當您可以將雷達系統(tǒng)封裝在10mm×10mm的芯片中時，您將得到一種幾年前無法想象的新型傳感器。如今，將雷達芯片用于某些創(chuàng)造性的傳感應(yīng)用已成為一種常見的做法。

工業(yè)和汽車市場迫切需要創(chuàng)新的傳感功能，以協(xié)助車輛，工廠，建筑物和城市更好地感知周圍的環(huán)境，并幫助他們做出更明智的決策。毫米波（mmWave）雷達傳感器的實現(xiàn)方案正在不斷增加和擴展。一些有趣的新示例包括跟蹤老年人，車內(nèi)監(jiān)控和確保機器人安全。本文著眼于德州儀器（TI）的60 GHz雷達如何擴展工業(yè)和汽車傳感器市場。

雷達傳感器與眾不同

實際上，在工業(yè)和汽車應(yīng)用中使用了數(shù)十種甚至數(shù)百種不同類型的傳感器。溫度，壓力，流量，光線和其他常見的物理特性是最經(jīng)常測量或監(jiān)控的。但存在，范圍或距離，運動和速度以及方向角往往難以監(jiān)控。通常，此類測量必須在夜間，惡劣天氣或惡劣的環(huán)境條件下進行。這是雷達傳感器發(fā)揮作用的地方。

完整的雷達傳感器包括雷達芯片，天線和電源。德州儀器（TI）的60毫米毫米波IWR6843雷達傳感器就是這種芯片（圖1），該傳感器通過FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）在60-64 GHz范圍內(nèi)工作。它由三個雷達發(fā)射器，四個雷達接收器以及所有必需的ADC,DAC和合成器組成。

1.顯示的是IWR6443雷達的總體框圖。

IWR6843的另一個主要部分是其處理能力，它由Arm Cortex-R4F 200 MHz MCU組成，以及由TIC674x DSP組成的數(shù)字信號處理器（DSP）部分，可以進行快速傅立葉運算。轉(zhuǎn)換（FFT）和其他高級處理，同時使用內(nèi)存和標準I / O接口。該芯片采用10.4×10.4mm BGA封裝。

發(fā)射機發(fā)出稱為線性調(diào)頻的FMCW信號。這是一個毫米波正弦波，其頻率在40 μs的時間內(nèi)從60 GHz增加到64 GHz （圖2）。信號從目標反射，接收器檢測并捕獲它們。然后，以各種方式（FFT等）處理這些信號，以產(chǎn)生距離，速度和角度測量值。

2.這些雷達線性調(diào)頻信號表示幅度與時間（a）和頻率與時間（b）的關(guān)系。

　雷達傳感器可以做什么其他傳感器無法做到的

傳統(tǒng)且更簡單的傳感器僅檢測和測量某些物理特性（例如溫度）的變化。但是雷達傳感器可以確定到物體的距離（范圍），物體的速度以及物體相對于某個參考的角度。它可以“看穿”墻壁，尤其是木頭和巖石。這種類型的傳感器甚至能夠檢測玻璃墻，窗戶，門或隔斷。它可以準確地測量任何這些東西的范圍。

60 GHz時的距離分辨率為3.75厘米。通過這種分辨率，這些傳感器可以檢測，識別和分離間隔很近的物體。應(yīng)用程序允許這些傳感器檢測和計數(shù)來自工廠或房間或車輛內(nèi)人員的信號。范圍分辨率主要是信號帶寬的函數(shù)-帶寬越寬，分辨率越好。作為此功能的一部分，請不要忘記運動檢測是一項有用的功能。

此外，雷達傳感器可以測量速度。由于多普勒效應(yīng)對變化的頻率信號產(chǎn)生影響，因此可以計算出被檢測物體的速度。速度分辨率幾乎是信號中心頻率的直接函數(shù)。同樣，傳輸頻率越高，分辨率越高。

通常將所有信號捕獲和測量稱為豐富點云數(shù)據(jù)。您拾取的數(shù)據(jù)總量可帶來更好的測量結(jié)果以及可以進行的更多不同類型的測量。例如，可以使用某些捕獲的數(shù)據(jù)來計算檢測到的信號的角度。

雷達芯片應(yīng)用

片上雷達設(shè)備首先在汽車中被廣泛使用。應(yīng)用包括自動巡航控制，緊急自制動，換道檢測以及其他用例。這些應(yīng)用仍然存在，并且由于大多數(shù)新型現(xiàn)代車輛中強制性的高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）的影響，這些應(yīng)用將會增加。雷達傳感器穿透固體的能力使它們成為良好的接近探測器，從而產(chǎn)生了一些其他用途。

例如，雷達通過固體材料進行感應(yīng)的能力使檢測無人照管的兒童，監(jiān)視乘員的狀態(tài)以及估計駕駛員生命體征的準確性達到前所未有的高度。您可以檢測兒童的身姿和動作，計算車輛中的人數(shù)，并檢查駕駛員是否過于困倦而無法開車。

但是這些應(yīng)用程序的經(jīng)驗激發(fā)了其他領(lǐng)域的興趣。例如，60 GHz雷達IC傳感器為機器人技術(shù)，樓宇自動化和工廠制造中的應(yīng)用帶來了新的認識和智能。機器人技術(shù)的使用特別有幫助。雷達傳感器可以通過檢測位置，運動速度甚至角度來為大型工業(yè)機器人提供安全性?？梢詾闄C器人定義不可見的安全“籠子”或窗簾，以提供可見和可聽見的警告。

雷達傳感器唯一缺少的部件是電源和天線。幸運的是，在60 GHz處，波長很短（大約5毫米），因此天線很小。60 GHz的簡單半波偶極子僅為2.5 mm.因此，在此頻率下，設(shè)計人員可以創(chuàng)建相控陣，以提供增益，方向性和波束形成的潛力。小型相控陣可以直接在PCB上制成，或者在某些情況下也可以在IC芯片上直接制成。在特殊應(yīng)用中，可以選擇喇叭天線。

關(guān)于芯片雷達頻率

第一批有用的雷達芯片使用24 GHz頻段，同時定義了寬帶和窄帶段。該5MHz頻段甚至被擴展用于特定用途。到2022年，美國和其他國家/地區(qū)的監(jiān)管機構(gòu)將逐步淘汰24 MHz頻段，因為24 GHz空間最終將用于5G mmWave手機服務(wù)。對于傳感器，監(jiān)管部門已指定60至64 GHz頻段進行操作。在此頻率范圍內(nèi)工作的芯片具有更好的位置分辨率。在某些國家/地區(qū)，可以選擇76至81 GHz頻段。