最受歡迎的新型傳感器之一：?jiǎn)涡酒走_(dá)片上系統(tǒng)(system-on-chip，SoC)，其在汽車中的廣泛采用大幅提高了銷量，從而促進(jìn)了價(jià)格的下降。這些精密的IC器件對(duì)汽車制造商而言至關(guān)重要，對(duì)其它應(yīng)用也同樣有很大的吸引力。在汽車應(yīng)用領(lǐng)域，盡管IC器件將繼續(xù)占據(jù)主導(dǎo)地位，設(shè)計(jì)人員也在探索一系列新用途可以提高安全性和便利性。

誰(shuí)能想到單芯片雷達(dá)呢?雖然現(xiàn)在多個(gè)制造商已經(jīng)設(shè)計(jì)制造出多種形式的單芯片雷達(dá)。大多數(shù)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出24GHz、76-81GHz、94GHz頻段的芯片。盡管連續(xù)波(continuous-wave，CW)和脈沖類型都是可用的，全球大多數(shù)國(guó)家都使用77MHz調(diào)頻連續(xù)波(frequency-modulated continuous-wave，F(xiàn)MCW)方案。其中一些器件由鍺硅(以下簡(jiǎn)稱SiGe)制成，但是最新版本由互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體(以下簡(jiǎn)稱CMOS)或雙極互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體(以下簡(jiǎn)稱BiCMOS)組成。應(yīng)用于汽車或其它行業(yè)的完整模塊由一些公司提供。單芯片雷達(dá)所具有的獨(dú)特功能使其在某些新應(yīng)用中成為其它傳感器具有吸引力的替代品。

作為一款芯片上的雷達(dá)系統(tǒng)，大多數(shù)工程師傾向于根據(jù)其原始用途按認(rèn)知對(duì)器件進(jìn)行分類。但是，最好是將單芯片雷達(dá)視為另一種類型的傳感器。因此，當(dāng)尋找一款能夠接近檢測(cè)物體、運(yùn)動(dòng)傳感，或進(jìn)行物理測(cè)量的器件時(shí)，毫米波雷達(dá)意外當(dāng)選。

圖1 調(diào)頻連續(xù)波的線性調(diào)頻信號(hào)通常用于76~81GHz頻段

雷達(dá)主要用于測(cè)量距離、方向(角度)和速度。例如警察用雷達(dá)測(cè)速，棒球運(yùn)動(dòng)場(chǎng)用測(cè)速槍(雷達(dá)槍)來(lái)測(cè)試棒球速度。芯片中的發(fā)射器(Tx)發(fā)射一個(gè)信號(hào)，然后該信號(hào)從遠(yuǎn)程對(duì)象反射回來(lái)并返回到位于發(fā)射端的接收器。發(fā)射器信號(hào)在短時(shí)間內(nèi)頻率呈線性增加，被稱為線性調(diào)頻(見(jiàn)圖1)。線性調(diào)頻以所需的模式重復(fù)。

圖2展示了雷達(dá)收發(fā)機(jī)。返回信號(hào)的頻率在接收器(Rx)和發(fā)射頻率的混合中生成不同的中頻(intermediate frequency，IF)。中頻被數(shù)字化并用于確定移動(dòng)和速度。芯片上的信號(hào)處理電路測(cè)量傳輸時(shí)間，并根據(jù)已知的無(wú)線電波速度計(jì)算距離。由于天線的高度方向性，可以檢測(cè)到位置(方位角)。調(diào)頻雷達(dá)也可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)和速度。片上處理器負(fù)責(zé)計(jì)算，以提供精確的測(cè)量數(shù)據(jù)，靈活且可編程的傳感器，用于多種獨(dú)特應(yīng)用。

圖2 單芯片雷達(dá)收發(fā)器的簡(jiǎn)圖

雷達(dá)傳感器的應(yīng)用

迄今為止，單芯片雷達(dá)的最大應(yīng)用領(lǐng)域是汽車安全。雷達(dá)成為大多數(shù)汽車中先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(advanced driver-assistance systems，ADAS)的核心。自適應(yīng)巡航控制、自動(dòng)剎車、后備箱物體檢測(cè)、盲點(diǎn)檢測(cè)、變道輔助、來(lái)車警告系統(tǒng)都采用了雷達(dá)技術(shù)。目標(biāo)是減少駕駛員失誤，從而減少車禍次數(shù)和傷亡人數(shù)。目前為止，上述目標(biāo)正在實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，這些新的子系統(tǒng)非常有效，因此政府正在強(qiáng)制所有汽車安裝先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)。

而且，雷達(dá)對(duì)無(wú)人駕駛汽車的成功而言至關(guān)重要。它們輔助先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)中的攝像頭、激光雷達(dá)(LiDAR)和超聲波傳感器檢測(cè)周圍的物體，并在車輛周圍生成合成視圖。雷達(dá)在惡劣天氣條件下尤為有用，即使在霧、雪、雨和黑暗的環(huán)境中也能工作，不會(huì)影響到攝像頭和激光雷達(dá)傳感器。處理器接收傳感器輸入，然后執(zhí)行人工智能算法以做出所有駕駛決策。

毫米波傳感器還能做什么?例子之一就是油箱中的液位傳感器。許多工業(yè)、過(guò)程控制和公共服務(wù)應(yīng)用都需要用到某種形式的液位測(cè)量。

另一個(gè)較為有趣的用途是照明控制。雷達(dá)傳感器檢測(cè)到人或移動(dòng)，在有人或物體時(shí)開(kāi)燈，在空無(wú)一物的情況下關(guān)燈。空調(diào)系統(tǒng)(HVAC)的使用也能從該方法中受益。毫無(wú)疑問(wèn)，通過(guò)這種方法感知人體，能夠在建筑物、停車場(chǎng)和選定的街道節(jié)省大量的能源。

雷達(dá)也可以進(jìn)軍機(jī)器人和無(wú)人機(jī)領(lǐng)域。一些制造機(jī)器人需要確定范圍、速度和運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化工廠和其它應(yīng)用中的智能計(jì)時(shí)和機(jī)械臂定位。軍事偵察和武器機(jī)器人將有可能從想象轉(zhuǎn)為現(xiàn)實(shí)。此外，雷達(dá)可以使無(wú)人機(jī)變得更為安全，防止撞擊的同時(shí)幫助測(cè)量距離和高度。