計公司占據(jù)。

b. 中游：車用電子系統(tǒng)廠

至于中游的毫米波雷達市場，幾乎被奧托立夫(Autoliv)、博世(Bosch)、大陸集團(Continental)、德爾福(Delphi)、天合汽車集團(TRW)、法雷奧(Valeo)、海拉(Hella)、電裝(Denso)、富士通(Fujitsu)等國際廠商壟斷。

若以中國的毫米波雷達市場占有率來看，24GHz雷達市場主要由博世(Bosch)、法雷奧(Valeo)、海拉(Hella)所主導，合計市場占有率60%以上;77GHz雷達主要由博世(Bosch)、大陸集團(Continental)和德爾福(Delphi)主導，合計市場占有率更是高達80%。

臺灣地區(qū)也不乏發(fā)展汽車毫米波雷達系統(tǒng)之廠商，例如啟碁電子(6285)、為升科技(2231)、明泰科技(3380)等，皆陸續(xù)出貨24GHz毫米波雷達，至于77GHz產(chǎn)品則多處于客戶驗證的階段。此外，其他廠商包括輝創(chuàng)科技、同致電子(3552)等公司，亦積極發(fā)展毫米波雷達。

c.下游：車廠

為了實現(xiàn)ADAS的各項功能，一臺車至少需要「1長」+「4中短」，共5個毫米波雷達。因此，目前像是BMW、Benz、Audi、Toyota、Ford，甚至是電動車大廠Tesla、小鵬汽車都在其車款中，配置多個毫米波雷達。

四、3個新創(chuàng)的機會點

以24GHz的毫米波雷達來看，除了市場擁擠外，國際Tier 1大廠在技術上也已深耕許久，新創(chuàng)公司較難以進入。不過，由于這些Tier 1的售價居高不下，且市場板塊也漸漸邁向77GHz、79GHz等頻段，使得新創(chuàng)公司有一個不錯的機會點，可以從提升精度、降低成本來努力。

另外，在目前各類型的雷達各有優(yōu)缺下，結(jié)合攝影機、毫米波雷達、光達等多合一功能的傳感器也逐漸興起。例如，AEye開發(fā)的iDAR傳感器，不僅做到降低成本，也同時提供相機與光達組合的性能，不僅辨識范圍高達300米，也具備相機辨識顏色與交通號志的特性。

最后，一般來說，傳統(tǒng)車廠基于技術可靠度，其實不大敢用新創(chuàng)公司的產(chǎn)品。若硬要跟這些車廠周旋，也往往曠日費時，有時一不小心就榨干了新創(chuàng)公司的資源。其實，除了車用市場外，毫米波雷達也開始擴展到其他新興領域，值得新創(chuàng)觀察。

例如，24GHz毫米波雷達就廣泛地用于智能家居、智能開門系統(tǒng)、工業(yè)機器人等等。60GHz雷達除了上述應用外，也適合做一些生命特征感測，用以偵測心跳及呼吸。甚至，毫米波雷達也可整進智能音箱，透過偵測使用者的遠近、手勢變化，來實現(xiàn)人機互動。相較于車用市場，這些應用進入門坎較低，也是新創(chuàng)公司的另一個機會點。