毫米波雷達-ADAS上的成熟而低成本的空間感知技術

智慧交通的工程，什麼是最重要的？有人強調優秀的基礎建設（比如有線或無線網路），有人強調良好的資料處理後端，有人強調TA（目標客群）的定義，但長久下來，筆者深刻的感受到，城市級的感應器部建才能造就城市級的資料量，城市級的資料量才能促成城市級的智慧應用，但智慧城市是一筆高額的投資，決策時效益的評估不可不慎，追求高速部建感測器及成本的消耗的過程，才是最艱難的一件事。

在這點上，筆者一直以來信奉的信條是從蘋果電腦的產品看出的端倪。什麼為蘋果的產品帶來高毛利？精妙的工業設計結構、優秀的使用者體驗拉高獲利上限，產線的談判讓成本更有空間，但有一個很小但也重要的部分是—好的體驗不一定要用最新的技術，成熟的技術混合表現一樣也可以提供良好的體驗，並帶來相對高穩定性及低成本，同理，追求城市智慧化的過程中，提供新的技術場域實測來催化技術能夠落地並找到商業模式及利用成熟的技術用較低的成本組成合適的應用，可以是連續的過程也可能是平行的過程，但終究要收斂在經濟面的考量。

今天筆者想要討論的技術-毫米波雷達，就是一個在工業上已經成熟的技術，漸漸普遍應用到商用領域的案例，前一篇光達專題提到特斯拉在空間感知的領域傾向用攝影機加雷達的組合，成本考量佔了多數，至於為什麼？延伸自光達的題目，討論這個空間感知的老朋友。

毫米波指的是30-300GHz的波段，波長在1cm-1mm之間，如果有持續關注通訊技術的話，在5G題目應該已經頻繁看到（第5代通訊技術有兩大技術，sub 6跟毫米波），通訊領域上，商用的毫米波通訊除了智慧型手機搭載的晶片，指向通訊器也漸漸普及，一大特色就是多媒體傳輸上可以在傳輸範圍內達到HDMI等級的傳輸（也就是10Gbps等級），得以支援4K影像、30Hz以上的更新率，不過高頻率雖然具有高能量密度的特性，附帶的就是低波長、低穿透，這也是毫米波在5G基礎建設上雖然更符合低延遲傳輸的性質，普及採用卻遠遠不比sub6的原因。

但高頻特性在反射測距上就變成優勢，由於毫米波在目前可用的測距或空間感知技術裡，波性質中接近光的高頻高能，但不具有光的物質性，雖然特定頻段一樣會有容易被水、氧吸收的問題，但不平均介質的傳遞仍優於光學，這樣的特性讓它非常早開始應用在車用及無人機上，技術剛進入商用時（時間約2017年左右，當時論文及期刊考據），曾是高成本的中距離感知手段，以最早使用的24GHz為例，探測距離最大可達50公尺，相較於紅外線、攝影機、超音波雖可作範圍偵測但極限10公尺內偵測及雷射雷達（光學測距）距離可達百公尺以上，但只能單點測距，雖然成本約百美元但有其價值。

當然，隨著毫米波應用逐漸成熟，成本已經大幅下降，逐步走向低功耗，本篇聚焦雷達應用，分別從短距離雷達（SRR）、中距離雷達（MRR）、長距離雷達（LRR）討論。

LRR的遙測需求與MRR、SRR的即時反應需求有些不同，但相同的是結構上可簡易歸納為砷化鎵晶片組成的生成、放大、檢測毫米波的MMIC（單片微波積體電路）及雷達天線PCB版。

對S/MRR來說，需要波長特性多一些，在24GHz尚未被歐洲電信標準協會(ETSI) 和美國聯邦傳播委員會(FCC) 制定規則標準，自2018年9月起禁止新產品使用前，是常見使用頻率（分別是24、60、77-81GHz）近距離偵測的絕佳選擇，其原因是因為在速度偵測及相位轉換上，技術是利用都卜勒效應的頻率改變爲核心，長波長對頻率變化的相差計算較為容易，同時因為波的性質相較明顯，繞射能力較強，面對障礙物的對應能力也較好，所以即使在頻率相對不高而連帶頻寬、解析度有限的情況下，作為短距偵測仍然優於有更高解析度的77GHz。

LRR則相較重視不被干擾及更高的精度（因為偵測的目標較遠），常見的應用如ACC（主動式車距調節巡航系統）自普及起就建立在77GHz的毫米波雷達上，隨著因應傳輸需要、波束賦形技術的成熟，高解析及偵測距離都有機會不斷提升。

如果想要讀懂特斯拉autopilot的感測配置，可以參考上圖大眾奧迪的感測配置，在走向自動駕駛的路上，人與ADAS協同駕駛會再走一段時間，因為不論是基於什麼樣的深度學習模型，都必須要定義出明確的感測器結構並且蒐集一定的駕駛數據，才有可能實現商用普及，這也是特斯拉目前在自駕上的先行者優勢，不過筆者如同討論MIH那篇所認為的，自駕的運輸與自用電動車其實是不同的商業模式，強化型輔助駕駛系統（可視為刻意保留人類用駕駛介面的具有全自駕能力的半自駕系統）最終可能是自用車的市場主流，而非完全自駕系統全勝。

LiDAR的討論裡就有說到雖然LiDAR可以在距離跟解析度上有更高的成長性及表現，但參考2019-2020年的報價，長距離用大約600-1000美元，短距離雖然壓低了售價，也要約100美元，而且還是需要其他感測器協同工作，同樣的情況下，即使24GHz未來的產品不再使用，77GHz均價也已經進入100美元區間，更何況市面上還有60GHz的製程，單純論成本下修空間，也因為毫米波在通訊應用的必要，遠大於光達，縱使光達可以部分取代光學鏡頭，以及更強的環景偵測，但也因為光學鏡頭又是更加成熟的產業，CV技術更讓鏡頭有強大的可視偵測，成本上、工業設計上（體積）還沒有減少使用的必要，加上毫米波雷達已經晶片化，短期內毫米波的相關產品勢必走向商業成熟期。

毫米波雷達的製作工藝上，關鍵還是掌握在MMIC，英飛凌（Infineon）、恩智浦（NXP）、瑞薩（Renesas）、德州儀器（TI）及意法半導體（STMicro）這些原本就有高度市佔率的車用晶片廠都有設略，其中尤其英飛凌特別赫赫有名，尤其在併購2019年併購賽普拉斯半導體後。組裝上車用系統上，博世（Bosch）出產的LRR幾乎成為指標，相較之下中短距離還是可競爭之地。

雖然台灣具有半導體代工的優勢，但車用相關產業目前的市場門檻在於各種驗證機制，可以視為安全性考量的延伸，所以從零開始的成本相當高，形成除了幫原本的MMIC商代工外不太可能有其他商業機會的狀況，組裝及系統設計上各國也有自己的供應鏈，加上產品線成熟，基本上，下游廠從這場熱潮爆發性獲利幾乎不可能，但如果公司原本體質不好，有可能轉為一般。

目前策略上筆者蒐集資料後，唯一較看好聯發科（2454），原因如下

宏觀來看，雖然台灣廠商在車用半導體尤其是ADAS之於毫米波雷達上優勢絕對有限，但筆者在深度研究的過程中，歸納了同類型的毫米波技術動作感知的潛在市場可以是台灣的優勢，主要不同車用市場悲觀是市場門檻較低，雖然毛利有限但市場更大，會在另一篇深度討論。