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【深度】单芯片毫米波雷达传感器的实用性

导读: 单芯片雷达片上系统(system-on-chip,SoC)正在成为最受欢迎的新型传感器之一。其在汽车中的广泛采用大幅提高了销量,从而促进了价格的下降。这些精密的IC器件对汽车制造商而言至关重要,对其它应用也同样有很大的吸引力。

据麦姆斯咨询报道,单芯片雷达片上系统(system-on-chip,SoC)正在成为最受欢迎的新型传感器之一。其在汽车中的广泛采用大幅提高了销量,从而促进了价格的下降。这些精密的IC器件对汽车制造商而言至关重要,对其它应用也同样有很大的吸引力。尽管IC器件在汽车应用领域将继续占据主导地位,设计人员也正在探索一系列可以提高安全性和便利性的新用途。

细数单芯片毫米波雷达传感器的实用性

雷达IC

谁能想到单芯片雷达呢?虽然现在多个制造商已经设计制造出多种形式的单芯片雷达。大多数国家已经开发出24GHz、76-81GHz、94GHz频段的芯片。尽管连续波(continuous-wave,CW)和脉冲类型都是可用的,全球大多数国家都使用77MHz调频连续波(frequency-modulated continuous-wave,FMCW)方案。其中一些器件由锗硅(以下简称SiGe)制成,但是最新版本由互补金属氧化半导体(以下简称CMOS)或双极互补金属氧化半导体(以下简称BiCMOS)组成。应用于汽车或其它行业的完整模块由一些公司提供。单芯片雷达所具有的独特功能使其在某些新应用中成为其它传感器具有吸引力的替代品。

作为一款芯片上的雷达系统,大多数工程师倾向于根据其原始用途按认知对器件进行分类。但是,最好是将单芯片雷达视为另一种类型的传感器。因此,当寻找一款能够接近检测物体、运动传感,或进行物理测量的器件时,毫米波雷达意外当选。

细数单芯片毫米波雷达传感器的实用性

图1 调频连续波的线性调频信号通常用于76~81GHz频段

雷达主要用于测量距离、方向(角度)和速度。例如警察用雷达测速,棒球运动场用测速枪(雷达枪)来测试棒球速度。芯片中的发射器(Tx)发射一个信号,然后该信号从远程对象反射回来并返回到位于发射端的接收器。发射器信号在短时间内频率呈线性增加,被称为线性调频(见图1)。线性调频以所需的模式重复。

图2展示了雷达收发机。返回信号的频率在接收器(Rx)和发射频率的混合中生成不同的中频(intermediate frequency,IF)。中频被数字化并用于确定移动和速度。芯片上的信号处理电路测量传输时间,并根据已知的无线电波速度计算距离。由于天线的高度方向性,可以检测到位置(方位角)。调频雷达也可以测量运动和速度。片上处理器负责计算,以提供精确的测量数据,灵活且可编程的传感器,用于多种独特应用。

细数单芯片毫米波雷达传感器的实用性

图2 单芯片雷达收发器的简图

雷达传感器的应用

迄今为止,单芯片雷达的最大应用领域是汽车安全。雷达成为大多数汽车中先进驾驶辅助系统(advanced driver-assistance systems,ADAS)的核心。自适应巡航控制、自动刹车、后备箱物体检测、盲点检测、变道辅助、来车警告系统都采用了雷达技术。目标是减少驾驶员失误,从而减少车祸次数和伤亡人数。目前为止,上述目标正在实现。事实上,这些新的子系统非常有效,因此政府正在强制所有汽车安装先进驾驶辅助系统。

而且,雷达对无人驾驶汽车的成功而言至关重要。它们辅助先进驾驶辅助系统中的摄像头、激光雷达(LiDAR)和超声波传感器检测周围的物体,并在车辆周围生成合成视图。雷达在恶劣天气条件下尤为有用,即使在雾、雪、雨和黑暗的环境中也能工作,不会影响到摄像头和激光雷达传感器。处理器接收传感器输入,然后执行人工智能算法以做出所有驾驶决策。

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