雷達技術(shù)
ACC和防碰撞汽車所使用的雷達工作頻率在76至77GHz的范圍內(nèi)，是用于長達300m的遠程雷達（LRR），其典型帶寬在400MHz和1GHz之間。這些傳感器使用線性FMCW調(diào)制，提供約0.5米的分辨率。直到2010年，GaAs PHEMT仍然是這些頻率常用的技術(shù)。隨著技術(shù)的成熟和產(chǎn)量的增加，SiGe MMICs取而代之，成為首選的技術(shù)。目前，使用45nm或FD SOI 22nm的RF CMOS也覆蓋了這個頻率范圍，并且成本優(yōu)勢和更高的集成度將使其成為主導(dǎo)技術(shù)。
76到81GHz的新頻段已被許多國家批準，預(yù)計將成為全球汽車雷達傳感器的長期解決方案。該解決方案使用4GHz的帶寬，有可能達到10厘米以上的分辨率。例如，圖8顯示了一個用于汽車雷達的75到85GHz 8Tx/8Rx芯片，該芯片具有上/下變頻器和內(nèi)置自檢（BIST）功能。該芯片采用GF8HP 0.12μm SiGe BiCMOS工藝（200GHz fT）制成，面積為26mm^2。77GHz時的接收機增益為24dB，Tx至Rx隔離高達52dBc。近幾年來，幾家半導(dǎo)體公司已經(jīng)發(fā)布了高性能且小尺寸的77GHz IC，使得汽車有望通過使用多個雷達傳感器來提供高分辨率，實現(xiàn)360度覆蓋范圍。此外市場上也出現(xiàn)了具有電子掃描功能的多通道IC。
圖8 SiGe BiCMOS 8Tx/8Rx芯片
24GHz雷達傳感器覆蓋24至24.25GHz的范圍，可用作輻射范圍為50m的短程雷達（SRR）。它通常用于停車輔助、盲點檢測和車道更換輔助。24GHz雷達傳感器使用線性FMCW調(diào)制，可實現(xiàn)1.5m的距離分辨率。基于0.18μm SiGe技術(shù)的高度集成收發(fā)器MMIC也已經(jīng)得到商業(yè)應(yīng)用。目前有數(shù)百萬個24GHz傳感器正在運行，這些傳感器也用于工業(yè)感測。值得注意的是，歐洲在2018年設(shè)定了一個退出日期，該日期之后歐洲的所有新汽車都將不再安裝這些傳感器。前提是到那個時候，76到81GHz的傳感器將全面部署，并且覆蓋SRR和LRR應(yīng)用。
測試挑戰(zhàn)
車輛雷達傳感器測試包含目標模擬以及關(guān)鍵RF參數(shù)的測量。直到最近，目標距離、速度、角度和尺寸的測量都是在現(xiàn)場使用物理障礙物并移動車輛完成的。隨著產(chǎn)量的增加和技術(shù)的進步，模擬目標并測量EIRP、頻譜占用、相位噪聲、天線波束寬度和chirp信號分析已經(jīng)成為可能。圖9顯示了一個NI車載雷達測試系統(tǒng)的例子。該系統(tǒng)接收來自雷達傳感器的76至77GHz信號并將其下變頻至C波段，然后饋送至矢量信號收發(fā)儀（VST），由VST進行所需參數(shù)的測量。接著通過放置在經(jīng)校準的轉(zhuǎn)子上的雷達來測量波束寬度，信號強度作為角度的函數(shù)進行測量。對于自動駕駛而言，這將變得更加重要，因為難以在現(xiàn)場測試所有的物理場景。
圖9 77GHz汽車雷達測試前端
目標的模擬包括模擬目標的距離、速度、角度和大小。下變頻信號通過無源和有源混合的方式來模擬距離3到300米范圍內(nèi)的目標。有源仿真結(jié)合基于LabVIEW FPGA的信號處理使用VST來模擬目標。目標的距離通過延時來模擬、速度通過多普勒效應(yīng)的Tx-Rx頻率偏移來模擬、目標大小通過控制功率電平進行模擬。VST還具有添加多個目標的功能。Konrad在NIWeek 2017展示了該系統(tǒng)。
未來方向
目前業(yè)界開發(fā)雷達傳感器IC的研究積極性很高，致力于提供4GHz的帶寬（77到81GHz）來實現(xiàn)更精細的分辨率。基于寬帶寬和微多普勒技術(shù)的高分辨率組合將提供更高的性能。 ADAS的研究越來越多地涉及3D成像雷達，合成孔徑雷達技術(shù)也在被研究是否適用于汽車雷達。在調(diào)制方案方面，線性FMCW慢單載波被快速啁啾單載波所取代。快速啁啾FDM和OFDM PCM等高級調(diào)制將分階段實現(xiàn)。此外研究人員也在探索未來是否有可能使用高于77GHz的頻率。
雖然ADAS使得自主自動駕駛車輛成為可能，但還有其它技術(shù)需要集成到自動駕駛車輛中，包括車輛到車輛（V2V）網(wǎng)絡(luò)、車載網(wǎng)絡(luò)、車輛到一切（V2X）和衛(wèi)星導(dǎo)航。自動駕駛車輛技術(shù)不僅有望大幅減少道路死亡事件，還為殘疾人和低齡或高齡人群提供新的交通工具。世界各國政府都希望制定必要的規(guī)定，但首先需要克服一些難題。在美國，有18個州通過了在一定條件下允許自動駕駛車輛在道路上行駛的規(guī)定。
5G
指數(shù)級增長的互連設(shè)備加上相互通信所需的功能要求無線通信速度不斷提高。從五年前僅數(shù)十億的互連設(shè)備到現(xiàn)在，這一數(shù)量已經(jīng)超過100億臺，其中包括手持式智能設(shè)備。 這個數(shù)字預(yù)計將在三年內(nèi)翻一倍，預(yù)計隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的爆炸，這一數(shù)字將會持續(xù)快速增長。智能家居、城市、汽車、寵物、傳感器等的一切都將相互連接。由于人與設(shè)備之間的相互交流，包括健康、能源和交通在內(nèi)的行業(yè)預(yù)計將會經(jīng)歷一場無法預(yù)見的革命。對高帶寬數(shù)據(jù)容量和低延遲的需求以及爆炸式增長的連接設(shè)備迫使研究人員開始研究高于6GHz的接入網(wǎng)絡(luò)。與較高頻率相比，低于6GHz的頻率具有廣泛的應(yīng)用，同時也將采用創(chuàng)新技術(shù)來更高效地利用這些已經(jīng)被分配的頻譜，另外也需要在6GHz以上尋找可滿足5G需求的新頻帶。
作為5G接入網(wǎng)絡(luò)的一部分，毫米波有幾種部署方案，包括高容量回程點對點無線電鏈路、點對多點固定無線接入（FWA）和蜂窩接入。回程毫米波應(yīng)用為2G、3G和4G基礎(chǔ)設(shè)施提供了不俗的服務(wù)。常用的許可頻段包括23、26、38和60GHz。預(yù)計5G部署將使用升級的鏈路來應(yīng)對增加的數(shù)據(jù)容量。
雖然毫米波頻率已經(jīng)確定用于回程和FWA技術(shù)，但研究人員仍然在努力使其能夠應(yīng)用于蜂窩接入。為了評估毫米波通信的無線電環(huán)境，特別是多天線系統(tǒng)，過去十年人們開始研究信道探測技術(shù)。許多研究機構(gòu)一直在世界各地的不同頻段下進行研究和試驗。在NIWeek 2015上，諾基亞和NI展示了一個使用2GHz帶寬的73GHz 2x2 MIMO系統(tǒng)，它提供超過200m的10Gb/s鏈路，延遲低于1毫秒。 NI公司還與AT&T合作開發(fā)了一個5G毫米波信道探測工具。信道探測器提供實時通道參數(shù)測量和監(jiān)控功能。信道探測器由AT&T設(shè)計，并使用基于NI 28GHz收發(fā)器系統(tǒng)的架構(gòu)（圖10）。該信道探測器可捕獲信道測量數(shù)據(jù)，實時采集和處理所有數(shù)據(jù)，測量速度約為15分鐘6000次。
圖10 AT&T和National Instruments共同開發(fā)的28GHz信道探測器
毫米波頻率下的小型天線可提高相控陣列和MIMO系統(tǒng)使用多個天線的效率。 MIMO允許通信系統(tǒng)通過空間復(fù)用和波束賦形技術(shù)來更高效地利用頻譜。通過空間復(fù)用，基站可使用多個發(fā)射天線，使用相同的頻譜同時向多個用戶發(fā)送不同的信息流。現(xiàn)在5G研究人員正在研究如何大量增加在移動通信系統(tǒng)中使用的空間流數(shù)量。最終， 5M（mmWave massive mimo，毫米波大規(guī)模MIMO）有望實現(xiàn)5G系統(tǒng)的最高性能。與以前的全向輻射相比，混合波束賦形和MIMO系統(tǒng)將使用定向波束配置來顯著提升速度。
24到86GHz之間的若干個不同頻段被考慮用在5G應(yīng)用中，目前28和39GHz兩個頻段已經(jīng)被用于開發(fā)FWA。最終獲批的移動頻段將在2019年11月的國際電聯(lián)WRC19會議上確定。圖11顯示了世界不同地區(qū)供5G使用的各種頻段。
圖11 5G可用的頻段
快速Wi-Fi
無線互聯(lián)網(wǎng)大約20年前開始得以應(yīng)用，使用的是2.4GHz頻段。Wi-Fi標準迄今為止僅限于2.4和5.8GHz；然而，隨著時間的推移，Wi-Fi性能已經(jīng)從802.11a/b/g/n/慢慢地演變到最新的802.11ac。這些標準使用最近發(fā)布的多路由器系統(tǒng)作為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，可以有效地覆蓋面積較大的家庭或建筑。這些鏈路可提供數(shù)百Mbps的數(shù)據(jù)速率。該系列的下一個標準802.11ax基于多用戶MIMO，預(yù)計將提供超過Gbps的數(shù)據(jù)速率。
另一方面，802.11ad是一種快速通道Wi-Fi標準，在不需要許可的57至64GHz頻帶上運行，獨立于目前使用的Wi-Fi標準。該標準使用最大2.16GHz的帶寬，旨在支持高達7Gbps的數(shù)據(jù)速率。這個全新的毫米波頻帶帶寬有限，可以減少干擾。802.11ad覆蓋范圍約10米，最適合室內(nèi)應(yīng)用，例如：無線對接站、從智能設(shè)備到智能電視或Chromecast的數(shù)據(jù)流傳輸、傳輸大量媒體文件，如4K素材或原始圖像以及某些游戲應(yīng)用。這種功能已出現(xiàn)在筆記本電腦中，但尚未進入智能手機。
802.11ay是802.11ad的擴展，基于信道綁定和MU-MIMO，正在開發(fā)中，預(yù)計將在今年年底前完成。預(yù)計這一標準將傳輸速率從802.11ad的7Gbps提高到30到40Gbps，而且傳輸距離從10米擴展到最長達300米。 802.11ay將使用57至70GHz的頻率，并將四個802.11ad通道連接在一起，最大帶寬為8.64GHz。802.11ay可能會取代辦公室或家庭中的以太網(wǎng)和其它電纜，還可能為服務(wù)提供商提供外部回程連接。此時可實現(xiàn)的實際速度限制將轉(zhuǎn)移到基礎(chǔ)設(shè)施和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商處，它們將更難以跟上新Wi-Fi標準的步伐。顯而易見的是，毫米波在將來需要傳輸大量數(shù)據(jù)的Wi-Fi系統(tǒng)中必將發(fā)揮重要作用。圖12顯示了所討論的三個主要毫米波應(yīng)用的頻帶。
圖12 美國三大毫米波應(yīng)用的可用頻段
安全應(yīng)用
毫米波可用于各種安全功能，包括無線圍欄、入侵者傳感器和全身安全掃描儀。在過去十年中，毫米波掃描儀逐漸取代了美國機場的金屬探測器。這些掃描儀能夠檢測身體上的金屬和非金屬物體，并且由于其低功率運行，可安全地進行掃描。毫米波安全標準基于功率密度，以mW/m^2表示。毫米波掃描的功率密度在0.00001到0.0006mW/cm^2之間。這樣的掃描功率比手機允許的掃描功率低幾千倍。與X射線掃描儀不同，毫米波掃描的非電離輻射不會損傷細胞，因而也就不會導(dǎo)致癌癥。毫米波掃描儀工作在24到30GHz之間，掃描人體時使用多個天線陣列發(fā)送和接收高頻無線電波。原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為全息圖，通過算法檢查可疑物體。然后將全息圖渲染成3D圖形進行檢查。整個過程只需要6到8秒。出于隱私的原因，所使用的算法將3D圖像轉(zhuǎn)換為人體的一般輪廓顯示在計算機屏幕上。目前，美國和歐洲的數(shù)百個地方正在使用毫米波掃描儀。圖13顯示了一個常用的毫米波掃描儀，出自L-3公司。
圖13 L-3公司的毫米波全身掃描儀
2016年，羅德與斯瓦茨推出了一款在70至80GHz頻率范圍內(nèi)工作的毫米波安全掃描儀，可自動檢測身體或衣服上攜帶的潛在危險物品。該掃描儀正部署到歐洲的許多機場，用于機場安全檢查。掃描儀傳輸功率約為0dBm，數(shù)據(jù)采集時間非常短，僅32毫秒，并使用完全電子掃描。
醫(yī)療應(yīng)用
毫米波在醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛的前景，包括呼吸和心率的持續(xù)無線監(jiān)測。使用相干雷達系統(tǒng)，可以精確地測量人體中小幅移動相關(guān)的相移。這些微多普勒特征可用于確定與呼吸、心跳和身體其它微妙運動有關(guān)的生物特征信息。這種非接觸式遠程技術(shù)可以提供與人的生理和醫(yī)療狀況相關(guān)的信息。這有助于保持健康和及時發(fā)現(xiàn)許多健康問題，也可以使醫(yī)院不必持續(xù)監(jiān)測病人。
許多頻率已經(jīng)得到了應(yīng)用，包括60、94和228GHz。在UC Davis使用的一個60GHz系統(tǒng)中，毫米波信號被引導(dǎo)到身體中，通過分析反射信號來準確地計算呼吸頻率和心率。毫米波的定向波束也用于監(jiān)測室內(nèi)空間中的多個人，并且可以用于定位房間中的某個人。研究人員可以測量呼吸頻率，平均誤差為0.43bpm，心率的測量誤差則為2bpm。因此，該系統(tǒng)能夠以98%的準確度定位人體對象，并且可以有效地并行監(jiān)測多個人，甚至穿墻監(jiān)測。在另一個應(yīng)用中，228GHz外差雷達系統(tǒng)已被用于同時測量呼吸頻率和心率，距離可達10米。高頻系統(tǒng)的一個主要優(yōu)點是能夠聚焦波束并在一定距離照射物體，從而減少信號雜波和復(fù)雜性。
毫米波成像也可用于非侵入診斷，其中一種應(yīng)用是皮膚燒傷。經(jīng)實踐證明， 26.5至40GHz的頻率可用于診斷皮膚灼傷的程度，并且在不打開傷口的情況下監(jiān)測愈合過程。這種技術(shù)利用了健康組織與干燥的燒傷組織截然不同的反射特性。類似的方法也已經(jīng)用于診斷皮膚癌和乳腺癌。腫瘤組織的介電常數(shù)比脂肪的介電常數(shù)大5倍。一種情況是使用帶寬為20GHz的30GHz信號，并使用階梯式頻率連續(xù)波調(diào)制來分析反射信號。超帶寬可實現(xiàn)高分辨率，而該頻率信號可以穿透人體組織，以滿足乳腺成像應(yīng)用需求。通過在實際場景進行原型驗證獲得的實驗結(jié)果顯示了使用35個天線可獲得低至3mm的交叉分辨率、8mm的距離分辨率和大約60dB的高動態(tài)范圍。目前所得到的實驗結(jié)果顯示這一設(shè)想非常有希望實現(xiàn)，它們將成為開發(fā)完整乳腺成像系統(tǒng)的基石。
結(jié)論
毫米波已經(jīng)步入正軌——技術(shù)和產(chǎn)品的開發(fā)投資終于得到回報，其商業(yè)價值正日益顯現(xiàn)出來。盡管曾經(jīng)一度被認為是不可利用的毫米波，現(xiàn)在已經(jīng)被運用在若干應(yīng)用領(lǐng)域，包括短距離連接、板載芯片間互聯(lián)、從筆記本電腦到屏幕的HDMI視頻傳輸、快速Wi-Fi、無線對接站和汽車雷達。現(xiàn)在人們正努力開發(fā)毫米波技術(shù)、降低其成本，大力推動該技術(shù)在航空航天、電信、成像、安全、衛(wèi)星通信和醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用持續(xù)增長。可以預(yù)見的是，在未來十年中可以看到更多頻率在300GHz范圍內(nèi)的毫米波應(yīng)用和創(chuàng)新產(chǎn)品。
將該技術(shù)運用于手機接入領(lǐng)域的實用性的研究和實驗也已經(jīng)開展。許多關(guān)于28、38、60和73GHz波的傳播研究均取得了令人鼓舞的成果。雖然目前該技術(shù)領(lǐng)域仍存在諸多挑戰(zhàn)，應(yīng)用中也需要實現(xiàn)全球的頻段協(xié)調(diào)。在5到10年之內(nèi)，一旦毫米波頻段的手機接入得到實現(xiàn)，這些新技術(shù)將很可能被推送到數(shù)十億人的手中。
