片上雷达系统的多功能性：ADAS和健康监控等

片上雷达系统涵盖了许多行业，从自动驾驶汽车到连续测量的医疗设备。片上雷达系统灵活性的秘诀是什么？

十年前，很难想象自动驾驶汽车在不久的将来是可行的。我们对雷达等技术拥有许多自动驾驶方面的进步，这些技术正在汽车行业掀起一场革命。

但是，雷达是一种通用技术，其用例超出了汽车行业。例如，雷达系统的进步可以在不将设备嵌入人体的情况下主动监控患者的健康。这些设备不仅可以解决隐私问题，同时确保在紧急情况下快速响应。

什么是芯片雷达？

传统上，雷达的使用仅限于军事目的。但是，随着半导体技术（CMOS，BiCMOS）的制造的进步，已经可以制造片上雷达。

如今，片上雷达已在消费市场上大量存在。雷达信号既可以“看见”几公里外墙壁的物体，也可以创建人体内部的图像。

第一代片上雷达包括一个低噪声放大器（LNA），一个双平衡电阻混频器，一个压控振荡器（VCO）和一个有源巴伦缓冲放大器。在下图中，芯片组使用正交接收器体系结构。

贝尔实验室的早期连续波雷达传感器芯片之一，图片由  Changchang Li等提供。

从那时起，已经提出，开发和商业化了各种架构以创建完全集成的雷达传感器芯片。

雷达系统

一个雷达系统一般包括一个雷达收发机，天线和电路，以处理/提取信息从雷达信号。雷达收发器包括信号合成器，功率放大器（PA），低噪声放大器（LNA），混频器和基带电路。

现代雷达将所有关键电路集成到单个芯片或PCB中。由于特征尺寸小，因此可以使用复杂的嵌入式信号处理和控制电路在单个芯片上部署各种消费类应用。

与基于摄像头的技术相比，雷达系统可以轻松获得目标的范围，速度和角度，而不受极端天气的影响。这完全使雷达得以在自动驾驶汽车，医疗保健监控设备和物联网应用中大量使用。

60 GHz微雷达系统级封装，图片由Te-Yu Kao提供。

雷达系统可以根据传输信号的类型分为两类：连续波（CW）雷达和脉冲雷达。

两种类型的雷达都有不同的子类别。例如，单音连续波雷达，FMCW雷达和FSK雷达是连续波雷达的类型。在较高的发射信号频率下，雷达的检测灵敏度和分辨率会提高；这就是为什么毫米波范围内的FMCW雷达芯片在道路安全方面非常受欢迎的原因。

汽车应用中的雷达芯片

雷达系统的功能通过相控阵，数字波束成形和多输入多输出（MIMO）技术不断扩展。

雷达和波束成形

例如，特斯拉Model 3使用一个雷达（Continental ARS4-A）并具有数字波束形成功能，可扫描短距离和远距离。这用于转发碰撞警告，紧急制动辅助，碰撞缓解或自适应巡航控制（ACC）。

RFISee和Vayyar这两家公司提供了很有前景的产品，它们分别与雷达系统一起使用相控阵和MIMO技术。

雷达和相控阵技术

RFISee发布了业界首个相控阵4D成像单芯片雷达。高分辨率，低成本的雷达传感器可以生成汽车周围物体的实时3D位置和速度图。

由于相控阵是一项昂贵的技术，因此在汽车工业中的使用一直是一个令人关注的问题，这就是为什么雷达的使用最初仅限于先进的军事系统（例如F-35战斗机）的原因。借助RFISee的片上雷达解决方案，接收机可以确保大大改善的雷达图像，更好的信噪比以及对障碍物（例如汽车和行人）的检测范围，Vayyar表示，该范围是现有雷达的六倍。

该公司表示，顶级汽车原始设备制造商和Tier-1s正在评估RFISee雷达的原型。

VYYR2401A1 IC，图片由Vayyar提供。

雷达和MIMO技术

以色列的另一家创业公司Vayyar最近开发了基于MIMO技术的汽车级雷达芯片。该芯片具有72个发射器和72个接收器，覆盖了3 GHz-81 GHz的成像和雷达频带。Vayyar的传感器通过带有大型内部存储器的集成高性能DSP进行了增强，无需外部CPU即可执行复杂的成像算法。

Vayyar还为智能家居和机器人等应用提供基于雷达的成像解决方案。相比之下，RFISee的基于相控阵的雷达系统专门针对汽车应用。

用于生物医学设备的雷达芯片

在医疗应用中，雷达可以检测到人体内部较小的介电不连续性和较小的器官运动。这使雷达系统能够识别许多健康状况，包括肿瘤和心肺状况。一种替代乳腺癌检测的有希望的替代方法是UWB雷达而不是X射线。

雷达在生物医学设备中的另一个重要应用是非接触式健康监测。雷达用于将RF信号发送给人并接收反射的回声，该回声可检测人的速度和绝对距离。

当人跌倒且无法通过电话或呼叫按钮呼叫紧急帮助时，此应用程序很有用。在这些情况下，可以检测到跌倒并要求医疗护理的设备可以挽救生命。

Imec的60 GHz雷达模块，图片由Imec提供。

近期在IEEE RFIC上，来自Imec的研究人员介绍了一种紧凑且节能的60 GHz雷达系统，该系统可以集成到智能健康设备中，例如智能手机，健康监测系统或可穿戴设备。

Imec雷达技术项目经理Barend van Liempd说：“雷达使此类设备能够感知周围环境，从而塑造我们控制和使用这些设备的方式。例如，您的手机上集成了雷达床头柜可通过非接触式跟踪呼吸速率和心率变异性来监测睡眠质量。”他解释说。

雷达芯片的未来是什么？

雷达芯片已经在汽车工业中找到了坚实的基础，并且可以以低成本在许多消费类设备中使用。各种汽车制造商都在自己的ADAS技术中采用雷达。这里最终的好处是道路上的公共安全。

相比之下，生物医学设备中雷达芯片的繁荣仍遥遥无期。一些团队发现雷达传感器在COVID-19期间很好地用于监视建筑物的使用情况。这些智能建筑中的雷达系统可以测量房间的使用情况，以进行社交疏散，甚至可以监测个人的心跳和体温以进行感染。

考虑到COVID-19的爆发，当时世界上没有有效控制疾病传播的基础设施，因此雷达系统等技术将来可能会在生物医学设备中产生巨大收益。