雷達技術在過去十年有了很大的發(fā)展。研究人員已經(jīng)能夠使雷達系統(tǒng)更小、更節(jié)能，同時提高其性能。由于半導體技術的進步，毫米波雷達已經(jīng)適合以較低的單價進行大規(guī)模生產(chǎn)。

汽車用雷達傳感器產(chǎn)量的不斷增長和對更多智能應用的需求將有助于實現(xiàn)低成本雷達傳感器。這意味著雷達技術正在為下一步做好準備：日常應用于可穿戴設備、移動電話、無人機、物聯(lián)網(wǎng)傳感器和健康監(jiān)測設備。例如，谷歌已經(jīng)將英飛凌開發(fā)的60GHz雷達集成到其Pixel4智能手機中。這個Soli雷達可以識別手勢，所以用戶可以通過在屏幕上方揮舞手勢來操作手機。

納米和數(shù)字技術研發(fā)中心（IMEC）的雷達項目經(jīng)理說："第一臺安裝雷達的手機是一個極好的技術展示，但要想真正突破雷達應用，還需要解決一些障礙。" 十年前，imec開始探索如何將雷達傳感器從笨重的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為緊湊的集成解決方案。集成到普遍可用的CMOS技術中是一個歷史性的突破。"我們希望通過選擇CMOS而不是硅鍺來改變現(xiàn)狀。然后，收發(fā)機可以集成到數(shù)字后處理器中，這提供了縮放CMOS的速度和功率優(yōu)勢。"

但要將這項技術應用到電池供電的設備中，低能耗是必不可少的?？梢栽谑謾C、智能手表或無人機中集成雷達芯片，但不想每小時都給電池充電。目前，降低功率輸出是這一研究領域的一大挑戰(zhàn)。

60千兆赫的雷達，無所不能

在較低頻率下工作的雷達通常消耗較少的功率，但靈敏度也較低。例如，24ghz雷達將低功耗與中等分辨率相結合，但雷達相對較大。另一方面，如果想用非常高的精度探測微小的運動，140千兆赫的雷達似乎更適合。它將是一個微小的傳感器，以增加功耗為代價實現(xiàn)更好的分辨率。介于這兩個極端之間的是60GHz雷達，它結合了兩個世界的優(yōu)點。一方面，通過達到2厘米的距離分辨率，該傳感器可用于精確的運動檢測。另一方面，60千兆赫的雷達可以足夠緊湊和節(jié)能，集成到微型電池供電的設備中。

8月，imec展示了一個低功耗60GHz雷達芯片的原型（圖1）。由于采用了新的收發(fā)機架構，該系統(tǒng)的功耗僅為62兆瓦，與該頻率范圍內(nèi)最先進的雷達相比明顯更低?？焖賳訒r間（1微秒）支持積極的工作循環(huán)，進一步降低功率。4.15 mm2收發(fā)器芯片集成了28nm大塊CMOS技術，確保了高批量生產(chǎn)的低成本解決方案。

圖1.低功耗60GHz雷達模塊

imec的研究人員使用了調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達，它具有高效集成到CMOS技術中的優(yōu)勢。此外，這種雷達結構允許測量絕對距離和運動目標的速度。FMCW雷達在特定帶寬上調(diào)制發(fā)射的無線電波的載波頻率。這是通過產(chǎn)生啁啾來實現(xiàn)的：根據(jù)鋸齒函數(shù)，頻率隨時間線性增加。當反射波返回時，根據(jù)頻率差可以確定到目標的時間延遲和距離。"為了精確探測，需要線性調(diào)節(jié)。還需要達到一個高調(diào)制頻率，因為帶寬決定了分辨率。最大的挑戰(zhàn)是設計一種既能滿足所有這些條件又不消耗太多能量的雷達。

Imec的新雷達設計正是實現(xiàn)了這一挑戰(zhàn)。低功率雷達產(chǎn)生的調(diào)制波集中在60千兆赫左右，線性頻率增加7.2千兆赫（或12%）在51.2微秒。7.2GHz的調(diào)制帶寬決定了傳感器的超精細分辨率，使其適用于手指運動、手部滑動和手勢的3D傳感。實驗還證明了該傳感器的室內(nèi)多目標檢測能力、5米處的心跳檢測能力以及對行人位置和速度的精確跟蹤（圖2）。

圖2.實驗證明，室內(nèi)多目標檢測、5米處心跳檢測以及對行人位置和速度的精確跟蹤力。

感知生命體征

與79 GHz頻段相比，在大多數(shù)國家，ISM頻段在57到66 GHz之間是免許可證的，而在大多數(shù)國家，這一頻段是為汽車應用預留的。這種自由使工業(yè)和醫(yī)療目的的新物聯(lián)網(wǎng)應用得以發(fā)展。

在工業(yè)4.0中，雷達使人與機器人協(xié)作：為機器人配備傳感系統(tǒng)確保了一個安全和高效的生產(chǎn)環(huán)境。

在健康方面，雷達應用可以提高監(jiān)測生命體征的可靠性和舒適性。例如，通過雷達進行心跳監(jiān)測，與心電圖監(jiān)測系統(tǒng)相比，它的侵入性更小。基于雷達的傳感器也適用于非侵入式跌倒檢測系統(tǒng)，有助于減少老年護理的注意力時間。

此外，這種低功耗雷達芯片可以集成在電池供電的設備中，包括健身跟蹤器和智能手機。 這尤其為個性化的醫(yī)療保健或體育運動開辟了新的可能性。試想一下，一部手機可以在3D中自動記錄網(wǎng)球擊球，或者一部可穿戴的手機可以分析跑步過程中身體不同部位的具體動作?；蛘呦胂笠幌?，床頭柜上的一部手機可以通過跟蹤呼吸頻率和心率變化來監(jiān)控睡眠質(zhì)量。

從長遠來看，雷達將塑造我們?nèi)绾闻c智能設備互動。如果雷達芯片可以集成到手機中，那么它也可能集成到其他設備中。雷達技術不僅可以取代刷卡，還可以取代鍵盤或鼠標，實現(xiàn)直觀的人機交互。雷達傳感器可以跟蹤手掌的移動，以便在屏幕上進行交互。甚至可以用手控制增強現(xiàn)實或虛擬現(xiàn)實，或與全息圖互動。其應用范圍之廣是人們所能想象的。