硅基毫米波雷达收发机芯片设计技术(1)

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1.1

前言

1.2

     毫米波为真空波长从0.1~1.0 cm的电磁波,其对应的频率范围从30~300 GHz。

     毫米波独特的频率范围使其在雷达检测中拥有独特的优势。与红外、可见光等频段相比,毫米波具备更好的穿透性,可轻易穿透雪、烟、尘等等,具备极端环境下的全天候工作能力。而相比于低频射频频段,毫米波波长更短,可以获得更好的分辨率,其所需的天线尺寸也更小,有利于小型化。毫米波雷达在车载雷达、智能机器人、生物体征识别、手势识别等方面都有不可替代的优势。

     在车载雷达方面,现今的汽车对安全性和智能性要求越来越高,一辆高档车里集成了各种电子辅助系统,如泊车辅助、自主巡航、盲点检测、换道辅助、防撞预警、自主刹车等等。为了实现这些功能,车身需要安装大量的传感器,感知车身四周360º的环境。而且对传感器的工作范围、精度均有较高要求。现今的主流解决方案多采用24 GHz的雷达、图像传感器和若干个超声波传感器。这种方案成本高,精度和测距范围有限,典型的最小检测距离为20 cm,对于5 m外的目标距离分辨率为40 cm。一种更有潜力的方案是采用多个79 GHz的毫米波雷达替换掉超声波传感器和24 GHz雷达。79 GHz的毫米波雷达可以实现10 cm的最小检测距离和小于5 cm的距离分辨率,相比于前一种方案有很大提高。

    而且,毫米波雷达不需要对车身开孔,这对于汽车外观设计也更为有利。学术界、工艺界对毫米波车载雷达开展了大量的研究。手势识别是另一种毫米波雷达潜在的应用场景。如今主流的智能设备的人机交互方式是触屏,包括点、划、长按等等,在这种交互下,人手必须与设备直接接触。毫米波雷达手势识别通过无线信号检测空中手势,人手不需要与接触屏幕,从而提供了新的交互维度。毫米波雷达手势识别的代表之一是美国谷歌公司开发的Soli芯片。该芯片发射毫米波雷达信号,捕捉手势的反射回波,将回波转换为包含距离和速度的时序信息,之后通过机器学习算法进行特征提取,识别,定位和追踪。得益于毫米波雷达的高距离分辨率,该芯片可以准确地识别按钮、转转盘和滑动滑杆等手势操作。相比于基于光学的手势识别,毫米波雷达手势识别功耗低,且不受环境影响,可靠性更高。

1.3

    毫米波雷达系统主要包括天线、毫米波收发前端、数字信号处理和雷达控制电路。

    天线发射和接收电磁波信号,收发前端对信号进行放大、滤波、混频等操作,同时完成数模模数转换。对于毫米波雷达而言,天线和毫米波收发前端工作在毫米波频段,是毫米波雷达系统的核心组件。其中,毫米波收发前端的发展趋势为高性能(高输出功率、高灵敏度、低功耗等)、大规模(相控阵、 MIMO阵列)和全集成。毫米波雷达系统的关键性能指标,如检测范围、距离分辨率等,主要由天线和毫米波收发前端的性能所决定,例如天线的增益,收发前端的发射功率、接收灵敏度等。根据应用的不同,毫米波雷达选择的工作频段往往也不相同。频段的选择主要的考虑因素有:频谱规范、毫米波传播特性、所需分辨率、成本(芯片制造、封装等成本)等等。

    目前汽车毫米波雷达有较为明确的频谱规范,世界主要国家和地区都将77 GHz的频点分配给汽车雷达使用,其中包括欧盟、美国、加拿大、日本、中国等等,频段或许略有不同。毫米波在空气中的传播特性随着频率有较大变化,是频段选择的另一个依据。例如,短距雷达可选择衰减较大的频点,以减少雷达之间的相互干扰。毫米波雷达手势检测Soli芯片的工作频点选在处于衰减峰值的60 GHz。毫米波雷达的距离分辨率与带宽成反比,当需要较高距离分辨率时可选择更高的毫米波频段,以获得更高的可用带宽。另外一个关键的频段选择依据为毫米波雷达的成本。频段越高的毫米波雷达芯片,对晶体管的截止频率要求也越高,从而需要更先进的工艺节点,成本也愈加昂贵。

    例如, 65 nm的CMOS工艺截止频率Fmax可到300 GHz,足够用于设计工作在60 GHz或77 GHz的雷达前端电路。若将工作频率提高到140 GHz,那么使用65 nm工艺的设计难度将急剧提高。频率越高,封装的信号完整性要求越高,封装的成本也越高。毫米波雷达芯片最终的频段选择,需要在这些因素中折中考虑。

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来源:205论坛

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