單芯片毫米波傳感器步入CMOS時代

　　通過充分利用互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術，并將嵌入式微控制器(MCU)和數字信號處理(DSP)以及智能雷達前端集成在內，TI日前推出了橫跨具有完整端到端開發平臺的76-81GHz傳感器系列：AWR1x和IWR1x。全新毫米波傳感器產品組合中的5款器件都具有小于4厘米的距離分辨率，距離精度低至小于50微米，范圍達到300米。同時，功耗和電路板面積相應減少了50%。

　　告別鍺硅

　　其中，AWR12主要應用于自適應巡航、AEB等強調高精度、高速度的長距離雷達應用;AWR14則增加了MCU(采用ARM Cortex-R4F核)，可以在一些以前非常規車身傳感器檢測應用上面發揮作用，例如開門預警、車周探測、檢測駕駛員的呼吸和心跳、以及乘員監測等;AWR16是一個單芯片解決方案，集成了RF、MCU和DSP處理功能，其典型應用就是檢測車周邊的環境，包括盲點檢測、防后方碰撞/警告、車道變更輔助、交通路口警報等，并由此在車輛周圍建立起3D感知環境。

　　目前大多數商用雷達系統，特別是高級駕駛員輔助系統(ADAS)中的雷達系統，均基于鍺硅(SiGe)技術。盡管性能符合要求，但TI汽車雷達產品營銷總監Sudipto Bose認為其主要缺點在于體積過大、過于笨重，占用了大量電路板空間。“要建立起完整的車輛3D感知系統，至少要在汽車的前、后以及車角處放置10個雷達傳感器，空間上的限制就要求每個傳感器必須體積更小、功耗更低，并且性價比更高，基于SiGe技術的雷達系統會越來越難以符合要求。”

　　TI汽車雷達產品營銷總監Sudipto Bose

　　以79GHz頻段為例，該頻段可提供4GHz帶寬，這對更高范圍的分辨率至關重要。未來的雷達系統還將需要對短距離的支持，將更佳的角分辨率轉化為雷達系統內的更多天線。而CMOS技術的傳統優勢包括更高的晶體管密度和更低功率。CMOS內的數字縮放降低了功率，縮小了尺寸，并且提高了每個節點的性能。同時，CMOS技術進一步提高了在模擬組件中嵌入數字功能的能力，從而實現了在雷達系統部署方面的全新系統配置和拓撲。

　　為什么選擇76-81GHz頻段?

　　通常，開發人員在車輛中創建美國汽車工程師學會(SAE)國際2級及以上功能時會遇到阻礙，主要來自傳感器尺寸和為特定組件供電。通過配置TI AWR1x 毫米波產品組合，設計人員不但可以實現汽車安全完整性等級(ASIL-B)的ISO 26262，還提供了自動泊車輔助、行人探測，以及承載率和駕駛員監控等全新特性。

　　智能化與環境靈活性方面，AWR1x系列可以動態地適應不斷變化的情況與條件，支持多種功能模式，以避免誤報，并為多種應用提供大范圍的感測。“動態頻率調節是一個非常重要的功能。”Sudipto Bose說，隨著車載雷達的運用越來越多，車輛需要能夠自主感知到對方車輛雷達的頻率，并經由車內電控單元和總線進行實時動態調整。同時，雷達傳感器還必須要能夠透過塑料、干燥墻壁、衣服、玻璃和很多其它材料，以及穿過光照、降雨、揚塵、下霧或霜凍等環境條件進行感測。

　　之所以選擇76-81GHz頻段，而不是其他廠商看好的24GHz頻段，Sudipto Bose解釋說，從24GHz向77GHz遷移已經是“大勢所趨”，因為雷達探測的準確率取決于雷達發射脈沖的有效頻段，24GHz中只有0.5兆帶寬用來取樣，但77GHz中就會多達5-6G，從而帶來精度的大幅提升。此外，77GHz的天線較短，1/4波段的天線設計將比24GHz縮小1/3，整個產品做出來會比24GHz小很多。

　　將毫米波感測引入到工業應用中

　　毫米波傳感器技術在汽車領域非常成功，不過設計人員目前正在解決這項技術擴展至其它市場時所面臨的挑戰，比如說樓宇和工廠自動化應用領域。上述領域所遇到的問題是，此前的雷達系統都是分立式設計，導致了復雜的硬件設計和軟件開發，提高了準入門檻。

　　“但單芯片10mmx10mm IWR1x傳感器的推出，降低了毫米波感測的準入門檻。”TI工業雷達產品營銷總監Robert Ferguson說，借助IWR1x傳感器，用戶就不用再去處理分立式前端、模數轉換器和處理器件之間的復雜高速數據和通信走線，也不用處理額外尺寸、功率和支持它們的相關物料清單成本。而且這個集成度還簡化了軟件設計過程，極大簡化了器件配置、監控和校準。通過利用包括示例算法和軟件庫在內的TI毫米波軟件開發套件(SDK)，工程師可以在不到30分鐘內開始他們的應用設計工作。

　　Robert Ferguson列舉了三個最為典型的工業應用場景：液位感測、交通監控和無人機。

　　液位感測是工廠內倉儲和測量不同化學品的一個重要部分。由于這些化學品具有腐蝕性或毒性，必須在非直接接觸的情況下測量剩余的液體體積。mmWave感測提供高精度測量值，并且在灰塵、煙霧或極端溫度等環境條件下具有穩健耐用性。IWR1x 射頻前端是高度線性的，其超寬(連續4GHz，5GHz拼接)帶寬可以在深度1m至80m的液罐內實現極精確的亞毫米測量。針對77GHz級發射器參考設計的功率優化設計給出了如何優化在4-20mA功率受限系統內運行的IWR1443。

　　交通監控的目的在于通過掌握與車輛和行人有關的特定信息和遙感數據，對路口的情況做出及時應對，并且搜集交通統計數據，以提高運輸效率。毫米波傳感器可以實現對車輛位置和速率的測量，并且能夠探測速率高達300kph、距離在150m和更遠范圍以外的物體。

　　為了實現安全性、提高平臺的生產力，無人機設計人員面臨諸多挑戰，包括使無人機能夠探測障礙，并且在最危險的飛行情況下為操作人員提供輔助。無人機要求高速物體探測功能，并且能夠在100m距離內跟蹤大小為數厘米的物體，比如當無人機接近地面或在物體周圍運行時。由于無人機是由電池供電運行的，為了延長飛行時間和提高有效負載，解決方案應尺寸小巧、重量輕。