前言

毫米波為真空波長(zhǎng)從0.1～1.0 cm的電磁波，其對(duì)應(yīng)的頻率范圍從30～300 GHz。

毫米波獨(dú)特的頻率范圍使其在雷達(dá)檢測(cè)中擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。與紅外、可見(jiàn)光等頻段相比，毫米波具備更好的穿透性，可輕易穿透雪、煙、塵等等，具備極端環(huán)境下的全天候工作能力。而相比于低頻射頻頻段，毫米波波長(zhǎng)更短，可以獲得更好的分辨率，其所需的天線尺寸也更小，有利于小型化。毫米波雷達(dá)在車載雷達(dá)、智能機(jī)器人、生物體征識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別等方面都有不可替代的優(yōu)勢(shì)。

在車載雷達(dá)方面，現(xiàn)今的汽車對(duì)安全性和智能性要求越來(lái)越高，一輛高檔車?yán)锛闪烁鞣N電子輔助系統(tǒng)，如泊車輔助、自主巡航、盲點(diǎn)檢測(cè)、換道輔助、防撞預(yù)警、自主剎車等等。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，車身需要安裝大量的傳感器，感知車身四周360o的環(huán)境。而且對(duì)傳感器的工作范圍、精度均有較高要求。現(xiàn)今的主流解決方案多采用24 GHz的雷達(dá)、圖像傳感器和若干個(gè)超聲波傳感器。這種方案成本高，精度和測(cè)距范圍有限，典型的最小檢測(cè)距離為20 cm，對(duì)于5 m外的目標(biāo)距離分辨率為40 cm。一種更有潛力的方案是采用多個(gè)79 GHz的毫米波雷達(dá)替換掉超聲波傳感器和24 GHz雷達(dá)。79 GHz的毫米波雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)10 cm的最小檢測(cè)距離和小于5 cm的距離分辨率，相比于前一種方案有很大提高。

而且，毫米波雷達(dá)不需要對(duì)車身開(kāi)孔，這對(duì)于汽車外觀設(shè)計(jì)也更為有利。學(xué)術(shù)界、工藝界對(duì)毫米波車載雷達(dá)開(kāi)展了大量的研究。手勢(shì)識(shí)別是另一種毫米波雷達(dá)潛在的應(yīng)用場(chǎng)景。如今主流的智能設(shè)備的人機(jī)交互方式是觸屏，包括點(diǎn)、劃、長(zhǎng)按等等，在這種交互下，人手必須與設(shè)備直接接觸。毫米波雷達(dá)手勢(shì)識(shí)別通過(guò)無(wú)線信號(hào)檢測(cè)空中手勢(shì)，人手不需要與接觸屏幕，從而提供了新的交互維度。毫米波雷達(dá)手勢(shì)識(shí)別的代表之一是美國(guó)谷歌公司開(kāi)發(fā)的Soli芯片。該芯片發(fā)射毫米波雷達(dá)信號(hào)，捕捉手勢(shì)的反射回波，將回波轉(zhuǎn)換為包含距離和速度的時(shí)序信息，之后通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行特征提取，識(shí)別，定位和追蹤。得益于毫米波雷達(dá)的高距離分辨率，該芯片可以準(zhǔn)確地識(shí)別按鈕、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤和滑動(dòng)滑桿等手勢(shì)操作。相比于基于光學(xué)的手勢(shì)識(shí)別，毫米波雷達(dá)手勢(shì)識(shí)別功耗低，且不受環(huán)境影響，可靠性更高。

毫米波雷達(dá)系統(tǒng)主要包括天線、毫米波收發(fā)前端、數(shù)字信號(hào)處理和雷達(dá)控制電路。

天線發(fā)射和接收電磁波信號(hào)，收發(fā)前端對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、混頻等操作，同時(shí)完成數(shù)模模數(shù)轉(zhuǎn)換。對(duì)于毫米波雷達(dá)而言，天線和毫米波收發(fā)前端工作在毫米波頻段，是毫米波雷達(dá)系統(tǒng)的核心組件。其中，毫米波收發(fā)前端的發(fā)展趨勢(shì)為高性能(高輸出功率、高靈敏度、低功耗等)、大規(guī)模(相控陣、 MIMO陣列)和全集成。毫米波雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)，如檢測(cè)范圍、距離分辨率等，主要由天線和毫米波收發(fā)前端的性能所決定，例如天線的增益，收發(fā)前端的發(fā)射功率、接收靈敏度等。根據(jù)應(yīng)用的不同，毫米波雷達(dá)選擇的工作頻段往往也不相同。頻段的選擇主要的考慮因素有：頻譜規(guī)范、毫米波傳播特性、所需分辨率、成本(芯片制造、封裝等成本)等等。

目前汽車毫米波雷達(dá)有較為明確的頻譜規(guī)范，世界主要國(guó)家和地區(qū)都將77 GHz的頻點(diǎn)分配給汽車?yán)走_(dá)使用，其中包括歐盟、美國(guó)、加拿大、日本、中國(guó)等等，頻段或許略有不同。毫米波在空氣中的傳播特性隨著頻率有較大變化，是頻段選擇的另一個(gè)依據(jù)。例如，短距雷達(dá)可選擇衰減較大的頻點(diǎn)，以減少雷達(dá)之間的相互干擾。毫米波雷達(dá)手勢(shì)檢測(cè)Soli芯片的工作頻點(diǎn)選在處于衰減峰值的60 GHz。毫米波雷達(dá)的距離分辨率與帶寬成反比，當(dāng)需要較高距離分辨率時(shí)可選擇更高的毫米波頻段，以獲得更高的可用帶寬。另外一個(gè)關(guān)鍵的頻段選擇依據(jù)為毫米波雷達(dá)的成本。頻段越高的毫米波雷達(dá)芯片，對(duì)晶體管的截止頻率要求也越高，從而需要更先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)，成本也愈加昂貴。

例如， 65 nm的CMOS工藝截止頻率Fmax可到300 GHz，足夠用于設(shè)計(jì)工作在60 GHz或77 GHz的雷達(dá)前端電路。若將工作頻率提高到140 GHz，那么使用65 nm工藝的設(shè)計(jì)難度將急劇提高。頻率越高，封裝的信號(hào)完整性要求越高，封裝的成本也越高。毫米波雷達(dá)芯片最終的頻段選擇，需要在這些因素中折中考慮。

毫米波雷達(dá)芯片技術(shù)

常見(jiàn)的雷達(dá)測(cè)距原理有脈沖和調(diào)頻連續(xù)波(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW)兩種。

在脈沖雷達(dá)中，雷達(dá)發(fā)射間歇性的脈沖信號(hào)，通過(guò)測(cè)量從目標(biāo)返回的脈沖信號(hào)與發(fā)射信號(hào)之間的時(shí)間差即可計(jì)算出目標(biāo)的距離。而FMCW雷達(dá)發(fā)射頻率隨時(shí)間線性變化的連續(xù)波，通過(guò)發(fā)射波與反射波的頻率差來(lái)計(jì)算出目標(biāo)距離。這兩種機(jī)制各有優(yōu)缺點(diǎn)。脈沖雷達(dá)間歇性工作，因而噪聲小，可以檢測(cè)到更微弱的信號(hào)，適合長(zhǎng)距離的探測(cè)。

由于發(fā)射信號(hào)的多普勒效應(yīng)，脈沖雷達(dá)可以方便地計(jì)算出目標(biāo)的瞬時(shí)速度。FMCW雷達(dá)使用頻率來(lái)計(jì)算目標(biāo)距離，多普勒效應(yīng)和目標(biāo)距離造成的頻差混淆在一起，不易區(qū)分開(kāi)。為了克服這個(gè)問(wèn)題， FMCW雷達(dá)需要發(fā)射多個(gè)不同斜率的連續(xù)波并對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理，否則容易產(chǎn)生虛假目標(biāo)。

但是，對(duì)集成電路而言，測(cè)量時(shí)間差比測(cè)量頻率差要困難很多，因此得到相同分辨率，脈沖雷達(dá)要比FMCW雷達(dá)昂貴。通常，由于瞬時(shí)發(fā)射功率過(guò)強(qiáng)而發(fā)射脈沖持續(xù)時(shí)間等因素，脈沖雷達(dá)存在近距離盲區(qū)(小于50～100 m)，而FMCW雷達(dá)則無(wú)此問(wèn)題。脈沖雷達(dá)的功率峰均比大，而硅基有源器件擊穿電壓過(guò)低，難以達(dá)到脈沖雷達(dá)的瞬時(shí)功率要求。最后， FMCW雷達(dá)的基帶信號(hào)處理更容易，接收到的回波與發(fā)射波混頻之后，中頻頻率在1 MHz的量級(jí)，對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)字基帶的速度要求很低，可降低功耗和成本。上述這些特征使得硅基毫米波雷達(dá)更適合FMCW機(jī)制，文獻(xiàn)中的毫米波雷達(dá)大多采用FMCW機(jī)制，也有少量毫米波雷達(dá)采用脈沖機(jī)制。

集成毫米波雷達(dá)芯片與雷達(dá)系統(tǒng)

結(jié)束語(yǔ)

毫米波可輕易穿透雪、煙、塵等復(fù)雜環(huán)境，使得毫米波雷達(dá)具備不可替代的優(yōu)勢(shì)，在汽車?yán)走_(dá)、智能機(jī)器人等方面均有廣泛的應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，硅基工藝晶體管的截止頻率提升，足以支撐起硅基毫米波雷達(dá)芯片的研究。硅基工藝在成本和集成度方面的巨大優(yōu)勢(shì)使硅基毫米波雷達(dá)吸引了來(lái)自學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的大量研究。

不同的應(yīng)用會(huì)有不同的側(cè)重。在測(cè)距機(jī)制方面，F(xiàn)MCW體制的毫米波雷達(dá)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，中頻頻率低，很大程度的放寬了對(duì)ADC以及數(shù)字基帶的速度要求，比脈沖體制更適合硅基芯片實(shí)現(xiàn)。PMCW體制可提供MIMO毫米波雷達(dá)所需的正交性，在MIMO雷達(dá)中得到應(yīng)用。

硅基毫米波雷達(dá)的關(guān)鍵電路模塊包括FMCW信號(hào)發(fā)生器和功率放大器。FMCW信號(hào)發(fā)生器主流采用鎖相環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)方式包括模擬鎖相環(huán)、數(shù)?；旌湘i相環(huán)和全數(shù)字鎖相環(huán)。全數(shù)字鎖相環(huán)在可控性、芯片面積、校準(zhǔn)功能等方面有優(yōu)勢(shì)。功率放大器朝著更大的輸出功率和更高的效率兩方面進(jìn)化。片上功率合成網(wǎng)絡(luò)是提高輸出功率的有效方式，有變壓器合成和傳輸線合成兩種主要的方式。

毫米波雷達(dá)的一個(gè)重要技術(shù)是寬帶技術(shù)。片上變壓器以與單電感相當(dāng)?shù)拿娣e，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高階匹配網(wǎng)絡(luò)，在毫米波雷達(dá)芯片寬帶匹配中有很大潛力。毫米波雷達(dá)封裝和天線方面，封裝天線很好的平衡了天線性能與成本，在目前的毫米波雷達(dá)中得到廣泛應(yīng)用。在今后的發(fā)展趨勢(shì)中，毫米波MIMO3維成像雷達(dá)和快速掃頻技術(shù)值得重點(diǎn)關(guān)注。