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

工業(yè)和汽車市場(chǎng)迫切需要?jiǎng)?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(dá)傳感器的實(shí)現(xiàn)方案正在不斷增加和擴(kuò)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(jī)器人安全。本文著眼于德州儀器（TI）的60 GHz雷達(dá)如何擴(kuò)展工業(yè)和汽車傳感器市場(chǎng)。

雷達(dá)傳感器與眾不同

實(shí)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(jiàn)的物理特性是最經(jīng)常測(cè)量或監(jiān)控的。但存在，范圍或距離，運(yùn)動(dòng)和速度以及方向角往往難以監(jiān)控。通常，此類測(cè)量必須在夜間，惡劣天氣或惡劣的環(huán)境條件下進(jìn)行。這是雷達(dá)傳感器發(fā)揮作用的地方。

完整的雷達(dá)傳感器包括雷達(dá)芯片，天線和電源。德州儀器（TI）的60毫米毫米波IWR6843雷達(dá)傳感器就是這種芯片（圖1），該傳感器通過(guò)FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）在60-64 GHz范圍內(nèi)工作。它由三個(gè)雷達(dá)發(fā)射器，四個(gè)雷達(dá)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(dá)的總體框圖。

IWR6843的另一個(gè)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(hào)處理器（DSP）部分，可以進(jìn)行快速傅立葉運(yùn)算。轉(zhuǎn)換（FFT）和其他高級(jí)處理，同時(shí)使用內(nèi)存和標(biāo)準(zhǔn)I / O接口。該芯片采用10.4×10.4mm BGA封裝。

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

2.這些雷達(dá)線性調(diào)頻信號(hào)表示幅度與時(shí)間（a）和頻率與時(shí)間（b）的關(guān)系。

　雷達(dá)傳感器可以做什么其他傳感器無(wú)法做到的

傳統(tǒng)且更簡(jiǎn)單的傳感器僅檢測(cè)和測(cè)量某些物理特性（例如溫度）的變化。但是雷達(dá)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(duì)于某個(gè)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(cè)玻璃墻，窗戶，門或隔斷。它可以準(zhǔn)確地測(cè)量任何這些東西的范圍。

60 GHz時(shí)的距離分辨率為3.75厘米。通過(guò)這種分辨率，這些傳感器可以檢測(cè)，識(shí)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(cè)和計(jì)數(shù)來(lái)自工廠或房間或車輛內(nèi)人員的信號(hào)。范圍分辨率主要是信號(hào)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(qǐng)不要忘記運(yùn)動(dòng)檢測(cè)是一項(xiàng)有用的功能。

此外，雷達(dá)傳感器可以測(cè)量速度。由于多普勒效應(yīng)對(duì)變化的頻率信號(hào)產(chǎn)生影響，因此可以計(jì)算出被檢測(cè)物體的速度。速度分辨率幾乎是信號(hào)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(hào)捕獲和測(cè)量稱為豐富點(diǎn)云數(shù)據(jù)。您拾取的數(shù)據(jù)總量可帶來(lái)更好的測(cè)量結(jié)果以及可以進(jìn)行的更多不同類型的測(cè)量。例如，可以使用某些捕獲的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算檢測(cè)到的信號(hào)的角度。

雷達(dá)芯片應(yīng)用

片上雷達(dá)設(shè)備首先在汽車中被廣泛使用。應(yīng)用包括自動(dòng)巡航控制，緊急自制動(dòng)，換道檢測(cè)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(qiáng)制性的高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）的影響，這些應(yīng)用將會(huì)增加。雷達(dá)傳感器穿透固體的能力使它們成為良好的接近探測(cè)器，從而產(chǎn)生了一些其他用途。

例如，雷達(dá)通過(guò)固體材料進(jìn)行感應(yīng)的能力使檢測(cè)無(wú)人照管的兒童，監(jiān)視乘員的狀態(tài)以及估計(jì)駕駛員生命體征的準(zhǔn)確性達(dá)到前所未有的高度。您可以檢測(cè)兒童的身姿和動(dòng)作，計(jì)算車輛中的人數(shù)，并檢查駕駛員是否過(guò)于困倦而無(wú)法開(kāi)車。

但是這些應(yīng)用程序的經(jīng)驗(yàn)激發(fā)了其他領(lǐng)域的興趣。例如，60 GHz雷達(dá)IC傳感器為機(jī)器人技術(shù)，樓宇自動(dòng)化和工廠制造中的應(yīng)用帶來(lái)了新的認(rèn)識(shí)和智能。機(jī)器人技術(shù)的使用特別有幫助。雷達(dá)傳感器可以通過(guò)檢測(cè)位置，運(yùn)動(dòng)速度甚至角度來(lái)為大型工業(yè)機(jī)器人提供安全性?？梢詾闄C(jī)器人定義不可見(jiàn)的安全“籠子”或窗簾，以提供可見(jiàn)和可聽(tīng)見(jiàn)的警告。

雷達(dá)傳感器唯一缺少的部件是電源和天線。幸運(yùn)的是，在60 GHz處，波長(zhǎng)很短（大約5毫米），因此天線很小。60 GHz的簡(jiǎn)單半波偶極子僅為2.5 mm.因此，在此頻率下，設(shè)計(jì)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(dá)頻率

第一批有用的雷達(dá)芯片使用24 GHz頻段，同時(shí)定義了寬帶和窄帶段。該5MHz頻段甚至被擴(kuò)展用于特定用途。到2022年，美國(guó)和其他國(guó)家/地區(qū)的監(jiān)管機(jī)構(gòu)將逐步淘汰24 MHz頻段，因?yàn)?4 GHz空間最終將用于5G mmWave手機(jī)服務(wù)。對(duì)于傳感器，監(jiān)管部門已指定60至64 GHz頻段進(jìn)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(guó)家/地區(qū)，可以選擇76至81 GHz頻段。