ADAS无人驾驶的兴起，催生了传感器的需求。有研究机构预测，到2022年，全球车用毫米波雷达市场规模总计约160亿美元，其中，芯片约达80亿美元。同时，随着工厂自动化，以及智慧城市和智慧家庭的发展，毫米波雷达在工业、安防等领域迎来行业的春天，增量市场正呈现多元化的发展态势。
作为CMOS毫米波领域的开拓者，加特兰微电子科技（上海）有限公司（简称“加特兰”）一直专注于研发具有高集成度的毫米波雷达传感器芯片，致力于汽车、工业、商业楼宇、智能家居、医疗健康等关键领域的普及。
2017年，加特兰成功量产全球第一代77/79GHz CMOS工艺毫米波雷达芯片，率先实现了在汽车前装市场的突破；2019年，加特兰又推出了77/79GHz AIps SoC系列芯片，帮助更多用户更好地开发出具有竞争力的雷达传感器产品，其同步推出的AIps AiP系列产品，更是极大地降低了雷达开发成本与难度，更好地满足短距、超短距雷达的要求，可谓在毫米波雷达技术的创新研发上又向前迈出了坚实的一步。今年九月，在加特兰举办的媒体会上，公司进一步就毫米波雷达背后的秘密武器——AiP技术向现场来宾做了详细讲解。
AiP技术让毫米波雷达更强大
作为一家无晶圆的芯片设计公司，成立于2014年的加特兰表现出惊人的设计研发与创新能力，并取得了骄人的成绩，2019年量产的全球首款天线内置多通道77GHz CMOS毫米波雷达SoC系列芯片，并同步推出了AiP产品（AiP的英文全称是Antenna-in-Package，意为封装里的天线）。
AiP芯片图
AiP技术的诞生，带来的是整个系统成本显著降低，且更易于生产与开发。加特兰微电子公司COO吕昱昭说：“作为CMOS毫米波雷达技术的领导者，加特兰CMOS工艺的一大优势就是可以把射频芯片和数字芯片集成到一起变成SoC，从第一代的砷化镓到锗硅，整个系统成本降低50%。再到CMOS工艺时代，跟上一代锗硅相比，又降了40%的系统成本，到SoC时代，还会带来30%的成本降低，而CMOS AiP将会让成本进一步下降”
吕昱昭预测称，随着AiP技术的普及，到2024年，全球毫米波雷达的容量将增长到4亿颗，其中，AiP能给市场带来40%的增长。这种将AiP天线内置的技术究竟有何强大之处呢？
“我们在封装上设计有多个天线，且天线和芯片的互联区域做得非常短，这样能够使信号通过更短的路径到达天线，系统性能更为强大。更为重要的一点是，整个AiP的模组尺寸，相较于传统尺寸，可以大大缩小，这也得益于它的高集成度——因为在传统模组上，这些天线必须通过高频的PCB板来实现，而现在整个芯片内部已经包含这些天线。这样极大地降低成本且易于使用，客户无需进行天线的设计与开发，从而缩短整个产品研发周期和成本，更快实现产品上市。”加特兰微电子公司生产技术总监王典解释道。
加特兰AiP的产品包括Alps和Rhine两个系列的产品。Alps是77GHz车规级芯片，Rhine是60GHz工业级产品。整个AiP携带的构架包括4个接收通道、4个发射通道。这4个发射通道的排布独具特色，不仅可以通过其中3个任意选择来控制它的发射特性，客户还可以通过两个天线实现MIMO功能，扩大接收天线的阵列。
王典解释：“从天线本身的性能来说，我们的设计具备非常高的设计冗余度。普通频段是76到81GHz，其实整个使用带宽只有5GHz。但是，我们在设计的时候保证了它的设计带宽是16GHz，相当于翻了3倍的能力去设计。同样，天线增益方面，它的使用带宽是5GHz，但是，整个增益，满足我们需求的带宽其实是11GHz，那也是有200%的冗余的。”
四代更迭，技术创新再突破
作为一家初创公司，加特兰员工数超过100多人，其中，研发人员占据70%。可见，公司始终将研发置于重中之重的要位。
正如吕昱昭所说，加特兰如今做的所有努力都围绕产品的高性能、易使用和更低功耗等特性，这些特性实现与否将决定毫米波能否普及大众，只有将解决方案做到性能强大、经济性好，同时开发和生产又很简单，客户才能更好地使用加特兰的技术为社会赋能。
AiP的研发始于2017年，在2018年时，加特兰第一代AiP就和Alps当时的样片SoC同步问世，实现了毫米波雷达业界通道数量最多的AiP设计，历经四代更迭和优化，AiP才得以正式量产。然而，其整个设计和开发过程遇到的挑战是前所未有的，王典从以下几方面分析道：
首先，要考虑物理设计。加特兰AiP芯片是在长宽12毫米的芯片里面一共放了5240个过孔，161条信号线，12个天线单元。
其次，要考虑天线性能的设计。如何避免天线性能受到各种影响，这就涉及到芯片和模组的协同设计。加特兰在验证中经过一代代更迭，共经历四代这样的天线设计，每代里面天线的架构和形态都不一样。
再次，电连接是一个困难点。从芯片接口到天线的信号连接路径上有五种不同的传输结构设计，每一种传输结构都需要考虑到信号的匹配、损耗等指标。
然后，封装方面需要考虑封装技术工艺和材料。不同的封装工艺中天线的实现方式不一样，必须在这里面找到它的平衡点。同时，还要考虑到散热等其他问题，AiP里面加了非常多的散热孔，并对比多种材料来对整个尺寸进行优化。
接下来，确保芯片的可靠性也是至关重要的。AiP要做到车规级别，需要满足AEC-Q100。因此，加特兰在可靠性方面做了共计11项、超过6000小时的可靠性实验。
最后一道关卡就是量产前的自动化测试，通过自动化测试确保芯片出厂前的功能和性能，而这个测试，当加特兰第一天设计AiP开始就在同步进行，并贯穿始末。整个设定独特的测试方案，也是加特兰用时三年自主研发出来的，并和四家全球最顶级供应商一起探讨方案实现，最终形成一套拥有自主知识产权的测试方案。
未来可期，持续探索新应用
毫米波雷达在业界最为广泛的应用之一便是汽车行业，可应用于汽车ADAS上的AEB、FCW、CLA等系统。随着AiP技术和产品的问世，加特兰开始思考该技术更广泛的创新应用领域，加特兰微电子公司产品经理吴翔强调：
首先，在汽车自动泊车辅助功能上，需要加装很多传感器来探测周围障碍物，且对探测的精度和距离提出更高要求，这是目前超声波传感器无法实现的。
此外，在汽车舱内，毫米波雷达传感器还可以实现例如手势对车载娱乐系统的控制，对驾驶员生命体征如心跳呼吸等探测，对舱内是否有活体存在的检测等，这是目前很多车厂对传感器功能的需求。
舱内生命体征探测
使用AiP技术，车厂只需要在车顶灯或后视镜的位置加装一个很小的传感器，便可以完成对车舱内生命体征的探测，包括移动和微动的探测，例如呼吸、心跳等带来的面部表情的微动。
吴翔接着说，加特兰还针对空调市场开发了一套智能空调解决方案，通过毫米波雷达对物体移动或微动状态的判断来实现对人的位置的追踪，从而帮助空调实现均匀送风功能。还可以通过多通道天线技术，来判断运动人体的高度、姿态等信息，从而区分大人、小朋友或宠物。利用相似的技术还可以检测人的心跳呼吸，判断是否进入睡眠状态，从而控制空调的状态和模式。
室内人员位置跟踪
除此之外，监控市场中毫米波的应用也会带来新的突破。当下常用的监控摄像头是基于光学CMOS传感器，通过光学原理采集数据进行分析，这就会存在阴雨天气或黑夜期间无法识别，或产生误报，对远距离物体清晰度辨识度不够等情况发生。而毫米波雷达技术则可以有效降低误报率，且搭载AiP芯片的雷达产品体积更小，便于安装。
那AiP产品为何可以被应用于这些领域？吴翔说：“第一，足够小。在一个12mm×12mm的面积上完成了一个带雷达天线全尺寸的SoC，支持77GHz或者是60GHz的频段，在里面有4路的发射，有4路的接收，集成片上天线等；第二，整个模块的生产难度，原先如果说做一个板载天线，整个天线的校准、测试要花费客户很多的时间，使用了AiP的技术，客户自行加工生产就成为一种可能。”
市场的需求永无止境，就像创新永不止步一样，面对客户对AiP提出的面积是否可以做到更小、能耗是否可以更低等需求，吴翔表示，虽然加特兰所有产品功耗在行业内来说已经达到最低，但是面对新需求仍会继续研发更强性能、更小体积、更低功耗、更易开发、成本更优的产品。
利用AiP技术优势，加特兰打开了各行各业创新应用的新局面。Alps在2019年3月份发布之后，得到了国内外许多客户的认可，客户数量增长非常可观。值得骄傲的是，有三分之一是来自海外。
同时，2019年，加特兰微电子60GHz COMS毫米波雷达SoC芯片获得了中国国际博览会创新科技奖。2020年，加特兰微电子获得德国莱茵TUV集团ISO 26262功能安全管理认证证书，并于今年成功入选“EE Times Silicon 100”，成为最受关注的芯片公司之一。
一系列来自专业权威社会机构的认可，以及市场和客户的信赖，是加特兰在未来创新研发的道路上一往无前的动力。
