综述 | 硅基毫米波雷达芯片研究现状与发展

Original 贾海昆、池保勇电子与信息学报 2022-07-02

收录于合集 #佳文 22个

毫米波可轻易穿透雪、烟、尘等复杂环境，使得毫米波雷达具备不可替代的优势，在汽车雷达、智能机器人等方面均有广泛的应用。随着半导体技术的快速发展，硅基工艺晶体管的截止频率提升，足以支撑起硅基毫米波雷达芯片的研究。硅基工艺在成本和集成度方面的巨大优势使硅基毫米波雷达吸引了来自学术界和工业界的大量研究。

我们推荐清华大学微电子学研究所池保勇教授团队发表于《电子与信息学报》2020年42卷第1期的综述：硅基毫米波雷达芯片研究现状与发展，论文从系统和核心电路等方面对硅基毫米波雷达芯片的研究现状和发展趋势进行了综述。

作者简介

贾海昆男，1987年生，清华大学微电子学研究所助理教授，研究方向为毫米波集成电路设计。

池保勇男，1976年生，清华大学微电子学研究所副所长、教授、博士生导师。研究方向为射频/毫米波/模拟集成电路的关键技术以及全集成无线收发机芯片的实现技术等。

论文结构

毫米波雷达背景

系统组成

频段选择

测距原理

雷达分辨率

硅基毫米波雷达收发芯片前端

系统结构

关键模块电路技术

相控阵

封装与天线

键合线封装

倒封装

封装天线

片上天线

毫米波雷达发展趋势

MIMO 3维成像雷达

快速扫频

论文看点

1 毫米波雷达背景
>>>>
系统组成

图1 毫米波雷达系统基本结构

>>>> 频段选择

毫米波频段覆盖了从30～300 GHz的范围，根据应用的不同，毫米波雷达选择的工作频段往往也不相同。频段的选择主要的考虑因素有：频谱规范、毫米波传播特性、所需分辨率、成本(芯片制造、封装等成本)等。目前汽车毫米波雷达有较为明确的频谱规范，世界主要国家和地区都将77 GHz的频点分配给汽车雷达使用，其中包括欧盟、美国、加拿大、日本、中国等等，频段或许略有不同。

>>>> 测距原理

图2 FMCW雷达探测静止目标和运动目标的原理示意图

>>>> 雷达分辨率

毫米波雷达的分辨率可分为距离分辨率和角度分辨率两个方面。距离分辨率指的是雷达所能辨认出的两个目标之间的最近距离。角度分辨率可用雷达天线主波束的半功率角度进行定义。

2 硅基毫米波雷达收发芯片前端

>>>> 系统结构

图3 基本FMCW毫米波雷达收发机前端芯片结构图

>>>> 关键模块电路技术

图4 基于DSM小数型锁相环的FMCW信号发生器

图5 当锁相环建立时间过快时的输出FMCW频率波形

图6 全数字锁相环用于毫米波FMCW信号产生

表 1 FMCW信号发生器性能汇总

图7 合成型功率放大器

表 2 硅基毫米波功率放大器性能汇总

图8 4种4阶匹配网络

^{图9 4种4阶匹配网络的频率响应对比}

^{^{>>>> 相控阵}}

^{图10 基于变压器耦合谐振腔的特性}

图11 理想两单元相控阵不同波束指向的雷达方向图

3 封装与天线

>>>> 键合线封装

图12 片上传输线与键合线协同设计以提高其带宽

图13 工作在60 GHz的键合线天线，增益为4 dBi

>>>> 倒封装

图14 倒封装

>>>> 封装天线

图15 封装天线示意图

^{图16 在封装中集成了2×2的接收天线阵列以及1×2的发射天线阵列}

^{^{>>>> 片上天线}}

片上天线相对于封装天线更进一步，将天线直接集成在芯片之上，彻底消除了毫米波信号从芯片内部与外部器件的接口。但片上天线的应用主要受限于两方面的因素，一是芯片面积，即使到了毫米波频段，片上天线占据的芯片面积依然不小；二是天线性能。现代硅基工艺衬底一般阻抗较低，以65 nm的CMOS工艺为例，其衬底电导率约为10 S/m，会极大的影响天线的辐射效率。在衬底背面加了一层额外的反射层可提高片上天线的辐射效率，但这种做法需要在常规半导体工艺之外引入额外的步骤，不适合大规模量产。

4 毫米波雷达发展趋势

>>>> MIMO 3维成像雷达

^{图17 MIMO天线阵列配置示意图}

^{图18 2维MIMO天线阵列配置示意图}

^{>>>> 快速扫频}

图19 两点调制基本原理

^{图20 采用LMS相关算法校准高通支路与低通支路的匹配}

结论与展望

在雷达工作频段选择方面，主要的考虑因素包括频谱规范、毫米波传播特性、所需距离分辨率和成本等方面。不同的应用会有不同的侧重。在测距机制方面，FMCW体制的毫米波雷达结构简单稳定，中频频率低，很大程度的放宽了对ADC以及数字基带的速度要求，比脉冲体制更适合硅基芯片实现。PMCW体制可提供MIMO毫米波雷达所需的正交性，在MIMO雷达中得到应用。硅基毫米波雷达的关键电路模块包括FMCW信号发生器和功率放大器。FMCW信号发生器主流采用锁相环来实现，实现方式包括模拟锁相环、数模混合锁相环和全数字锁相环。全数字锁相环在可控性、芯片面积、校准功能等方面有优势。功率放大器朝着更大的输出功率和更高的效率两方面进化。片上功率合成网络是提高输出功率的有效方式，有变压器合成和传输线合成两种主要的方式。毫米波雷达的一个重要技术是宽带技术。片上变压器以与单电感相当的面积，实现了一个高阶匹配网络，在毫米波雷达芯片宽带匹配中有很大潜力。毫米波雷达封装和天线方面，封装天线很好的平衡了天线性能与成本，在目前的毫米波雷达中得到广泛应用。在今后的发展趋势中，毫米波MIMO3维成像雷达和快速扫频技术值得重点关注。

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本文系《电子与信息学报》独家稿件

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编辑：余蓉

审核：陈倩

校对：马秀强、刘艳玲

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