國內這家毫米波雷達公司如何做到20%市占率的？

在毫米波雷達射頻前端芯片還普遍基于鍺硅（SiGe）工藝之時，加特蘭微電子創始人兼CEO陳嘉澍就已經開始考慮并著手基于CMOS工藝做毫米波射頻前端芯片了。

所以并不意外的，2017年加特蘭量產業界首顆CMOS工藝的77GHz毫米波雷達收發機芯片——陳嘉澍說，這“標志著毫米波雷達進入CMOS半導體工藝時代”；后續加特蘭相繼推出了CMOS 77/79GHz和60GHz毫米波雷達AiP SoC芯片；2022年又發布了業界第一顆基于22nm的毫米波雷達SoC芯片。

如今加特蘭的毫米波雷達芯片涵蓋天線封裝、射頻與模擬、信號處理、數字等組成部分。在前不久的Calterah Day加特蘭日活動上，陳嘉澍打趣道：“業界一直認為加特蘭是家射頻芯片公司，這是個誤解。”“除了CPU等少數IP之外，系統里面大部分IP都是我們自研的。”“從我們的體系能力建設和知識產權分布來看，我們在軟件、信號處理、專用處理器方面的投入都已經不低于模擬和毫米波。”

“汽車雷達領域內，不是把前端芯片造出來就能占領市場的。”加特蘭技術總監劉洪泉在采訪中說，“團隊擴充加入雷達系統相關團隊，開始做算法設計、硬件加速器實現——然后往SoC方向使勁兒。”“現在公司覆蓋芯片設計從前端到后端，從模擬到數字，從系統算法到軟件實現的各個環節。”

最早基于CMOS工藝實現并量產毫米波雷達芯片，以及全鏈路的人才、技術與專利儲備是在劉洪泉看來，加特蘭目前最主要的競爭優勢。“現在市面上真正大規模量產這種汽車級CMOS毫米波數模混合SoC芯片的，全球范圍內就只有兩家：加特蘭和TI。”

加特蘭的毫米波雷達產品目前已經進入28家車企，實現超過200款車型搭載——其中應用分布為6成角雷達應用，3成前雷達應用，以及1成諸如門雷達應用的新興應用場景。陳嘉澍在主題演講中提到，今年加特蘭的汽車毫米波雷達芯片在中國的市場份額達到20%。從加特蘭過去這些年的發展歷史及產品，要理解這個數字的達成也不難。

不過我們打算借助這個機會談談加特蘭本次發布的3項重要技術/產品：因為在我們看來，這不僅足夠找到20%市占率的原因，而且也有助于我們把握毫米波雷達技術近未來的發展方向。

靈活級聯，但是非傳統結構

成像雷達方向上，加特蘭于2022年推出Andes系列芯片。這個系列的車規級SoC芯片主要參數包括有22nm工藝、四核CPU + DSP + RSP（雷達信號處理器）、支持千兆以太網以更大的吞吐率傳輸點云數據，以及采用所謂的Flex-Cascading靈活級聯技術——以支持更大的天線陣列和MIMO通道數量。

這里的靈活級聯技術，是加特蘭介紹的重點：具體到產品上，2片Andes SoC芯片級聯，加上flash、通信物理層芯片和時鐘，組成8T8R的方案。想必此前在推出Andes SoC芯片之際，芯片設計就有了級聯相關的技術預埋。

級聯方案本身不新鮮，不過傳統方案是將多顆收發機芯片，加上LO（本振）和同步信號，通過高速并聯的MIPI通道，連接后端單獨的處理器。而加特蘭的靈活級聯技術，則是整體Andes SoC通過C2C的級聯。

陳嘉澍總結這種級聯結構的優勢在于，其一隨著級聯SoC數量的增加，不僅MIMO通道數增加了，運算和存儲資源也增加了（因為每顆SoC內部本身就有各自的數字實現構成）；其二是簡化了硬件設計架構，多顆SoC通過C2C接口連接，簡化板級硬件設計，減少EMC方面的考量；

另外宣傳中提到優化了BOM，“只需要維護一顆主BOM，甚至成像雷達和ADAS雷達都可以共平臺通用一顆BOM”；以及同一套軟件平臺，成像雷達和ADAS雷達可復用，也就節省了軟件開發投入。

劉洪泉說，靈活級聯技術的實現難點，一方面在于本振信號傳輸：加特蘭的方案是模擬本振信號“設計成13GHz，是市面上最低頻率”，如此一來就降低了損耗，且能夠縮減PCB板材成本（因為對走信號的PCB材料要求降低），再加上“芯片在設計時留足了margin，一定的信號衰減變得可接受”。

另一方面就在于芯片之間的C2C連接，這應當是靈活級聯技術的關鍵——加特蘭在靈活級聯技術上總共超過25項專利，大概很大一部分就集中在這里，具體是兩條高速SERDES連接，5Gbps+速率。“高速SERDES接口是個難點。”

有關主打2片級聯的原因，陳嘉澍的解釋是雖然MIMO通道數越多的確性能就越好，包括角分辨能力、距離；但系統成本和尺寸也隨即增加。而且當MIMO通道超過一定數量以后，“角分辨率與作用距離的提升收益越來越小”，此時系統成本與尺寸提升仍呈線性增長。所以陳嘉澍認為，成像雷達商業化落地最佳的MIMO通道數“在50-150之間”，“雙級聯系統可能是短期內成像雷達規模落地的最佳選擇”。

劉洪泉則提到多年前一些Tier 1就已經在推4片傳統級聯結構產品，但落地情況不樂觀。后來特斯拉及更多國內OEM普遍認為“兩片級聯的產品性價比達到最大平衡”，“我們的兩片方案就是瞄準這一點，提供不錯的性價比。”“國內的OEM追求先進技術，同時對性價比也有要求”，在很卷的市場大環境下，“這種方案很符合他們的預期。”

主題演講中，劉洪泉給出了2片Andes靈活級聯方案，與業界主流方案的對比（如上圖）。除了更多的MIMO通道數，簡化BOM這些前文提到的優勢；針對發射部分的移相器（TX Phase Shifter），“我們做了獨特的技術與傳輸線結構，和常見的IQPS不同，能夠提供高達1°的移相精度。”

數字部分，由于兩顆SoC級聯，理論上雙份的CPU、DSP算力自然大幅領先于傳統結構。這部分比較值得一提的是RSP——雷達信號處理器“提供全流程信號處理加速”——有關RSP的部分，后文在談Kunlun-USRR時還會做進一步詳述。

另外還有更專用的加速引擎，提供SVA算法和DML解角加速；更多的內存資源也能實現更復雜的計算和功能；以及更寬的溫區等特性，此處不再贅述。

得到的系統性能，包括在探測距離方面100米±60°，200米±45°，320米±30°；對應水平和垂直方向的角精度，以及幀周期、每一幀點目標數量如圖所示，都是相當出色的指標。

劉洪泉在演講中詳細闡述了對應角分離度的實現，以及達成這些系統指標的兩片級聯信號處理流程——包括MBC（Multi-Band Chirp）、DDM（Doppler Division Multiplexing）、多模式解角等關鍵技術，其中應當也濃縮了加特蘭的不少專利技術。受限于篇幅，此處不再展開。

總體實現的是距離、目標分離度、弱目標檢測等指標更出色，包括發布會上演示的車后方被車遮擋的行人、十字路口的多目標、高速路等傳統意義上相對困難的檢測和識別場景；綜合達成靈活、高性能和成本適用的解決方案。這種兩片級聯Andes SoC的雷達解決方案預期會在6月份推向市場。

USRR短距雷達，但是“通用短距”

本次Calterah Day的另一個亮點是加特蘭新發布的Kunlun/Lancang平臺，面向新興短距毫米波雷達應用，也就是諸如自動開合門（門雷達、尾門雷達）、艙內CPD（車內兒童感測系統）等應用方向的雷達。

這類被定義為“新興雷達”的傳感器，在需求上與成像雷達、ADAS雷達又不大一樣。陳嘉澍概括此類雷達在角度測量能力方面要求突出——雖然不到成像雷達的精度，但比傳統ADAS雷達的角度感知要求高不少；使用場景上，車艙內以及艙外皆有，呈現豐富多樣性；以及對尺寸要求較高，故而散熱、功耗要求也就比較高。

加特蘭在這類型產品上的思路是，把技能樹點得更深入一些，不僅在新興應用要求的角度感知、功耗、尺寸等領域有所建樹，甚至在ADAS雷達所需的鏈路預算（link budget）方面也做一定的優化，令新產品可覆蓋短距雷達應用，及部分ADAS雷達場景。這是77GHz的Kunlun-USRR與60GHz的Lancang-USRR誕生的背景。

所以比較有趣的是，這里的USRR在加特蘭的解讀中并不是Ultra Short Range RADAR，而是Universal Short Range RADAR——通用短距雷達。“它同時能夠支持短距離的角雷達應用場景。”加特蘭雷達產品線總監王政提到，特指下圖中80-100m距離的ADAS應用。

王政談到了Kunlun-USRR/Lancang-USRR的4個關鍵特性。其一，角度探測性能。這代產品具有6個發射通道和6個接收通道提供36個虛擬通道（工作在3T6R模式下18 虛擬通道），每通道9.5dBm輸出功率、13dB噪聲系數。

有關角度探測性能，主題演講中給出的演示，是在55-75°這樣的大角度探測場景，單通道20 dB到0 dB不同SNR下，傳統4T4R雷達的角度探測誤差會惡化到30°以上，而加特蘭的Kunlun-USRR仍可將誤差維持在2-3°以內。

基于天線的幅度誤差（amplitude error）——在3dB、7dB、10dB幅度誤差下，4T4R雷達會帶來20°以上的檢測誤差，而Kunlun-USSR的解角誤差仍然控制在2°以內。相對穩定的角度探測，對于設計的小型化，及應對復雜工況都有相當大的價值。

其二，RSP雷達信號處理器。RSP在Kunlun-USRR/Lancang-USRR中的應用，主要是在兼顧計算性能和效率的前提下，讓雷達覆蓋更多的應用場景——或者說相較于此前傳統的BBA（Baseband Accelerator）架構，提供更靈活的處理流程。

簡單來說就是兼顧靈活性和性能：包括支持10+ sequencer指令、支持兩條并行的指令隊列、性能則是超過上代BBA的水平。

比如說，BBA在應對CPD這樣的“新興應用場景”時，由于“需要在幀與幀之間去做第二維FFT（快速傅里葉變換）”，“對于原有BBA結構而言，需要由CPU對數據做重排列后送回BBA引擎，做第二維FFT”。改用RSP之后，數據重排操作可以在RSP內部進行，“通過RSP指令調度內部的DMA引擎進行數據重排列、搬移”，“達到100%以上的性能提升”。

另外“解角部分，可以基于更多指令調用底層算法的算子，搭建最適合CPD的解角算法”。比如基于“Relax算法”，“不需要CPU介入，極大提升了運行效率”——這應該是指BBA在應對艙內CPD場景時，DML引擎的輸出結果還需要CPU進行數據的二次加工，而RSP就不需要這么麻煩。

其三，低功耗。劉洪泉說，過去加特蘭的產品在低功耗技術方面就一直保持著全球范圍內的領先。而新興雷達應用對雷達的低功耗要求也越來越高。比如門雷達、CPD雷達這類應用需求<2W的功耗水平，哨兵模式下甚至要求雷達功耗<50mW。

加特蘭的思路是一方面，在工作模式（Chirping & Processing環節）時“6T6R TDM（時分復用）25%占空比下，做到1W以內的功耗”；針對空閑狀態（Idle環節），Kunlun-USRR增加了更多電源開關，射頻、RSP部分在空閑狀態時可以關斷，加上CPU降頻；很自然地達到<2W的目標。

另一方面，引入低功耗深睡模式（Deep Sleep Mode），達成1.3mW的待機功耗。且通過啟動邏輯的優化，深睡模式喚醒到正常工作<5ms。在哨兵模式場景演示中，這種超低功耗深睡模式占空比在99%，10ms用于發波、信號處理等必要操作，990ms處于深睡模式。RSP在這其中也是功不可沒的。

其四，封裝尺寸的小型化。這是由諸如艙內雷達應用場景決定的，如CPD應用的毫米波雷達通常比ADAS雷達更小。解決小尺寸問題的方法，主要是采用AiP（Antenna-in-package）封裝技術將天線在PCB上所占面積大幅減小。

從加特蘭多個“業界首個”記錄來看，AiP也是這家公司的拿手技術。加特蘭的AiP產品累計出貨已經超過了100萬片。“芯片集成天線以后，就需要在芯片生產過程中就對天線進行測試和校準，保證整個生命周期和不同工況下的性能穩定。”劉洪泉在采訪中表示，“這是我們主要攻克的難點。”

這也讓加特蘭的最終產品封裝做到了13mm x 16mm的尺寸。王政提到，低功耗設計在此也是功不可沒的，因為小尺寸對散熱提出了更高的要求，更低的功耗也就相應地降低了散熱的需求。

尤為值得一提的是，Kunlun-USRR在芯片尺寸（die size）方面，相比上一代Alps Pro減小20%，相比初代Alps也小了7%。

要知道這是在射頻部分升級至6T6R，數字部分沿用雙核CPU、以太網接口，增加LIN支持，提升網絡安全模塊的安全等級、BBA升級為RSP、并增加低功耗設計的前提下；片內存儲容量雖然略有縮減，但新增了數據壓縮方案，據說性能比Alps更好。

王政對此的釋義是，因為Kunlun-USRR專門針對短距應用場景定義，“讓6T6R每個通道面積做到最優”，加上諸多細節優化，實現了高性能和低成本。

這部分的最后，給出Kunlun-USRR與此前Alps的規格對比，及其角雷達應用場景下的具體規格，如上圖。王政總結Kunlun-USRR/Lancang-USSR是“用比2T4R產品更有競爭力的價格，實現比4T4R產品更強大的能力。”Kunlun-USRR和Lancang-USRR預計今年Q4送樣。

ROP^®封裝，而且量產了

最后要談的這項技術，是為實現毫米波雷達“看得更遠、看得更寬”的目標，而導入的ROP^®（Radiator on Package）封裝技術。

在傳統封裝方案中，射頻信號通過錫球連接到PCB，PCB通過銅導線連接至天線。劉洪泉解釋說這種方案的問題是毫米波信號的路徑損耗大。“雷達信號到達天線發射數據之前，很多信號就在饋線上損耗掉了。”

所以ROP^®封裝方案是通過芯片上的輻射片（radiator）將信號輻射到波導腔體內，降低損耗的同時提升隔離度。下面這張圖給出了傳統封裝方案、AiP、ROP^®各維度的對比：

從示意圖來看，die通過倒裝的方式扣在基板上，radiator則與錫球處于同一側——信號自die而出，穿過基板連接到radiator，再自radiator通過波導腔體傳出去。其各方面參數與AiP相似，成本也相對適中。

加特蘭生產技術中心總監王典說，加特蘭在ROP^®封裝技術領域已經申請了超過24項專利。所以在radiator的性能和損耗指標方面，全頻段內于不同的封裝誤差范圍內都保持著穩定。

此處尤為值得一提的是，“傳統毫米波頻段的波導口，其截止頻率（波導可傳輸信號的最低頻率）一般在60GHz左右，性能很不錯；但尺寸太大——radiator匹配這樣的波導口，最終封裝尺寸就會變大。”王典表示，業界相對成熟的方案是用雙脊波導（Double-Ridged Waveguide），如下圖左側的紅色方案。

這種方案令其尺寸明顯減小，但“截止頻率接近76GHz，一旦加工工藝略有偏差，則截止頻率就會入侵工作頻率范圍，導致波導天線和芯片的連接無法正常進行”。加特蘭采用一種單脊波導（Single-Ridged Waveguide）結構，其截止頻率低于雙脊波導，同時尺寸相較傳統波導口方案也更小；損耗則與傳統波導方案“幾乎一致”。

最終在射頻性能上，加特蘭的ROP^®封裝技術，達成與傳統封裝的“標準品”持平的水平；且在封裝隔離度方面顯著優于標準封裝方案，“接近裸片隔離度，基本上達到極限水平”。

與此同時，如前所述由于饋線基于空氣波導，相比傳統傳輸線的損耗顯著降低；而且從輻射效率來看，波導天線“接近100%”，也能明確反映到天線最終的增益上。損耗降低了，自然就有機會讓雷達看得更遠、更寬。

“直觀比較波導天線與PCB天線性能，當波束寬度一致時，波導天線增益就相當粗暴地多了6dB以上”；在波束收窄時，波導天線在正前方還能提供更高的增益。王典說，“不僅能看到傳統方案同樣寬角度的物體，而且在正前方能看到距離接近1倍的提升。”

以上是波導天線與PCB天線系統采用相同算法對人體弱目標的探測對比。波導天線能夠在正前方超過200米的距離內穩定檢測到弱目標，大角度時也能探測到大約100米距離內的相同目標；而傳統PCB天線就顯然差得比較遠了。

這種ROP^®封裝技術“已經成功應用到了Alps-Pro和Andes系列產品上”。劉洪泉補充說，早在加特蘭幾年前做AiP技術時，就已經在考慮ROP^®封裝了。“當時業界還沒有人去做這種波導天線，主要是因為供應鏈還跟不上。”“目前國內也還處在起步階段，從生產制造和供應鏈角度，這種技術是存在技術門檻的。”

走出汽車、走向全球

很遺憾因為時間原因，我們沒能參加Calterah Day加特蘭日下午場的分論壇活動。不過基于上述三項技術/產品解讀，以及加特蘭現如今在國內汽車毫米波雷達市場的活躍度，我們大致也可窺見車載毫米波雷達的發展趨勢：高性價比雷達、4D成像雷達、小型化與低功耗雷達。

這也是陳嘉澍一再表達的車載毫米波雷達三大發展趨勢，從Andes SoC靈活級聯技術、Kunlun-USRR/Lancang-USRR短距雷達產品、ROP^®封裝技術上都能淋漓盡致地體現出來。

劉洪泉在采訪最后提到，“在毫米波雷達產品上，無論產品能力、布局，還是實際出貨量、汽車搭載率，加特蘭在國內都是絕對的頭部。”接下來就是更進一步地邁入國際市場，“隨著國內OEM廠商的汽車產品走向國際，我們的產品也已經進入到了國際市場。”

“加特蘭也在和海外Tier 1進行合作，以這種方式進入海外市場。”“去年我們在慕尼黑也增設了一個辦公室，用于輻射歐洲客戶——像德國的汽車工業技術都很強。”“日本、歐洲的很多客戶對我們的4D成像雷達、艙內雷達，還有這次發布的短距雷達都很感興趣。我們和一些Tier 1已經在接觸。”

除了汽車之外，加特蘭也一直在開拓工業與消費市場，包括智能家居、養老監護、安防監控、智慧交通、安檢成像等應用方向。“我們60GHz的雷達產品用到工業領域也挺多的。和汽車市場的差別在于，工業市場相對碎片化——可能有幾十上百種應用。”劉洪泉表示，“雷達本身只是工業感知的一個組成部分，這就要求加特蘭與合作伙伴一起把應用做好。”“這是我們未來的發展目標。”

陳嘉澍說2013年剛剛回國創業之時，移動互聯網發展如日中天，汽車芯片創業鮮有人理會。這個時代卻與加特蘭創立之初已然完全不同。隨著國內市場對半導體的愈發看重，以及半導體上一個下行期內汽車成為為數不多的行業發動機，加特蘭的技術與產品能力更多地被市場看到；由毫米波雷達驅動、屬于加特蘭的市場征程現如今可能才剛剛開始。