可感知到生命特征的设备，只需要一颗低功耗雷达芯片

雷达技术在过去十年有了很大的发展。研究人员已经能够使雷达系统更小、更节能，同时提高其性能。由于半导体技术的进步，毫米波雷达已经适合以较低的单价进行大规模生产。

汽车用雷达传感器产量的不断增长和对更多智能应用的需求将有助于实现低成本雷达传感器。这意味着雷达技术正在为下一步做好准备：日常应用于可穿戴设备、移动电话、无人机、物联网传感器和健康监测设备。例如，谷歌已经将英飞凌开发的60GHz雷达集成到其Pixel4智能手机中。这个Soli雷达可以识别手势，所以用户可以通过在屏幕上方挥舞手势来操作手机。

纳米和数字技术研发中心（IMEC）的雷达项目经理说："第一台安装雷达的手机是一个极好的技术展示，但要想真正突破雷达应用，还需要解决一些障碍。" 十年前，imec开始探索如何将雷达传感器从笨重的系统转换为紧凑的集成解决方案。集成到普遍可用的CMOS技术中是一个历史性的突破。"我们希望通过选择CMOS而不是硅锗来改变现状。然后，收发机可以集成到数字后处理器中，这提供了缩放CMOS的速度和功率优势。"

但要将这项技术应用到电池供电的设备中，低能耗是必不可少的。可以在手机、智能手表或无人机中集成雷达芯片，但不想每小时都给电池充电。目前，降低功率输出是这一研究领域的一大挑战。

60千兆赫的雷达，无所不能

在较低频率下工作的雷达通常消耗较少的功率，但灵敏度也较低。例如，24ghz雷达将低功耗与中等分辨率相结合，但雷达相对较大。另一方面，如果想用非常高的精度探测微小的运动，140千兆赫的雷达似乎更适合。它将是一个微小的传感器，以增加功耗为代价实现更好的分辨率。介于这两个极端之间的是60GHz雷达，它结合了两个世界的优点。一方面，通过达到2厘米的距离分辨率，该传感器可用于精确的运动检测。另一方面，60千兆赫的雷达可以足够紧凑和节能，集成到微型电池供电的设备中。

8月，imec展示了一个低功耗60GHz雷达芯片的原型（图1）。由于采用了新的收发机架构，该系统的功耗仅为62兆瓦，与该频率范围内最先进的雷达相比明显更低。快速启动时间（1微秒）支持积极的工作循环，进一步降低功率。4.15 mm2收发器芯片集成了28nm大块CMOS技术，确保了高批量生产的低成本解决方案。

图1.低功耗60GHz雷达模块

imec的研究人员使用了调频连续波（FMCW）雷达，它具有高效集成到CMOS技术中的优势。此外，这种雷达结构允许测量绝对距离和运动目标的速度。FMCW雷达在特定带宽上调制发射的无线电波的载波频率。这是通过产生啁啾来实现的：根据锯齿函数，频率随时间线性增加。当反射波返回时，根据频率差可以确定到目标的时间延迟和距离。"为了精确探测，需要线性调节。还需要达到一个高调制频率，因为带宽决定了分辨率。最大的挑战是设计一种既能满足所有这些条件又不消耗太多能量的雷达。

Imec的新雷达设计正是实现了这一挑战。低功率雷达产生的调制波集中在60千兆赫左右，线性频率增加7.2千兆赫（或12%）在51.2微秒。7.2GHz的调制带宽决定了传感器的超精细分辨率，使其适用于手指运动、手部滑动和手势的3D传感。实验还证明了该传感器的室内多目标检测能力、5米处的心跳检测能力以及对行人位置和速度的精确跟踪（图2）。

图2.实验证明，室内多目标检测、5米处心跳检测以及对行人位置和速度的精确跟踪力。

感知生命体征

与79 GHz频段相比，在大多数国家，ISM频段在57到66 GHz之间是免许可证的，而在大多数国家，这一频段是为汽车应用预留的。这种自由使工业和医疗目的的新物联网应用得以发展。

在工业4.0中，雷达使人与机器人协作：为机器人配备传感系统确保了一个安全和高效的生产环境。

在健康方面，雷达应用可以提高监测生命体征的可靠性和舒适性。例如，通过雷达进行心跳监测，与心电图监测系统相比，它的侵入性更小。基于雷达的传感器也适用于非侵入式跌倒检测系统，有助于减少老年护理的注意力时间。

此外，这种低功耗雷达芯片可以集成在电池供电的设备中，包括健身跟踪器和智能手机。 这尤其为个性化的医疗保健或体育运动开辟了新的可能性。试想一下，一部手机可以在3D中自动记录网球击球，或者一部可穿戴的手机可以分析跑步过程中身体不同部位的具体动作。或者想象一下，床头柜上的一部手机可以通过跟踪呼吸频率和心率变化来监控睡眠质量。

从长远来看，雷达将塑造我们如何与智能设备互动。如果雷达芯片可以集成到手机中，那么它也可能集成到其他设备中。雷达技术不仅可以取代刷卡，还可以取代键盘或鼠标，实现直观的人机交互。雷达传感器可以跟踪手掌的移动，以便在屏幕上进行交互。甚至可以用手控制增强现实或虚拟现实，或与全息图互动。其应用范围之广是人们所能想象的。

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