雷達(dá)技術(shù)在過(guò)去十年有了很大的發(fā)展。研究人員已經(jīng)能夠使雷達(dá)系統(tǒng)更小、更節(jié)能，同時(shí)提高其性能。由于半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，毫米波雷達(dá)已經(jīng)適合以較低的單價(jià)進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。

汽車(chē)用雷達(dá)傳感器產(chǎn)量的不斷增長(zhǎng)和對(duì)更多智能應(yīng)用的需求將有助于實(shí)現(xiàn)低成本雷達(dá)傳感器。這意味著雷達(dá)技術(shù)正在為下一步做好準(zhǔn)備：日常應(yīng)用于可穿戴設(shè)備、移動(dòng)電話、無(wú)人機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)傳感器和健康監(jiān)測(cè)設(shè)備。例如，谷歌已經(jīng)將英飛凌開(kāi)發(fā)的60GHz雷達(dá)集成到其Pixel4智能手機(jī)中。這個(gè)Soli雷達(dá)可以識(shí)別手勢(shì)，所以用戶可以通過(guò)在屏幕上方揮舞手勢(shì)來(lái)操作手機(jī)。

納米和數(shù)字技術(shù)研發(fā)中心（IMEC）的雷達(dá)項(xiàng)目經(jīng)理說(shuō)："第一臺(tái)安裝雷達(dá)的手機(jī)是一個(gè)極好的技術(shù)展示，但要想真正突破雷達(dá)應(yīng)用，還需要解決一些障礙。" 十年前，imec開(kāi)始探索如何將雷達(dá)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(shù)中是一個(gè)歷史性的突破。"我們希望通過(guò)選擇CMOS而不是硅鍺來(lái)改變現(xiàn)狀。然后，收發(fā)機(jī)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(shì)。"

但要將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到電池供電的設(shè)備中，低能耗是必不可少的?？梢栽谑謾C(jī)、智能手表或無(wú)人機(jī)中集成雷達(dá)芯片，但不想每小時(shí)都給電池充電。目前，降低功率輸出是這一研究領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。

60千兆赫的雷達(dá)，無(wú)所不能

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

8月，imec展示了一個(gè)低功耗60GHz雷達(dá)芯片的原型（圖1）。由于采用了新的收發(fā)機(jī)架構(gòu)，該系統(tǒng)的功耗僅為62兆瓦，與該頻率范圍內(nèi)最先進(jìn)的雷達(dá)相比明顯更低?？焖賳?dòng)時(shí)間（1微秒）支持積極的工作循環(huán)，進(jìn)一步降低功率。4.15 mm2收發(fā)器芯片集成了28nm大塊CMOS技術(shù)，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(dá)模塊

imec的研究人員使用了調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)，它具有高效集成到CMOS技術(shù)中的優(yōu)勢(shì)。此外，這種雷達(dá)結(jié)構(gòu)允許測(cè)量絕對(duì)距離和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度。FMCW雷達(dá)在特定帶寬上調(diào)制發(fā)射的無(wú)線電波的載波頻率。這是通過(guò)產(chǎn)生啁啾來(lái)實(shí)現(xiàn)的：根據(jù)鋸齒函數(shù)，頻率隨時(shí)間線性增加。當(dāng)反射波返回時(shí)，根據(jù)頻率差可以確定到目標(biāo)的時(shí)間延遲和距離。"為了精確探測(cè)，需要線性調(diào)節(jié)。還需要達(dá)到一個(gè)高調(diào)制頻率，因?yàn)閹挍Q定了分辨率。最大的挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)一種既能滿足所有這些條件又不消耗太多能量的雷達(dá)。

Imec的新雷達(dá)設(shè)計(jì)正是實(shí)現(xiàn)了這一挑戰(zhàn)。低功率雷達(dá)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(xì)分辨率，使其適用于手指運(yùn)動(dòng)、手部滑動(dòng)和手勢(shì)的3D傳感。實(shí)驗(yàn)還證明了該傳感器的室內(nèi)多目標(biāo)檢測(cè)能力、5米處的心跳檢測(cè)能力以及對(duì)行人位置和速度的精確跟蹤（圖2）。

圖2.實(shí)驗(yàn)證明，室內(nèi)多目標(biāo)檢測(cè)、5米處心跳檢測(cè)以及對(duì)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(guó)家，ISM頻段在57到66 GHz之間是免許可證的，而在大多數(shù)國(guó)家，這一頻段是為汽車(chē)應(yīng)用預(yù)留的。這種自由使工業(yè)和醫(yī)療目的的新物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用得以發(fā)展。

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

在健康方面，雷達(dá)應(yīng)用可以提高監(jiān)測(cè)生命體征的可靠性和舒適性。例如，通過(guò)雷達(dá)進(jìn)行心跳監(jiān)測(cè)，與心電圖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，它的侵入性更小。基于雷達(dá)的傳感器也適用于非侵入式跌倒檢測(cè)系統(tǒng)，有助于減少老年護(hù)理的注意力時(shí)間。

此外，這種低功耗雷達(dá)芯片可以集成在電池供電的設(shè)備中，包括健身跟蹤器和智能手機(jī)。 這尤其為個(gè)性化的醫(yī)療保健或體育運(yùn)動(dòng)開(kāi)辟了新的可能性。試想一下，一部手機(jī)可以在3D中自動(dòng)記錄網(wǎng)球擊球，或者一部可穿戴的手機(jī)可以分析跑步過(guò)程中身體不同部位的具體動(dòng)作?；蛘呦胂笠幌拢差^柜上的一部手機(jī)可以通過(guò)跟蹤呼吸頻率和心率變化來(lái)監(jiān)控睡眠質(zhì)量。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，雷達(dá)將塑造我們?nèi)绾闻c智能設(shè)備互動(dòng)。如果雷達(dá)芯片可以集成到手機(jī)中，那么它也可能集成到其他設(shè)備中。雷達(dá)技術(shù)不僅可以取代刷卡，還可以取代鍵盤(pán)或鼠標(biāo)，實(shí)現(xiàn)直觀的人機(jī)交互。雷達(dá)傳感器可以跟蹤手掌的移動(dòng)，以便在屏幕上進(jìn)行交互。甚至可以用手控制增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)或虛擬現(xiàn)實(shí)，或與全息圖互動(dòng)。其應(yīng)用范圍之廣是人們所能想象的。