【华泰科技】4D毫米波雷达深度:智驾普及的新路径
(以下内容从华泰证券《【华泰科技】4D毫米波雷达深度:智驾普及的新路径》研报附件原文摘录)
如果您希望第一时间收到推送,别忘了加“星标”! 核心观点 4D毫米波雷达,兼具高性能与低成本优势的解决方案 4D毫米波雷达的4D指的是速度、距离、水平角度、垂直高度四个维度。相比传统雷达,增加了“高度”的探测、具有更高的分辨率和精度。目前,特斯拉Hardware4.0或将搭载4D毫米波雷达,上汽飞凡、深蓝SL03都已搭载4D毫米波雷达。我们预测2030年中国4D毫米波雷达市场规模有望达到449亿元。性能角度看,我们认为4D毫米波雷达未来在分辨率上或可逼近16-64线的激光雷达。成本上看,CMOS SoC+AiP的技术下可实现大幅降本。国内MMIC芯片厂商有加特兰微电子、清能华波等;整机厂商包括经纬恒润、威孚高科、华域汽车、森思泰克等;PCB有沪电股份、生益电子、深南电路等。 性能上看:4D毫米波雷达未来在分辨率上或可逼近16-64线的激光雷达 性能角度看,我们认为4D毫米波雷达未来在分辨率上或可逼近16-64线的激光雷达。4D毫米波主要优点:不受天气影响、测速、成本低、测距长;主要缺点:分辨率较低;多普勒效应对物体识别的精度不够。毫米波雷达/激光雷达分别在全天候工作能力/对物体的精准检测识别等方面有一定程度的不可替代性,我们认为长期来看,在自动驾驶、高级别辅助驾驶阶段,4D毫米波雷达与激光雷达并非替代关系。4D毫米波设计角度看,级联、CMOS、SoC集成或将成为主流趋势。 成本上看,CMOS SoC+AiP的技术下可实现大幅降本,有助于量产 4D毫米波雷达的成本约为300美元。硬件BOM拆分:射频前端MMIC(包括发射、接受、及信号处理器)的成本约占50%、PCB(包括接收、发射天线)的成本约占20%、DSP/FPGA的成本约占20%;其它硬件成本约占10%。由此可见,MMIC芯片与天线是4D毫米波雷达成本的重要组成部分,也是未来降本的关键领域。根据加特兰微电子,毫米波雷达成本在CMOS SoC+AiP的技术下可实现大幅缩减,较CMOS SoC/CMOS/SiGe/GaAs方案分别节约25/50/70/85%的成本。我们判断成本下降有助于4D毫米波雷达的量产上车,我们预测2030年中国市场规模有望达到449亿元。 国内外企业积极布局4D毫米波雷达,商业化进程加速 国内外企业积极布局4D毫米波雷达,商业化进程加速。1)MMIC芯片目前基本来自恩智浦、英飞凌、德州仪器、Mobileye等海外芯片设计公司,我国国产实力相对薄弱,国内厂商有加特兰微电子、清能华波、矽杰微电子等。2)PCB方面,主要企业包括Rogers、Isola以及国内的沪电股份、生益电子、深南电路等。3)整机/解决方案供应商方面,传统Tier1普遍采用级联技术在4D产品量产方面走在前列,主要为Arbe、博世、大陆、海拉等,国内主要整机厂商包括经纬恒润、威孚高科、华域汽车、森思泰克等。国内MMIC芯片和软件算法仍是稀缺标的。 正文 4D毫米波 什么是4D毫米波雷达? 4D毫米波雷达是传统毫米波雷达的升级版,4D指的是速度、距离、水平角度、垂直高度四个维度。相比传统3D毫米波雷达,4D毫米波雷达增加了“高度”的探测,将第四个维度整合到传统毫米波雷达中,这使得4D毫米波雷达1)获取信息的维度更加丰富,可以测量俯仰角度,且角度分辨率可以达到1度左右;2)探测距离更长,最远探测距离可达300多米;3)目标点云更密集,可以形成点云成像级的输出,进而可以使用数据驱动的方式进行图像识别。总体而言,4D毫米波雷达具有更佳的探测能力,更高的分辨率和精度,在人工智能技术的加持下,能够实现更加智能化的感知和跟踪,从而为自动驾驶、智能交通等领域提供更加可靠的数据支持。目前,特斯拉Hardware4.0或将从纯摄像头的视觉方案回归到4D毫米波雷达的视觉方案,国内的上汽飞凡R7、飞凡F7、深蓝SL03都已经搭载了4D毫米波雷达,4D毫米波雷达正在成为自动驾驶系统传感器的“明日之星”。 4D毫米波雷达探测性能包括距离、速度、方位角、俯仰角四个方面: 1) 在距离探测中,主要性能指标包括最大探测距离、距离精度、距离分辨率,主要影响因素是ADC采样率、调频斜率、输出功率、扫频带宽和信噪比等。 2) 在速度探测中,主要性能指标包括最大探测速度、速度精度、速度分辨率,主要影响因素是Chirp周期、有效帧周期和信噪比等。 3) 在方位角探测中,主要性能指标包括视场角、角度精度、角度分辨率,主要影响因素是天线间距、方位角和天线个数等。 4) 在俯仰角探测中,主要性能指标包括最大俯仰角、俯仰角精度和俯仰角分辨率;主要影响因素是天线间距、方位角和天线个数等。 4D毫米波雷达测距三大指标、测速三大指标由雷达“一个帧的基本参数”决定。雷达性能受限于毫米波、模拟电路的性能、处理能力等因素。 毫米波雷达测速和测距性能进步主要取决于MMIC芯片本身性能提升。对于4D毫米波雷达而言,最大探测距离主要受限于ADC采样率、调频斜率、输出功率、系统设计等因素,这些与MMIC芯片本身性能、设计息息相关;距离精度和速度精度主要取决于毫米波雷达系统信噪比的提升,系统信噪比主要受到MMIC芯片的噪声系数、相位噪声等指标的影响。因此,MMIC芯片的各类参数对于距离和速度的探测质量至关重要。 天线的口径决定雷达的角度分辨率,因此,天线的间距、设计方式(级联/单芯片)对于角度探测质量至关重要。 回顾:4D发展到了哪个阶段? 目前,4D毫米波雷达主流产品一般采用2片或4片MMIC级联的技术方案,也有部分厂商采用单芯片集成的技术方案。其中,4片级联的4D 毫米波雷达最为主流,它具有12个发射天线,16个接收天线(12发16收),192个通道,其方位和俯仰皆可达到1度左右的分辨率,理论上可以达到0.1的精度,最远探测距离可达300多米,代表性生产商有德国大陆、采埃孚、麦格纳、安波福和博世。2021年,华为在上海车展发布12发24收的4D毫米波雷达,采用4片3发6收的芯片级联而成。以色列公司vayyar采用单芯片技术方案,通过密集天线阵列来实现更高、更好的效果,推出了24发24收,576通道的4D毫米波雷达。以色列雷达供应商Arbe研制了目前最大的48发、48收、2304通道的4D毫米波雷达,配合其自研专用处理器芯片,大大提升了毫米波雷达系统的角度分辨率。 毫米波按照安装位置分可分为前向雷达与角雷达。 展望:毫米波还有多少想象空间? 我们认为,4D毫米波雷达未来的发展趋势是成本/雷达尺寸/功耗的下降与产品性能的提升。 1) 成本方面:Yole预测,4D成像雷达当前的成本约为300美元,未来的成本目标是100美元。我们认为,4D毫米波雷达成本的下降或将主要来自于:①设计层面,CMOS工艺的改进、天线封装技术的优化、MCU+DSP在SoC上的系统集成;以及②工程层面,技术成熟度提升,规模效益带来的成本摊薄。 2) 尺寸方面:Yole认为,可接受的4D毫米波前向雷达的尺寸为11*11*3cm,角雷达的尺寸为6*7*2cm。车载毫米波雷达的尺寸受限,我们认为通过算法的优化、天线内置等方式可以在保障性能的前提下,压缩尺寸,便于车企进行灵活的设计安装。 3) 功耗方面:Yole测算,4D毫米波雷达当前功耗约为20W。但考虑到车载传感器、通信模块数量的增加,单颗功耗下降或将便于整车系统设计。Yole预测,4D毫米波雷达单颗功耗有望降至10W以下。随着汽车电气化的发展,设备的功耗将变得愈发重要。 此外,4D毫米波雷达的灵活性与可扩展性,多目标检测的能力也有望得到提升。 毫米波雷达始终在寻求性能与成本的平衡。我们可以将毫米波雷达的发展拆分成成本/性能两个驱动力的相互作用: 1)成本驱动(从基于GaAs的传统雷达到基于CMOS的单芯片集成方案):探寻了成本最优解。为了降低成本,采用了硬件集成、CMOS工艺转换,工艺改进的同时提高了雷达的性能表现。 2)性能驱动(从CMOS单芯片集成到4D成像雷达):为了最优化雷达的性能表现,级联,CMOS成为主流;算法优化;信号收发虚拟通道数量提高;点云密度提升,部分成像级雷达像素升级到2k。毫米波雷达的复杂度与成本均有所上升。 我们认为,4D成像毫米波雷达或将进入新一轮的成本驱动发展阶段。在物理设计、天线性能设计、电连接、封装工艺和材料、散热处理、可靠性与自动化测试等方面进行持续优化,推出可大规模量产的高性能毫米波雷达解决方案。 从市场空间的角度看,全球毫米波雷达市场增长潜力大。根据Yole,2021年全球毫米波雷达市场规模为58亿美元;其中标准/4D/成像/OMS毫米波雷达分别为54/3/<1/<1亿美元;预计到2027年全球毫米波雷达市场规模有望到达128亿美元;2021-2027E的CAGR为14%;其中标准/4D/成像/OMS毫米波雷达分别为45/35/43/5亿元,2021-2027E的CAGR分别为-3/48/109/119% 4D毫米波vs其它传感器 技术上看,替代还是互补? 我们认为性能上看,4D毫米波雷达未来或可在分辨率上逼近16-64线的激光雷达。4D毫米波相较于激光雷达的主要优缺点有: 优点:1)不受天气影响。毫米波的分辨率越高,穿透能力越强、大气衰减小、受雨雪烟尘等天气影响小,故而毫米波雷达具有全天时全天候的工作能力。2)测速。可通过多普勒效应直接测速,并且测速精度较高,可以对摄像头等其他传感器形成互补。3)成本低。4D毫米波雷达主流方案是基于硅基的CMOS,成本较激光雷达更低。4)测距长。4D毫米波雷达可实现300m甚至更远范围的覆盖,激光雷达一般感知距离在210-250m左右;5)穿透性强在一些场景上表现更优。例如理论上可以直接通过穿透实现对前前车的识别与探测。 缺点:1)性能不及激光雷达。目前4D毫米波雷达的方位角*俯仰角分辨率1 *1度左右;激光雷达可达到0.1*0.1度。2)多普勒效应的局限性。在对横向移动的物体、距离较近的两辆车、人车等场景的识别上尚存在缺陷。 基于毫米波雷达/激光雷达分别在全天候工作能力/对物体的精准检测识别等方面有一定程度的不可替代性,我们认为长期来看,在自动驾驶、高级别辅助驾驶阶段,4D毫米波雷达与激光雷达并非替代关系。另一方面,如何实现感知层的前融合、算法处理能力的提升或将是激光雷达、4D毫米波雷达充分发挥技术优势,将“科技感”、“安全感”转化为自动驾驶性能提升的关键。 短期考虑低阶辅助驾驶对传感器性能的要求较低、主机厂的降本压力较大,4D毫米波雷达或将率先实现规模化量产上车。 成本上看,共生还是共灭? 从单个传感器的角度看: 毫米波雷达的成本区间大致为30-80美元,4D毫米波雷达的成本约为300美元。硬件BOM拆分:射频前端MMIC(包括发射、接收、及信号处理器)的成本约占50%、PCB(包括接收、发射天线)的成本约占20%、DSP/FPGA的成本约占20%;其它硬件成本约占10%。由此可见,MMIC芯片与天线是4D毫米波雷达成本的重要组成部分,也是未来降本的关键领域。 根据加特兰微电子在接受EET的采访时表示,毫米波雷达成本在CMOS SoC+AiP的技术下可实现大幅缩减,较CMOS SoC/CMOS/SiGe/GaAs方案分别节约25/50/70/85%的成本。 从整个智能驾驶硬件BOM的角度看: 我们基于市面上主流高级别辅助驾驶的硬件配置成本测算[1]。当前各品牌旗舰车型智能驾驶硬件的平均总成本为10,531元;其中激光雷达占26.8%、摄像头占24.4%、毫米波雷达占17.6%、芯片占11.6%、高精度地图与定位占10.2%、V2X占5.7%、超声波雷达占3.7%。 4D毫米波的市场规模测算 1) 汽车销量:根据公安部2022年3月数据,我国千人汽车保有量约为210辆,距离发达国家每千人四百辆的汽车保有量仍有差距。叠加经济复苏等宏观因素向好,我们预测2022-2030年中国新能源汽车销量的CAGR为20%;整体汽车销量的CAGR为2%,维持低个位数增长。 2) 智能驾驶:乘用车L2级辅助驾驶将成为标配。考虑到L3级以上级别自动驾驶所面临的法规、权责、以及技术长尾问题,我们预测2025年之前,辅助驾驶配置向L2/L2+级别升级(ADAS)将是大规模商业化落地的主要方向。具体而言,我们预测L0/L1级车型将向L2升级,L2以下级别渗透率将由2021年的71.6%下降到2030年的29.3%,而L2级别智能驾驶渗透率将由2021年的28.4%上升至2030年的59.9%,L3及以上级别智能驾驶取得一定的突破。 3) 4D毫米波雷达:受汽车智能化趋势的影响,我们预测2030年中国4D毫米波雷达市场规模有望达到449亿元。 4D毫米波的技术路线探讨 前端收发模块MMIC:级联、CMOS、AiP 设计:级联、单芯片、虚拟孔径 4D毫米波雷达的技术路线主要分为三种,分别是多级联、级联+虚拟孔径成像技术、以及集成芯片。(1)多级联:级联方案以成熟的标准雷达芯片为基础,在业内得到广泛应用。(2)集成芯片:集成芯片方案集成度更高,对技术应用的要求提升。(3)级联+虚拟孔径成像:级联+虚拟孔径成像方案通过算法实现天线数量倍增。 级联方案开发难度低、产品落地快,成为国外内为主流技术路线。TI在公司早期推出的毫米波雷达芯片AWR1243中通过发射FMCW信号来探测目标的距离和速度,而使用时分波形的方式将三个发射和四个接收构成的12个虚拟通道来探测角度,然而受限于角度分辨率,其获取的目标信息有效。而毫米波雷达系统级联方案,通过将四个三发四收的单个MIMO芯片级联方案可以构成12发16收的MIMO雷达阵列,此时雷达系统的虚拟通道数可从12提升到了192,该方法可以极大地提升雷达系统的角度分辨率。目前大部分毫米波雷达公司,包括国内、国外、传统、头部的雷达供应商,都采用级联的方式实现,一般采用2片或者4片级联的技术方案。级联的方式很多时候比单芯片方式更合适,效果和可行性更好。比如一个芯片的集成度非常高,单个芯片就要做得很大,因为单入单出非常占面积,成本也会很高。另外一个问题就是单芯片天线通道高频段耦合互耦非常强,这是一个很不好的设计。即使通过精心设计消除互耦,也存在同一芯片中通道拉的远的传输距离远导致损耗大的问题,但如果采用分布式或级联的解决方案,就能很好的解决这个问题。 MMIC工艺:GaAs-SiGe-CMOS MMIC芯片工艺改进(GaAs-SiGe-CMOS)推动车载毫米波雷达系统成本持续下行。 1)GaAs工艺时代(1990年-2009年):早期PCBA上大部分的器件都可以使用硅来制造,只有射频部分没有办法使用,主流都是采用砷化镓(GaAs)的工艺来制造;由于砷化镓工艺所需要的材料比较稀缺,不管是材料成本和制造成本都比较高,对于生产线的要求也很高。因此在2009年之前,毫米波雷达中的前端射频芯片最初也是使用的GaAs工艺,而且集成度很低,一个毫米波雷达需要7-8颗MMICs、3-4颗BBICs。 2)SiGe工艺时代(2009年至今):SiGe(锗硅)拥有硅工艺的集成度、良率和成本优势,从2009年开始SiGe工艺逐渐代替GaAs工艺,毫米波雷达前端射频芯片的集成度大幅提升,一个毫米波雷达只需要2-5颗MMICs、1-2颗BBICs,毫米波雷达整个系统成本降低50%。 3)CMOS工艺时代(2017年至今):最初CMOS工艺没法用在毫米波雷达芯片,是因为不能工作在高频中,以180nm为例,SiGe可以工作在180GHz以上,而CMOS工作频率只能达到40GHz;直到2010年工艺进步到40nm,才使得CMOS用于77GHz毫米波雷达成为可能。由于CMOS晶圆价格便宜且集成度非常高,一个毫米波雷达只需要1颗MMIC芯片、1颗BBIC芯片。 波形:FMCW、PMCW 目前车载毫米波雷达多采用连续调频式(FMCW)。顾名思义,调频连续波是连续发射调频信号,以测量距离、角度和速度等。在该方法中,在特定周期T内对特定频率的连续波进行调频,同时传输该连续波。以这种方式传输的信号可以被视为“带有时间戳”。发射波到达目标,其中一部分被反射。雷达接收到的反射波与原始信号混合、比较,进行信号处理。相对其他电磁波雷达,调频连续波雷达发射功率较低、成本低且信号处理相对简单,被毫米波雷达厂商广泛使用。 调相连续波(PMCW)雷达会根据码序列,由正交调制器对载波进行相位调制后发送,接收来自目标的反射信号,由正交检测器根据发送的载波信号进行正交检波,在LPF中消除谐波。用ADC将检波输出的实部(I)和虚部(Q)转换成数字信号,用数字滤波器进行频带限制后,用相关器计算发送码系列和接收码系列的相关值,通过峰值检测来检测目标。PMCW毫米波雷达技术,相较于传统的FMCW雷达,具备探测距离更远、分辨率更高、抗干扰能力更强等优势。目前,Uhnder有一款28nm,具有12TX/16RX通道收发器的产品,使用自己的软件来实现带数字编码调制(DCM)的相位调制连续波形(PMCW),有助于通过使用几乎独特的相位编码探测信号来消除相互的雷达干扰。 天线:分立-AoB-AiP 射频前端收发模块集成有分立模式、AoB、AiP三次技术路线。AoB(板载天线)是指将天线贴在高频PCB板上;AiP(封装天线)是指将天线和芯片集成封装到一起,天线采用IC封装工艺制作。相比于AoB,AiP具有以下优势: 1) 带有天线封装的雷达传感器的板级面积比采用AoB的传感器的天线所占板级空间的面积小约30%。 2) 降低高频PCB基板面积,可以降低BOM成本。 3) 由毫米波雷达芯片厂商做了天线设计部分,毫米波雷达系统厂商无需做天线设计和开发,可以降低工程成本。 4) 由于从硅芯片到天线的路径更短,因此可以实现更高的效率和更低的功耗。 小型化、增加新的应用场景、易安装、低成本是AiP技术的核心优势。考虑到未来车载4D毫米波雷达的发展趋势,采用AiP技术将带来更小的雷达尺寸、更低的雷达成本、更灵活的应用场景。 系统:分立-模块合成-SoC集成 4D毫米波雷达系统结构集成技术经历了分立模式、模组合成、SoC集成三次技术升级,我们认为,SoC集成是未来发展趋势。MMIC、DSP(数字信号处理器)、MCU(微控制器)是4D毫米波雷达的核心部件,不同的系统结构集成技术代表了这三个部件不同的集成方式: 1) 分立模式:指MMIC,DSP和MCU模块都分开,可由不同的供应商提供产品 2) 模组合成:MMIC与DSP集成,或者DSP与MCU集成 3) SoC集成:SoC(SystemonaChip)是指将多个电子元件、模块或者子系统集成到一块芯片上的技术。这里指将MMIC,DSP,MCU集成在雷达SoC芯片上 低成本、小型化、高性能、低功耗是SoC集成最大优势,也符合车载4D毫米波雷达未来的发展趋势: 1) 高集成带来的直接优势就是高性价比,因为可以用单SoC方案解决以前用三个子系统组成的毫米波雷达传感器,这显著降低了毫米波雷达的成本,大幅拉低了车载毫米波雷达硬件的开发难度。 2) 将各个部件集中在一块芯片上,可以减小毫米波雷达体积。 3) 各部件排布更为紧密,有效较少了各部件之间信息传输的损耗,提高了信息传输效率。 4D毫米波雷达产业链 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,中游包括成品毫米波雷达的生产企业,下游则为主机厂。1)MMIC芯片目前主要来自恩智浦、英飞凌、德州仪器、Mobileye等海外芯片设计公司,我国国产实力相对薄弱,国内厂商有加特兰微电子、清能华波、矽杰微电子等。2)上游PCB方面,主要企业包括Rogers、Isola以及国内的沪电股份、生益电子、深南电路等。3)整机/解决方案供应商方面,传统Tier1普遍采用级联技术在4D产品量产方面走在前列,主要为Arbe、博世、大陆、海拉等,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产品通道数具备较强竞争力。国内主要整机厂商包括经纬恒润、威孚高科、华域汽车、森思泰克等。 传统毫米波雷达市场:主要被海外企业主导。毫米波雷达市场主要被海外企业主导,国外企业包括博世、大陆、电装Denso、海拉、富士通、采埃孚等。根据高工智能汽车测算,2021年仅博世、大陆两家企业就占据了国产乘用车市场超过50%的市场份额。 4D毫米波市场:国内上车量产快,MMIC芯片和软件算法仍是稀缺标的。国内市场方面,4D毫米波雷达已搭载于上汽集团旗下飞凡汽车、长安汽车旗下深蓝品牌等量产车型,产品量产速度领先。但是,在车载毫米波雷达中,MMIC芯片和软件算法等关键部件仍被国外企业掌控,而如博世、恩智浦等企业在软件硬件层面具备双重优势,各类MMIC、DSP、FPGA、CMOS芯片产品也以过硬的品质成为业内首选。软件方面:国内目前急缺类似华为这种能够在软件算法软件有所突破的供应商;芯片供应商方面:开始有了一定的积累,如CMOS供应商中国电科、加特兰、岸达科技等。 风险提示: 智能驾驶渗透率不及预期;新产品迭代速度不及预期。受到技术长尾问题、汽车销量不振等因素的影响,智能驾驶软硬件迭代的速度或将慢于预期。 本研报中涉及到未上市公司或未覆盖个股内容,均系对其客观公开信息的整理,并不代表本研究团队对该公司、该股票的推荐或覆盖。 相关研报 研报:《4D毫米波雷达:智驾普及的新路径》2023年4月13日 黄乐平 S0570521050001 | AUZ066 陈旭东 S0570521070004 | BPH392 张 宇 S0570121090024 | BSF274 郭春杏 S0570122010047 | BTP481 汤仕翯 S0570122080264 关注我们 华泰证券研究所国内站(研究Portal) https://inst.htsc.com/research 访问权限:国内机构客户 华泰证券研究所海外站 https://intl.inst.htsc.com/mainland 访问权限:美国及香港金控机构客户 添加权限请联系您的华泰对口客户经理 免责声明 ▲向下滑动阅览 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如果您希望第一时间收到推送,别忘了加“星标”! 核心观点 4D毫米波雷达,兼具高性能与低成本优势的解决方案 4D毫米波雷达的4D指的是速度、距离、水平角度、垂直高度四个维度。相比传统雷达,增加了“高度”的探测、具有更高的分辨率和精度。目前,特斯拉Hardware4.0或将搭载4D毫米波雷达,上汽飞凡、深蓝SL03都已搭载4D毫米波雷达。我们预测2030年中国4D毫米波雷达市场规模有望达到449亿元。性能角度看,我们认为4D毫米波雷达未来在分辨率上或可逼近16-64线的激光雷达。成本上看,CMOS SoC+AiP的技术下可实现大幅降本。国内MMIC芯片厂商有加特兰微电子、清能华波等;整机厂商包括经纬恒润、威孚高科、华域汽车、森思泰克等;PCB有沪电股份、生益电子、深南电路等。 性能上看:4D毫米波雷达未来在分辨率上或可逼近16-64线的激光雷达 性能角度看,我们认为4D毫米波雷达未来在分辨率上或可逼近16-64线的激光雷达。4D毫米波主要优点:不受天气影响、测速、成本低、测距长;主要缺点:分辨率较低;多普勒效应对物体识别的精度不够。毫米波雷达/激光雷达分别在全天候工作能力/对物体的精准检测识别等方面有一定程度的不可替代性,我们认为长期来看,在自动驾驶、高级别辅助驾驶阶段,4D毫米波雷达与激光雷达并非替代关系。4D毫米波设计角度看,级联、CMOS、SoC集成或将成为主流趋势。 成本上看,CMOS SoC+AiP的技术下可实现大幅降本,有助于量产 4D毫米波雷达的成本约为300美元。硬件BOM拆分:射频前端MMIC(包括发射、接受、及信号处理器)的成本约占50%、PCB(包括接收、发射天线)的成本约占20%、DSP/FPGA的成本约占20%;其它硬件成本约占10%。由此可见,MMIC芯片与天线是4D毫米波雷达成本的重要组成部分,也是未来降本的关键领域。根据加特兰微电子,毫米波雷达成本在CMOS SoC+AiP的技术下可实现大幅缩减,较CMOS SoC/CMOS/SiGe/GaAs方案分别节约25/50/70/85%的成本。我们判断成本下降有助于4D毫米波雷达的量产上车,我们预测2030年中国市场规模有望达到449亿元。 国内外企业积极布局4D毫米波雷达,商业化进程加速 国内外企业积极布局4D毫米波雷达,商业化进程加速。1)MMIC芯片目前基本来自恩智浦、英飞凌、德州仪器、Mobileye等海外芯片设计公司,我国国产实力相对薄弱,国内厂商有加特兰微电子、清能华波、矽杰微电子等。2)PCB方面,主要企业包括Rogers、Isola以及国内的沪电股份、生益电子、深南电路等。3)整机/解决方案供应商方面,传统Tier1普遍采用级联技术在4D产品量产方面走在前列,主要为Arbe、博世、大陆、海拉等,国内主要整机厂商包括经纬恒润、威孚高科、华域汽车、森思泰克等。国内MMIC芯片和软件算法仍是稀缺标的。 正文 4D毫米波 什么是4D毫米波雷达? 4D毫米波雷达是传统毫米波雷达的升级版,4D指的是速度、距离、水平角度、垂直高度四个维度。相比传统3D毫米波雷达,4D毫米波雷达增加了“高度”的探测,将第四个维度整合到传统毫米波雷达中,这使得4D毫米波雷达1)获取信息的维度更加丰富,可以测量俯仰角度,且角度分辨率可以达到1度左右;2)探测距离更长,最远探测距离可达300多米;3)目标点云更密集,可以形成点云成像级的输出,进而可以使用数据驱动的方式进行图像识别。总体而言,4D毫米波雷达具有更佳的探测能力,更高的分辨率和精度,在人工智能技术的加持下,能够实现更加智能化的感知和跟踪,从而为自动驾驶、智能交通等领域提供更加可靠的数据支持。目前,特斯拉Hardware4.0或将从纯摄像头的视觉方案回归到4D毫米波雷达的视觉方案,国内的上汽飞凡R7、飞凡F7、深蓝SL03都已经搭载了4D毫米波雷达,4D毫米波雷达正在成为自动驾驶系统传感器的“明日之星”。 4D毫米波雷达探测性能包括距离、速度、方位角、俯仰角四个方面: 1) 在距离探测中,主要性能指标包括最大探测距离、距离精度、距离分辨率,主要影响因素是ADC采样率、调频斜率、输出功率、扫频带宽和信噪比等。 2) 在速度探测中,主要性能指标包括最大探测速度、速度精度、速度分辨率,主要影响因素是Chirp周期、有效帧周期和信噪比等。 3) 在方位角探测中,主要性能指标包括视场角、角度精度、角度分辨率,主要影响因素是天线间距、方位角和天线个数等。 4) 在俯仰角探测中,主要性能指标包括最大俯仰角、俯仰角精度和俯仰角分辨率;主要影响因素是天线间距、方位角和天线个数等。 4D毫米波雷达测距三大指标、测速三大指标由雷达“一个帧的基本参数”决定。雷达性能受限于毫米波、模拟电路的性能、处理能力等因素。 毫米波雷达测速和测距性能进步主要取决于MMIC芯片本身性能提升。对于4D毫米波雷达而言,最大探测距离主要受限于ADC采样率、调频斜率、输出功率、系统设计等因素,这些与MMIC芯片本身性能、设计息息相关;距离精度和速度精度主要取决于毫米波雷达系统信噪比的提升,系统信噪比主要受到MMIC芯片的噪声系数、相位噪声等指标的影响。因此,MMIC芯片的各类参数对于距离和速度的探测质量至关重要。 天线的口径决定雷达的角度分辨率,因此,天线的间距、设计方式(级联/单芯片)对于角度探测质量至关重要。 回顾:4D发展到了哪个阶段? 目前,4D毫米波雷达主流产品一般采用2片或4片MMIC级联的技术方案,也有部分厂商采用单芯片集成的技术方案。其中,4片级联的4D 毫米波雷达最为主流,它具有12个发射天线,16个接收天线(12发16收),192个通道,其方位和俯仰皆可达到1度左右的分辨率,理论上可以达到0.1的精度,最远探测距离可达300多米,代表性生产商有德国大陆、采埃孚、麦格纳、安波福和博世。2021年,华为在上海车展发布12发24收的4D毫米波雷达,采用4片3发6收的芯片级联而成。以色列公司vayyar采用单芯片技术方案,通过密集天线阵列来实现更高、更好的效果,推出了24发24收,576通道的4D毫米波雷达。以色列雷达供应商Arbe研制了目前最大的48发、48收、2304通道的4D毫米波雷达,配合其自研专用处理器芯片,大大提升了毫米波雷达系统的角度分辨率。 毫米波按照安装位置分可分为前向雷达与角雷达。 展望:毫米波还有多少想象空间? 我们认为,4D毫米波雷达未来的发展趋势是成本/雷达尺寸/功耗的下降与产品性能的提升。 1) 成本方面:Yole预测,4D成像雷达当前的成本约为300美元,未来的成本目标是100美元。我们认为,4D毫米波雷达成本的下降或将主要来自于:①设计层面,CMOS工艺的改进、天线封装技术的优化、MCU+DSP在SoC上的系统集成;以及②工程层面,技术成熟度提升,规模效益带来的成本摊薄。 2) 尺寸方面:Yole认为,可接受的4D毫米波前向雷达的尺寸为11*11*3cm,角雷达的尺寸为6*7*2cm。车载毫米波雷达的尺寸受限,我们认为通过算法的优化、天线内置等方式可以在保障性能的前提下,压缩尺寸,便于车企进行灵活的设计安装。 3) 功耗方面:Yole测算,4D毫米波雷达当前功耗约为20W。但考虑到车载传感器、通信模块数量的增加,单颗功耗下降或将便于整车系统设计。Yole预测,4D毫米波雷达单颗功耗有望降至10W以下。随着汽车电气化的发展,设备的功耗将变得愈发重要。 此外,4D毫米波雷达的灵活性与可扩展性,多目标检测的能力也有望得到提升。 毫米波雷达始终在寻求性能与成本的平衡。我们可以将毫米波雷达的发展拆分成成本/性能两个驱动力的相互作用: 1)成本驱动(从基于GaAs的传统雷达到基于CMOS的单芯片集成方案):探寻了成本最优解。为了降低成本,采用了硬件集成、CMOS工艺转换,工艺改进的同时提高了雷达的性能表现。 2)性能驱动(从CMOS单芯片集成到4D成像雷达):为了最优化雷达的性能表现,级联,CMOS成为主流;算法优化;信号收发虚拟通道数量提高;点云密度提升,部分成像级雷达像素升级到2k。毫米波雷达的复杂度与成本均有所上升。 我们认为,4D成像毫米波雷达或将进入新一轮的成本驱动发展阶段。在物理设计、天线性能设计、电连接、封装工艺和材料、散热处理、可靠性与自动化测试等方面进行持续优化,推出可大规模量产的高性能毫米波雷达解决方案。 从市场空间的角度看,全球毫米波雷达市场增长潜力大。根据Yole,2021年全球毫米波雷达市场规模为58亿美元;其中标准/4D/成像/OMS毫米波雷达分别为54/3/<1/<1亿美元;预计到2027年全球毫米波雷达市场规模有望到达128亿美元;2021-2027E的CAGR为14%;其中标准/4D/成像/OMS毫米波雷达分别为45/35/43/5亿元,2021-2027E的CAGR分别为-3/48/109/119% 4D毫米波vs其它传感器 技术上看,替代还是互补? 我们认为性能上看,4D毫米波雷达未来或可在分辨率上逼近16-64线的激光雷达。4D毫米波相较于激光雷达的主要优缺点有: 优点:1)不受天气影响。毫米波的分辨率越高,穿透能力越强、大气衰减小、受雨雪烟尘等天气影响小,故而毫米波雷达具有全天时全天候的工作能力。2)测速。可通过多普勒效应直接测速,并且测速精度较高,可以对摄像头等其他传感器形成互补。3)成本低。4D毫米波雷达主流方案是基于硅基的CMOS,成本较激光雷达更低。4)测距长。4D毫米波雷达可实现300m甚至更远范围的覆盖,激光雷达一般感知距离在210-250m左右;5)穿透性强在一些场景上表现更优。例如理论上可以直接通过穿透实现对前前车的识别与探测。 缺点:1)性能不及激光雷达。目前4D毫米波雷达的方位角*俯仰角分辨率1 *1度左右;激光雷达可达到0.1*0.1度。2)多普勒效应的局限性。在对横向移动的物体、距离较近的两辆车、人车等场景的识别上尚存在缺陷。 基于毫米波雷达/激光雷达分别在全天候工作能力/对物体的精准检测识别等方面有一定程度的不可替代性,我们认为长期来看,在自动驾驶、高级别辅助驾驶阶段,4D毫米波雷达与激光雷达并非替代关系。另一方面,如何实现感知层的前融合、算法处理能力的提升或将是激光雷达、4D毫米波雷达充分发挥技术优势,将“科技感”、“安全感”转化为自动驾驶性能提升的关键。 短期考虑低阶辅助驾驶对传感器性能的要求较低、主机厂的降本压力较大,4D毫米波雷达或将率先实现规模化量产上车。 成本上看,共生还是共灭? 从单个传感器的角度看: 毫米波雷达的成本区间大致为30-80美元,4D毫米波雷达的成本约为300美元。硬件BOM拆分:射频前端MMIC(包括发射、接收、及信号处理器)的成本约占50%、PCB(包括接收、发射天线)的成本约占20%、DSP/FPGA的成本约占20%;其它硬件成本约占10%。由此可见,MMIC芯片与天线是4D毫米波雷达成本的重要组成部分,也是未来降本的关键领域。 根据加特兰微电子在接受EET的采访时表示,毫米波雷达成本在CMOS SoC+AiP的技术下可实现大幅缩减,较CMOS SoC/CMOS/SiGe/GaAs方案分别节约25/50/70/85%的成本。 从整个智能驾驶硬件BOM的角度看: 我们基于市面上主流高级别辅助驾驶的硬件配置成本测算[1]。当前各品牌旗舰车型智能驾驶硬件的平均总成本为10,531元;其中激光雷达占26.8%、摄像头占24.4%、毫米波雷达占17.6%、芯片占11.6%、高精度地图与定位占10.2%、V2X占5.7%、超声波雷达占3.7%。 4D毫米波的市场规模测算 1) 汽车销量:根据公安部2022年3月数据,我国千人汽车保有量约为210辆,距离发达国家每千人四百辆的汽车保有量仍有差距。叠加经济复苏等宏观因素向好,我们预测2022-2030年中国新能源汽车销量的CAGR为20%;整体汽车销量的CAGR为2%,维持低个位数增长。 2) 智能驾驶:乘用车L2级辅助驾驶将成为标配。考虑到L3级以上级别自动驾驶所面临的法规、权责、以及技术长尾问题,我们预测2025年之前,辅助驾驶配置向L2/L2+级别升级(ADAS)将是大规模商业化落地的主要方向。具体而言,我们预测L0/L1级车型将向L2升级,L2以下级别渗透率将由2021年的71.6%下降到2030年的29.3%,而L2级别智能驾驶渗透率将由2021年的28.4%上升至2030年的59.9%,L3及以上级别智能驾驶取得一定的突破。 3) 4D毫米波雷达:受汽车智能化趋势的影响,我们预测2030年中国4D毫米波雷达市场规模有望达到449亿元。 4D毫米波的技术路线探讨 前端收发模块MMIC:级联、CMOS、AiP 设计:级联、单芯片、虚拟孔径 4D毫米波雷达的技术路线主要分为三种,分别是多级联、级联+虚拟孔径成像技术、以及集成芯片。(1)多级联:级联方案以成熟的标准雷达芯片为基础,在业内得到广泛应用。(2)集成芯片:集成芯片方案集成度更高,对技术应用的要求提升。(3)级联+虚拟孔径成像:级联+虚拟孔径成像方案通过算法实现天线数量倍增。 级联方案开发难度低、产品落地快,成为国外内为主流技术路线。TI在公司早期推出的毫米波雷达芯片AWR1243中通过发射FMCW信号来探测目标的距离和速度,而使用时分波形的方式将三个发射和四个接收构成的12个虚拟通道来探测角度,然而受限于角度分辨率,其获取的目标信息有效。而毫米波雷达系统级联方案,通过将四个三发四收的单个MIMO芯片级联方案可以构成12发16收的MIMO雷达阵列,此时雷达系统的虚拟通道数可从12提升到了192,该方法可以极大地提升雷达系统的角度分辨率。目前大部分毫米波雷达公司,包括国内、国外、传统、头部的雷达供应商,都采用级联的方式实现,一般采用2片或者4片级联的技术方案。级联的方式很多时候比单芯片方式更合适,效果和可行性更好。比如一个芯片的集成度非常高,单个芯片就要做得很大,因为单入单出非常占面积,成本也会很高。另外一个问题就是单芯片天线通道高频段耦合互耦非常强,这是一个很不好的设计。即使通过精心设计消除互耦,也存在同一芯片中通道拉的远的传输距离远导致损耗大的问题,但如果采用分布式或级联的解决方案,就能很好的解决这个问题。 MMIC工艺:GaAs-SiGe-CMOS MMIC芯片工艺改进(GaAs-SiGe-CMOS)推动车载毫米波雷达系统成本持续下行。 1)GaAs工艺时代(1990年-2009年):早期PCBA上大部分的器件都可以使用硅来制造,只有射频部分没有办法使用,主流都是采用砷化镓(GaAs)的工艺来制造;由于砷化镓工艺所需要的材料比较稀缺,不管是材料成本和制造成本都比较高,对于生产线的要求也很高。因此在2009年之前,毫米波雷达中的前端射频芯片最初也是使用的GaAs工艺,而且集成度很低,一个毫米波雷达需要7-8颗MMICs、3-4颗BBICs。 2)SiGe工艺时代(2009年至今):SiGe(锗硅)拥有硅工艺的集成度、良率和成本优势,从2009年开始SiGe工艺逐渐代替GaAs工艺,毫米波雷达前端射频芯片的集成度大幅提升,一个毫米波雷达只需要2-5颗MMICs、1-2颗BBICs,毫米波雷达整个系统成本降低50%。 3)CMOS工艺时代(2017年至今):最初CMOS工艺没法用在毫米波雷达芯片,是因为不能工作在高频中,以180nm为例,SiGe可以工作在180GHz以上,而CMOS工作频率只能达到40GHz;直到2010年工艺进步到40nm,才使得CMOS用于77GHz毫米波雷达成为可能。由于CMOS晶圆价格便宜且集成度非常高,一个毫米波雷达只需要1颗MMIC芯片、1颗BBIC芯片。 波形:FMCW、PMCW 目前车载毫米波雷达多采用连续调频式(FMCW)。顾名思义,调频连续波是连续发射调频信号,以测量距离、角度和速度等。在该方法中,在特定周期T内对特定频率的连续波进行调频,同时传输该连续波。以这种方式传输的信号可以被视为“带有时间戳”。发射波到达目标,其中一部分被反射。雷达接收到的反射波与原始信号混合、比较,进行信号处理。相对其他电磁波雷达,调频连续波雷达发射功率较低、成本低且信号处理相对简单,被毫米波雷达厂商广泛使用。 调相连续波(PMCW)雷达会根据码序列,由正交调制器对载波进行相位调制后发送,接收来自目标的反射信号,由正交检测器根据发送的载波信号进行正交检波,在LPF中消除谐波。用ADC将检波输出的实部(I)和虚部(Q)转换成数字信号,用数字滤波器进行频带限制后,用相关器计算发送码系列和接收码系列的相关值,通过峰值检测来检测目标。PMCW毫米波雷达技术,相较于传统的FMCW雷达,具备探测距离更远、分辨率更高、抗干扰能力更强等优势。目前,Uhnder有一款28nm,具有12TX/16RX通道收发器的产品,使用自己的软件来实现带数字编码调制(DCM)的相位调制连续波形(PMCW),有助于通过使用几乎独特的相位编码探测信号来消除相互的雷达干扰。 天线:分立-AoB-AiP 射频前端收发模块集成有分立模式、AoB、AiP三次技术路线。AoB(板载天线)是指将天线贴在高频PCB板上;AiP(封装天线)是指将天线和芯片集成封装到一起,天线采用IC封装工艺制作。相比于AoB,AiP具有以下优势: 1) 带有天线封装的雷达传感器的板级面积比采用AoB的传感器的天线所占板级空间的面积小约30%。 2) 降低高频PCB基板面积,可以降低BOM成本。 3) 由毫米波雷达芯片厂商做了天线设计部分,毫米波雷达系统厂商无需做天线设计和开发,可以降低工程成本。 4) 由于从硅芯片到天线的路径更短,因此可以实现更高的效率和更低的功耗。 小型化、增加新的应用场景、易安装、低成本是AiP技术的核心优势。考虑到未来车载4D毫米波雷达的发展趋势,采用AiP技术将带来更小的雷达尺寸、更低的雷达成本、更灵活的应用场景。 系统:分立-模块合成-SoC集成 4D毫米波雷达系统结构集成技术经历了分立模式、模组合成、SoC集成三次技术升级,我们认为,SoC集成是未来发展趋势。MMIC、DSP(数字信号处理器)、MCU(微控制器)是4D毫米波雷达的核心部件,不同的系统结构集成技术代表了这三个部件不同的集成方式: 1) 分立模式:指MMIC,DSP和MCU模块都分开,可由不同的供应商提供产品 2) 模组合成:MMIC与DSP集成,或者DSP与MCU集成 3) SoC集成:SoC(SystemonaChip)是指将多个电子元件、模块或者子系统集成到一块芯片上的技术。这里指将MMIC,DSP,MCU集成在雷达SoC芯片上 低成本、小型化、高性能、低功耗是SoC集成最大优势,也符合车载4D毫米波雷达未来的发展趋势: 1) 高集成带来的直接优势就是高性价比,因为可以用单SoC方案解决以前用三个子系统组成的毫米波雷达传感器,这显著降低了毫米波雷达的成本,大幅拉低了车载毫米波雷达硬件的开发难度。 2) 将各个部件集中在一块芯片上,可以减小毫米波雷达体积。 3) 各部件排布更为紧密,有效较少了各部件之间信息传输的损耗,提高了信息传输效率。 4D毫米波雷达产业链 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,中游包括成品毫米波雷达的生产企业,下游则为主机厂。1)MMIC芯片目前主要来自恩智浦、英飞凌、德州仪器、Mobileye等海外芯片设计公司,我国国产实力相对薄弱,国内厂商有加特兰微电子、清能华波、矽杰微电子等。2)上游PCB方面,主要企业包括Rogers、Isola以及国内的沪电股份、生益电子、深南电路等。3)整机/解决方案供应商方面,传统Tier1普遍采用级联技术在4D产品量产方面走在前列,主要为Arbe、博世、大陆、海拉等,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产品通道数具备较强竞争力。国内主要整机厂商包括经纬恒润、威孚高科、华域汽车、森思泰克等。 传统毫米波雷达市场:主要被海外企业主导。毫米波雷达市场主要被海外企业主导,国外企业包括博世、大陆、电装Denso、海拉、富士通、采埃孚等。根据高工智能汽车测算,2021年仅博世、大陆两家企业就占据了国产乘用车市场超过50%的市场份额。 4D毫米波市场:国内上车量产快,MMIC芯片和软件算法仍是稀缺标的。国内市场方面,4D毫米波雷达已搭载于上汽集团旗下飞凡汽车、长安汽车旗下深蓝品牌等量产车型,产品量产速度领先。但是,在车载毫米波雷达中,MMIC芯片和软件算法等关键部件仍被国外企业掌控,而如博世、恩智浦等企业在软件硬件层面具备双重优势,各类MMIC、DSP、FPGA、CMOS芯片产品也以过硬的品质成为业内首选。软件方面:国内目前急缺类似华为这种能够在软件算法软件有所突破的供应商;芯片供应商方面:开始有了一定的积累,如CMOS供应商中国电科、加特兰、岸达科技等。 风险提示: 智能驾驶渗透率不及预期;新产品迭代速度不及预期。受到技术长尾问题、汽车销量不振等因素的影响,智能驾驶软硬件迭代的速度或将慢于预期。 本研报中涉及到未上市公司或未覆盖个股内容,均系对其客观公开信息的整理,并不代表本研究团队对该公司、该股票的推荐或覆盖。 相关研报 研报:《4D毫米波雷达:智驾普及的新路径》2023年4月13日 黄乐平 S0570521050001 | AUZ066 陈旭东 S0570521070004 | BPH392 张 宇 S0570121090024 | BSF274 郭春杏 S0570122010047 | BTP481 汤仕翯 S0570122080264 关注我们 华泰证券研究所国内站(研究Portal) https://inst.htsc.com/research 访问权限:国内机构客户 华泰证券研究所海外站 https://intl.inst.htsc.com/mainland 访问权限:美国及香港金控机构客户 添加权限请联系您的华泰对口客户经理 免责声明 ▲向下滑动阅览 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