4D毫米波雷达：平衡成本、性能的标配传感器，自动驾驶再添新翼

事件：特斯拉HW4.0或将配备Arbe的4D毫米波雷达，4D毫米波雷达关注度上升。 1、行业催化：Tesla或将重启毫米波雷达，国内外车企&Tier1布局加速 回溯Tesla的传感器方案，主要经历了“多传感器融合”、“纯视觉”和“4D毫米波雷达+视觉”3个阶段，我们认为最终采用4D毫米波雷达的原因为4D毫米波雷达拥有测量俯仰角能力，分辨率高且成本相对激光雷达低，能够较好弥补纯视觉方案的不足，而一开始采用的雷达还不具备测高能力，性能&成本综合考量下，我们认为HW4.0使用摄像头+4D毫米波雷达融合为更优方案。除Tesla外，国内外车企宝马、通用、长安等均对4D毫米波雷达有所布局，部分车型已实现交付，部分在2023年有交付规划。 2、4D毫米波雷达：性能全面提升，超大阵列+专用处理器为量产优解 “4D”是指对探测物体距离、方位、速度和高度全面解析，且具备超高分辨率。实现4D成像主要有级联、单芯片集成和算法虚拟孔径三种技术路线。当前级联技术应用相对广泛。Arbe的4D毫米波雷达集成超大阵列射频芯片组+专用处理芯片，通道数达2304，量产价格为100-150美金，为当前性价比最高的方案，Tesla或采用Arbe方案，我们认为未来4D毫米波雷达将受益工艺集成化趋势，成本持续下降，预计2023、2025、2030年降幅分别达20%、12%、2%，在各类车型中持续渗透。毫米波雷达下游应用场景多元，预计2025年自动驾驶及非自动驾驶领域应用市场空间将分别达110亿美元和170亿美元。 3、应用优势：自动驾驶标配的传感器方案，软件定义汽车再进一步 我们认为4D毫米波雷达是最经济、稳定的车载雷达“标配方案”，有望对传统毫米波雷达、低线激光雷达形成替代，与高线激光雷达形成互补，后续或将在各类车型中持续放量。与传统产品相比，4D毫米波雷达突破了静止识别、横向移动检测、高度识别、相邻物区分和隐藏车辆探测等局限。与激光雷达相比，4D毫米波雷达部分性能指标已与其接近，还能更好弥补激光雷达速度、距离测量能力和受恶劣天气和环境影响的不足，但成本仅为其十分之一。软件定义汽车方面，4D毫米波雷达可提供更丰富数据和可靠方案以支持自动驾驶。 4、产业链情况&空间测算：产业链价值有望全面提升，30年全球4D产品规模超160亿美元 毫米波雷达产业链主要分为上游射频MMIC芯片、高频PCB、处理芯片以及后端算法等相关企业，中游包括成品4D毫米波雷达的生产企业，下游则为主机厂。从上游价值量来看，软件算法壁垒较高占比达50%，其次则分别为射频芯片、处理器芯片和高频PCB。伴随4D产品渗透，整个产业链价值有望全面提升 。 据我们测算 ，2023/2025/2030年全球车载4D毫米波雷达市场规模分别达31762/159300/1615627万美元，即3.18/15.93/161.56亿美元。 5、竞争格局：4D技术推动下市场竞争格局或迎来重塑 整机供应商方面，传统Tier1普遍采用级联技术在4D产品量产方面走在前列，但新进入厂商或依托专用芯片组和虚拟孔径方案实现换道超车，如Arbe、Mobileye等产品通道数具备较强竞争力。国内厂商多已发布4D毫米波雷达样机并与国内车企达成合作。主要整机厂商包括经纬恒润，威孚高科，华为，楚航科技，联合光电等。上游芯片方面，上游芯片主要包括射频芯片和处理器，也可能是将二者集成的专用芯片，主要企业包括德州仪器、赛灵思、恩智浦等，伴随4D算力诉求提升，逐渐分化出FPGA、DSP两大方案。国内方面，加特兰是CMOS工艺毫米波雷达芯片开发与设计的领导者。 上游PCB方面，主要企业包括Rogers、Isola、松下以及国内的沪电股份、生益科技（生益电子）等。 6、投资建议： 建议关注4D毫米波雷达相关企业：（1）芯片封装：长电科技等（2）PCB：沪电股份(天风通信团队联合覆盖)、生益电子、世运电路等（3）天线：硕贝德等（4）整机：威孚高科、经纬恒润(天风汽车团队联合覆盖)、华域汽车、保隆科技(天风汽车团队联合覆盖)、联合光电等 风险提示：新技术量产不及预期、市场竞争加剧、新能源车渗透率不及预期 1.行业催化：TeslaHW4.0或重启毫米波雷达方案，4D毫米波雷达有望加速渗透 1.1.Tesla：HW4.0预计回归4D雷达，2023年或量产上车 事件：特斯拉HW4.0或将配备Arbe的4D毫米波雷达，4D毫米波雷达关注度上升。 回溯Tesla的传感器方案使用历史，主要有3个阶段，我们认为最终或将采用4D雷达的可能原因为4D毫米波雷达拥有测量俯仰角能力，分辨率高且成本相对激光雷达低，能够较好弥补纯视觉方案的不足，而一开始采用的雷达还不具备测高能力，性能&成本综合考量下，我们认为HW4.0使用摄像头+4D雷达融合为更优方案。 图1：Tesla传感器方案演进过程 阶段一：多传感器融合侦测路段，视觉技术逐渐丰富 2014-2021年，HW1.0-HW3.0演进中，前向、侧向及舱内监控摄像头的视觉方案不断增加/优化，算法逻辑以雷达监测数据为主。2014年10月Tesla发布HW1.0系统。2016年9月，Tesla发布V8.0更新，改变了算法逻辑，由以图像数据分析为主改为以毫米波雷达监测的数据为核心，图像分析为辅的计算逻辑。2019年3月HW 3.0系统发布，延续HW 2.5系统方案，此时形成了由1个毫米波雷达，8个环绕车摄像头，1个座舱内监控摄像头和12个超声波雷达共同组成的多类型传感器混合侦测路况方案。 阶段二：传统毫米波雷达被弃用，Tesla全面倒向纯视觉方案 采纳纯视觉方案原因：传统毫米波雷达分辨率低，且成本相对较高，新发布FSD版本机器视觉与深度学习能力强，几乎取代传统雷达功能。①性能层面，Tesla认为由于当时主流车载毫米波雷达分辨率低，缺乏测高能力，且同样面对前方障碍物时，仅能接收到有限的返回信息点，难以将障碍物的轮廓清晰的勾勒出来。②成本层面，与摄像头对比来看，毫米波雷达数据与摄像头信号数据类似，而摄像头所捕捉到的信息量比毫米波雷达高几个数量级，且成本更低，弃用存在成本考量。③软件层面，2021年7月特斯拉发布FSD BetaV9版本，该版本是一套完全基于摄像头的技术解决方案，它从底层开始重写，依靠机器视觉和深度学习就可以实现自动驾驶，不再需要任何雷达的帮助。 2021年5月，Tesla宣布北美地区特斯拉Model3和Y车型上率先取消毫米波雷达探测模块，2022年10月，Tesla宣布取消超声波雷达，采用由摄影镜头侦测的Tesla Vision纯视觉技术。 图2：TeslaFSDcomputer 阶段三：纯视觉方案弊端暴露，4D毫米波雷达与摄像头融合方案显著提升可靠性。 “幽灵刹车”指的是当驾驶员开启特斯拉Autopilot或者使用FSD等自动辅助驾驶功能后，在车辆前方没有障碍物或者不会与前方车辆发生碰撞时，Tesla却会进行非必要的刹车，以至于会给驾驶员带来重大的风险。仅2021年5月到2022年2月，NHTSA就收到354起针对Tesla“幽灵刹车”现象的投诉，而截至2022年6月，投诉数量已经上升至758起，纯视觉技术的作用受到了很大的质疑。 图3：NHTSA收到关于Tesla幽灵刹车事件的投诉数量（起） Arbe的4D毫米波雷达问世为Tesla即将发布的HW4.0系统提供了一定程度上解决“幽灵刹车”现象的方案。该雷达能将探测范围扩大至300米，实现对行人、自行车和摩托车等小型实体的准确检测和跟踪。相比传统毫米波雷达只能在平面上生成少量点，4D毫米波雷达通过增加俯仰角探测功能来绘制立体空间中的点云图，这与激光雷达效果相似。该雷达通过高动态的分辨率，能将目标解析地更加清楚以支持决策系统，同时还可以将摄像头和激光雷达“引导”到潜在风险区域，这一能力将大大提高安全性能。 HW4.0硬件系统预计相比于HW3.0系统而言将迎来全面的升级。传感器方面或将增加4D毫米波雷达，摄像头数量也有望得到增加。此外，HW4.0在CPU、NPU、GPS等模块也或有明显的升级更新。综合以上的信息，预计HW4.0将可能有以下变化： ③神经网络处理器方面，HW4.0 NPU芯片封装面积增大，供电部分加强，HW4.0功耗大概是HW 3.0的2倍。 ④定位方面，HW4.0的GPS模块使用三频GPS天线模块，新增L5频率，以提升定位精度。 图4：HW3.0传感器位置及数量 图5：HW4.0传感器预估位置及数量 1.2.其余车厂及Tier1：已上市/2023年有交付计划 4D毫米波雷达在中高端车型及自动驾驶服务车型中快速渗透。除Tesla外，我们梳理了各车厂布局4D毫米波雷达情况，整体来看车厂布局较为激进，价格在40万元以下的理想车型和价格在70万以上的宝马车型、以及通用收购的Cruise自动驾驶服务车均于近两年完成了4D毫米波雷达布局。同时大陆、采埃孚等汽车Tier-1巨头基本完成对该领域的布局。 表1：国内外车企&Tier1 4D毫米波雷达布局情况 2.4D毫米波雷达：“3D+高度”实现四维感知，“专用集成”为量产优解 毫米波雷达目前是车用探测雷达中最为主要的探测器件，内部结构及工作原理如下：全集成毫米波雷达芯片的基本架构包括发射机、接收机、雷达信号源等射频毫米波组件，中频处理、A/D转换等基带处理模拟组件，微控制器、数字信号处理等数字组件。其工作过程主要为：雷达通过天线发射特定波形的电磁波，在有效辐射范围内被目标截获，目标反射电磁波到很多方向上，其中一部分能量返回至天线处被雷达接收，并通过放大，信号处理等过程最终计算出目标相对雷达的位置，移动速度，方位等信息。 图6：毫米波雷达内部构造及工作流程图 传统毫米波雷达是进行二维扫描，采集距离、方位、速度信息。目前现行的毫米波雷达频段为77Ghz-81Ghz，较高的频率能够使毫米波雷达获得更高的分辨率，利用毫米波对于X向回波的信号解析，测算出准确的目标距离，精度可以在 10cm 以内。同时利用毫米波雷达左右两侧的雷达回波天线，形成左右侧回波差，回波差经过计算得出相位差，利用相位差可以得到左右侧距离差，即角分辨率。同时利用探测物运动形成的多普勒效应，可以准确计算出物体的移动速度。形成多普勒像，最终得到物体的运行速度，分布图像。 图7：二维毫米波雷达成像效果 增加高度维度数据解析后，具备“高清”特质的毫米波雷达，被称为成像雷达，或者4D毫米波雷达。“4D”是指在原有距离、方位、速度的基础上增加了对目标的高度维数据解析，能够实现“3D+高度”四个维度的信息感知；而“成像”概念是指其具备超高的分辨率，可以有效解析目标的轮廓、类别、行为。 图8：传统毫米波雷达和4D毫米波雷达扫描示意图 2.1.工艺迭代：4D毫米波雷达受益集成度提高、小型化和低成本迭代趋势 伴随毫米波雷达的半导体工艺由GaAs向SiGe、RFCMOS集成化迭代，芯片逻辑密度逐渐提升，成本逐渐下降，利于其上车渗透。未来车载毫米波雷达芯片将更加集成化，主要体现在多芯片向多通道单芯片发展，全集成SoC，以及天线芯片的集成;相较于砷化镓和锗硅工艺，CMOS工艺拥有高集成度、更小体积和成本低等明显优势，将成为未来毫米波雷达射频芯片的主流工艺。 图9：毫米波雷达集成化与工艺升级 进一步集成：针对近距离场景，TI采用低功耗45nmRFCMOS工艺推出了集成度更高的天线片上集成(AoP)芯片，将天线、射频前端和信号处理模块集成在芯片上，进一步降低了系统成本，封装天线(AoP)技术消除了对高频基板材料的需求，并降低了成本、制造复杂性和大概30%的布板空间。TI的AoP技术利用倒装芯片封装技术将天线放置在无塑封基板上，防止因天线穿过塑封材料时产生损耗而降低效率并导致杂散辐射。使用多层基板可进一步减小电路板尺寸，并使得天线和硅片更容易重叠。具有封装尺寸小、降低工程成本并加快产品上市时间、降低功率损耗的优势。 图10：TI天线片上集成(AoP)芯片 Arbe的4D毫米波雷达集成射频芯片