С помощью такого доступного радара каждый автомобиль сможет «видеть» через туман, отслеживать другие транспортные средства за сотни метров вперед, а также сможет тормозить самостоятельно при необходимости.

Для того чтобы узнать, каково это водить автомобиль, когда у вас есть шестое чувство, я взял напрокат Audi A8, оборудованную таким радаром, и протестировал ее на трассах Штутгарта в Германии. Это было потрясающе!

Я не мог не улыбаться, когда я двигался позади огромного грузовика и едва сдерживался, чтобы не нажать тормоз, который находился под управлением системы. За меня все делала адаптивная система круиз-контроля, использующая новый радар от Роберта Боша, способный видеть на сотни метров вперед. Система плавно «пристроила» мой автомобиль позади многотонного грузовика и увеличивала скорость автомобиля по моей команде.

Однако у системы были свои недостатки. Иногда радар находил автомобиль передо мной, и если этот автомобиль поворачивал направо или налево, то радар снимал блокировку. Таким образом, я брал на себя управление, нажимая на тормоза задолго до того, как сработает чрезвычайное торможение. Этот эпизод немного смутил меня, однако я легко смог привыкнуть к этому.

Большинство людей, которые использовали этот радар на протяжении некоторого времени, не хотят расставаться с ним. И число таких пользователей-любителей только растет, так как эта технология становится более доступной (установка такой системы добавляет приблизительно 1000 долларов США к цене автомобиля). Первая коммерческая система появилась в Японии в 1997 на Toyota Celsior; затем и другие первоклассные модели (BMW, Jaguar, Lexus, Nissan, and Mercedes) стали использовать такие радары. Рынок расширялся приблизительно на 40 процентов в год, что привело и к росту конкуренции, следовательно, стало необходимо понижать цену и повышать уровень качества соответственно.

Сегодня существуют некоторые системы, способные существенно снизить риск столкновения вашего автомобиля с автомобилем, находящимся сзади. Если у большинства машин будут такие устройства, распознающие объект сзади, то вероятность столкновения с вашим автомобилем также будет уменьшена в разы.

Таким образом, любое транспортное средство будет способно распознать или «почувствовать» другой автомобиль, и возможно даже «договориться» между собой о допустимом расстоянии. В конце концов, они могут даже посылать друг другу радиосигналы о своих намерениях по специальной сети, и эти сообщения могут выводиться на мониторы, установленные на проезжей части. В результате мы получим умные дороги, связывающие водителей, и обеспечивающие безопасность движения.

Первый шаг в этом направлении уже сделан – радары становятся более доступными. В следующем году Бош выпустит менее дорогую версию своего радара, с дальностью измерений до 160 метров (что составляет 2/3 от диапазона протестированного мною радара). Такие радары будут предназначены для автомобилей, передвигающихся с меньше скоростью, чем у машины, используемой мною.

Снижение затрат – это конечно решение, но затраты не уменьшаются сами. Инженеры внесли свой вклад: заменили дорогие полупроводниковые составляющие радаров на кремниевые с оптимизированной формой.

Я Шпион... Внимание! Радар чувствует автомобиль впереди, вычисляет относительное движение и ожидает столкновение. Сначала система включает свет и предупреждает звуковым сигналом, в то время как подготавливаются тормоза; если водитель не реагирует, то система усиливает предупреждение за счет резкого рывка машины. Если после того, как все эти предупреждение сработали, и автомобиль все еще находится в опасной зоне, радарная система срабатывает и резко жмет по тормозам.

 

 

В конце 1960-х в Англии работники Mullard Research Laboratories разработали систему авто радара, которая работала на 10 ГГц, затем RCA использовал ту же частоту в своей системе, созданной в 1972 году. Следующий шаг в этой направлении- уменьшение размеров такой системы (изготовителям необходимо сократить множество антенн и расположить их таким образом, чтобы между ними было достаточно расстояния). Они справились с этой задачей, взяв частоту сначала 34 ГГц, затем 50 ГГц, и недавно перешли к частоте 77 ГГц. Выбор частоты имеет некоторое отношение к поглощению СВЧ в воздухе, а следовательно, и с законодательством: Закон ставит жесткие ограничения на мощность на более низких частотах.

В 2009 немецкий производитель чипов Infineon Technologies, базируемый в Нойбиберге, создал систему, разработанную на единственном кремниевом чипе. Затем в 2010 году они объединилось с фирмой Bosch и начали производить более гибкий вариант радарных систем (с двумя чипами) для моделей Audi A8, Porsche Panamera и Volkswagen Touareg. Новые системы менее дорогие, к тому же их работа была улучшена, за счет более точного распознавания области перед автомобилем, а также увеличении этой области более чем в четыре раза.

Стало ясно, что кремниевые чипы захватят большую часть радарного рынка, что подтверждают и специалисты в производстве арсенида галлия. Асиф Анвар (директор по исследованию рынка в Англии) предсказывает, что за следующие три года, доля рынка кремниевых микросхем для автомобильного радара, возможно, вырастет с нуля до 60 процентов.

Infineon к тому времени захватит большую часть рынка производства кремниевых чипов для радаров ($ 120 млн), однако он столкнется с серьезной конкуренцией в лице американского производителя чипов Freescale Semiconductor, расположенного в Остине, штат Техас, который совсем недавно начал производить образцы кремниевых чипов для производителей автомобильных радаров. Другие компании, безусловно, следуют их примеру.

Так Infineon опроверг традиционный взгляд, что кремниевые чипы не в состоянии воспроизвести, обнаруживать и усиливать высокие частоты. Проблема использования такого чипа состоит в том, что скорость перемещения электронов очень мала, именно поэтому еще десять лет назад при производстве чипов для авто радаров Infineon и некоторые другие компании использовали более быстрый арсенид галлия. Но в середине 2002 Infineon вышел из бизнеса арсенида галлия. Год спустя кремниевые чипы для авто радаров рассматривались фирмой Bosch.

«В то время все думали, что сделать радары, основанные на технологии кремния невозможно», – вспоминают Рудольф Лэкнер, менеджер компании Infineon по программе радарных технологий. – «Но мы создали некоторые быстродействующие схемы, такие как управляемые напряжением генераторы, которые работают до 77 ГГц».

Чтобы поддержать такие высокие скорости в кремниевом транзисторе, инженеры Infineon добавили в сердце устройства тонкий слой, который состоял из четырех частей кремния и одной части германия. Идея была не новой. Действительно, это отображено в теоретической работе физика Герберта Кроемера, получившего Нобелевскую премию в 1950-х. Однако появление первого реального устройства произошло в 1975 года в Научно-исследовательском центре AEG в Ульме, Германия.

Развитие радара. Последняя система Bosch дальнего действия значительно упрощает печатную плату радара. Вместо нескольких чипов на основе арсенида галлия система использует всего один или два (как показано) германиево-кремниевого чипа фирмы Infineon.

Вдобавок слой германиево-кремниевого сплава вводит электрические поля, которые дают движущемуся электрону эквивалент наклонного пути, ускоряя его автоматически. Теперь даже транзисторы с базовыми слоями толщиной 50 нанометров могут достигнуть скоростей, необходимых для авто радаров с частотой 77 ГГц.

Переход на новые транзисторы обеспечивает другие преимущества – очень низкий уровень шума. Вы можете ускорить обычные кремниевые транзисторы, «разбавляя» слой базы, но в результате увеличиться фоновый шум. Чтобы уменьшить его, вы могли попытаться уменьшить сопротивление базы, за счет легирования кремния бором, у каждого атомы которого есть три электрона во внешней оболочке, а не четыре, как у кремния. Поскольку не достаточно электронов, чтобы создать все необходимые ковалентные связи, Вы получаете «дырки» или действительную положительную частицу, которая перемещается свободно через кристалл, увеличивая его проводимость. К сожалению, увеличение базы таким путем уменьшает усиление. Работа с германиево-кремниевым базовым слоем обходит эту проблему, потому что он вносит свой вклад в усиление, компенсируя потери, вызванные легированием. «Вы можете сделать легированную базу», – объясняет Лэкнер. «В результате вы получаете очень низкое сопротивление базы, которое улучшает шумовое поведение вашего транзистора», – говорит он.

Фундаментальное вывод был сделан из работы, которую Infineon сделал в начале 1990-х, при разработке чипов для ЭВМ следующего поколения. Этот проект не имел успеха. И при этом компания не хотела продавать свой чип производителям мобильных телефонов: поскольку обычные транзисторы стали менее объемными, их более низкая цена оказалась важнее, чем сниженный расход энергии чипа Infineon. Но вскоре стало ясно, что эта технология является наиболее пригодной для авто радара.

Возможно, сверхскоростные автобаны Германии сделали ее страной, увлеченной такими технологиями. Возможно, сыграла роль государственная поддержка в финансировании. Так в 2004 компания Infineon начала трехлетнюю программу по комплектации автомобилей радарами с 10 миллионов субсидий от немецкого правительства. Этот проект позволил компании сотрудничать с автомобильными производителями радар системы Bosch и Continental и автопроизводителей BMW и Daimler.

Прототип Infineon мог работать только до 80 ГГц, достаточных для использования в генераторе, но не в усилителе. В 2007 году, инженеры компании Infineon, за счет улучшения качества легирования бором базы из германиево-кремниевого сплава, смогли увеличить максимальную операционную частоту транзистора (до 77 ГГц) до необходимого уровня и продолжили производить первый коммерческий германиево-кремниевого чип для авто радаров. Четыре года спустя компания Infineon продолжает производить такие чипы в большом количестве в Регенсбурге, Германия.

Вставка германиево-кремниевого слоя в устройство не требует никаких экзотических методов или экстраординарных инструментов: Infineon использует 200-миллиметровые кремниевые пластины и тонкие кремниевые пленки сверху с помощью обычного химического осаждения паров.

В нужный момент времени производства, открывается клапан, пары германия проходят по камере и покрывают кремний пленкой. Из одной такой пластины можно сделать тысячи чипов. «Это даёт нам желаемый запас для производства авто радарных систем», – объясняет Лахнер. В самом деле, большинство продукции (10000 пластин) идет на другие цели.

Так почему же другие компании, такие как TriQuint Semiconductor (штат Орегон) и United Monolithic Semiconductors (Франция), по-прежнему производят авто радары на чипах, основанных на дорогом сплаве арсенида галлия? С одной стороны, сплав арсенида галлия по-прежнему является крупнейшим игроком на радиолокационной рынке на данный момент. Кроме того, эти компании должны иметь кремниевые производственные линии, чтобы перейти к таким чипам, что является масштабной перенастройкой производства.

На испытательной площадке Bosch черный демонстрационный автомобиль приближается к подставному автомобилю на большой скорости, приводя в готовность радарную систему, которая нажимает на тормоза при необходимости предотвратить или по крайней мере смягчить катастрофу.

Стоимость – не единственное изменение. Использование чипа компании Infineon (или два чипа усовершенствованной системе) вместо набора чипов на основе арсенида галлия является более эффективным. Фирма Bosch модернизировала продукт компании Infineon во время разработки своего радара третьего поколения дальнего действия. Минимальные и максимальные диапазоны системы изменились: минимальный диапазон понизился от двух метров до половины метра, и максимальный диапазона распознавания увеличился от 150 до 250 метров. В то же время угол обнаружения увеличился вдвое до 30 градусов, а точность угла и точность измерения расстояния увеличились четырехкратно.

Другой коммерческий аргумент – компактный размер новой системы всего 7,4*7*5,8 сантиметров. «Если вы сравниваете его с системами конкурента, это действительно очень маленький шедевр», – говорит Фуехрер. Это означает, что автомобильные проектировщики могут установить это устройство, где захотят – даже на фары.

Система использует четыре антенны и большую пластмассовую линзу, чтобы посылать микроволны и обнаруживать эхо. Система сравнивает амплитуды и фазы полученных эхо-сигналов, точно определяя каждый автомобиль в пределах диапазона от 10 см (по расстоянию) и 0.1 степеней в области смещения от оси движения. Возможность распознать, какие автомобили становятся ближе, а какие удаляются от машины, появляется за счет использования эффекта Доплера. В общем, радар может отследить 33 объекта за один раз.

На машине Audi A8 вы получаете два отдельных предупреждения, когда вы приближаетесь слишком близко к автомобилю, двигающемуся впереди. Во-первых, раздается звуковой сигнал и на приборной панели появляется свет. Если это «светозвуковое шоу» не привлекает внимание водителя, то срабатывает короткий резкий тормоз, чтобы вывести вас из оцепенения. «Тесты и исследования показывают, что большинство водителей ожидают и наблюдают за тем, насколько близко они смогут подобраться к впередиидущей машине», – говорит Бернхард Лукас, глава отдела Bosch по развитию авто радарных аппаратных средств.

Однако даже торможение системы может не предотвратить столкновение: статистические данные, собранные Bosch, показывают, что почти половина задних столкновений вызвана водителями, нажимающими педаль тормоза слишком мягко. Но если бы такая ситуация произошла в Audi A8, оборудованной радаром, то дополнительное торможение было бы применено автоматически.

В худшем случае, тормозная система начинает действовать самостоятельно. «В редких случаях, катастрофа столкновения неизбежна после применения чрезвычайного торможения, например, когда водитель абсолютно неспособен сделать что-либо (он беспомощен или наполовину мёртв)», – говорит Лукас.

Конечно, вероятно, такие чрезвычайные меры вам никогда не понадобится. Немногие люди вообще рассматривают такие особенности, когда покупают автомобиль. Вот почему ежедневная работа такой системы важна для водителей. В настоящее время, автомобильный радар дополняет систему круиз-контроля, и дает огромное преимущество на дороге. Вы можете установить свой настройки, например, обнаружив автомобиль впереди, ваша машина будет передвигаться «в ногу с ним», т.е. ускоряться или замедляться также как она. Вы можете определить максимальную допустимую скорость своего автомобиля, которая может достигать 250 километров в час (155 миль в час).

Интересно, что Audi, Porsche, и VW в прошлом году начали производить автомобили с радарами и однозначно решили использовать радар лишь в качестве помощи водителю, а не в качестве полномасштабного автопилота. Таким образом, они сократили свои ответственности за несчастные случаи, которые могут произойти.

Партийная литература

1. Richard Stevenson. "Long-Distance Car Radar", IEEE Spectrum, October 2011,
http://spectrum.ieee.org/green-tech/advanced-cars/longdistance-car-radar/0