美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校（University of California, Davis）的研究人員近期開(kāi)發(fā)了一種概念驗(yàn)證傳感器，有望開(kāi)創(chuàng)毫米波雷達(dá)的新時(shí)代。他們?cè)u(píng)價(jià)這種新設(shè)計(jì)為“不可能完成的任務(wù)”。
毫米波雷達(dá)通過(guò)向目標(biāo)發(fā)送快速傳播的電磁波，再由反射回來(lái)的電磁波分析目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)、位置和速度。毫米波的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)微小運(yùn)動(dòng)的天然靈敏度，以及聚焦并感知微觀物體數(shù)據(jù)的能力。
這種新型傳感器采用了創(chuàng)新的毫米波雷達(dá)設(shè)計(jì)，能夠檢測(cè)到比頭發(fā)絲小一千倍的振動(dòng)位移，小一百倍的目標(biāo)位置變化，使其探測(cè)性能比肩甚至超越當(dāng)前世界上最精確的傳感器。然而，與同類(lèi)產(chǎn)品不同的是，這款產(chǎn)品的尺寸僅為芝麻粒大小，并且生產(chǎn)成本低、功耗低。
這項(xiàng)研究工作由美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校電氣和計(jì)算機(jī)工程系的Omeed Momeni教授領(lǐng)導(dǎo)完成。該研究隸屬于食品與農(nóng)業(yè)研究基金會(huì)（FFAR）資助的正在進(jìn)行中的項(xiàng)目，該項(xiàng)目旨在開(kāi)發(fā)一種能夠跟蹤植物水分狀況的低成本傳感器。Momeni教授領(lǐng)導(dǎo)開(kāi)發(fā)的這款新型毫米波雷達(dá)是證明該項(xiàng)目可行性的基礎(chǔ)之一。這項(xiàng)研究成果已發(fā)表于近期的IEEE Journal of Solid-State Circuits。
新型毫米波雷達(dá)能效高且生產(chǎn)成本低
毫米波雷達(dá)面臨的挑戰(zhàn)
毫米波是介于微波和紅外線之間的電磁波，波長(zhǎng)為1~10 mm，頻率范圍覆蓋30~300 GHz。它可以實(shí)現(xiàn)5G等高速通信網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)，憑借其短距離傳感能力而備受關(guān)注。不過(guò)，由于高功耗問(wèn)題，以及在其頻率下半導(dǎo)體的性能限制，在實(shí)際應(yīng)用中面臨困難。
該項(xiàng)目旨在尋求一種實(shí)用、低成本、緊湊且非侵入性的檢測(cè)方法，來(lái)測(cè)量植物的水分狀況，以優(yōu)化灌溉。研究團(tuán)隊(duì)提出了一種雷達(dá)檢測(cè)方案，利用超短距離雷達(dá)來(lái)測(cè)量葉片厚度和體積含水量的變化，進(jìn)而計(jì)算葉片中的相對(duì)含水量。在研制該傳感器的第一年中，研究人員面臨的問(wèn)題主要集中在所需要的信號(hào)源。當(dāng)研究人員嘗試捕捉一小片葉片變薄過(guò)程中的細(xì)微信號(hào)時(shí)，噪音太大，以至于傳感器直接被淹沒(méi)了。
Momeni教授表示：“當(dāng)時(shí)看起來(lái)似乎真的是‘不可能完成的任務(wù)’，因?yàn)槲覀兯^測(cè)的噪音水平要求太低，幾乎沒(méi)有信號(hào)源能夠真正進(jìn)行處理。”
因此，他們一度不確定是否能克服這一挑戰(zhàn)。Momeni教授團(tuán)隊(duì)指出，他們需要構(gòu)建一種在功能和精度方面比目前最先進(jìn)設(shè)計(jì)強(qiáng)10倍的雷達(dá)芯片。
有時(shí)，解決問(wèn)題可以從另一個(gè)角度著手。Hao Wang是Momeni教授高速集成系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的電氣工程博士生，他在2021年畢業(yè)前曾投身該傳感器項(xiàng)目。
有一天，Hao Wang與Momeni教授交流時(shí)，靈光乍現(xiàn)想出了繞過(guò)技術(shù)限制的思路：為什么不自己消除噪音？這能從理論上解決其傳感器面臨的問(wèn)題，當(dāng)時(shí)，Hao Wang正在為完成論文進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)。
“這不是憑空想象，這是一種全新的概念?！盚ao Wang解釋說(shuō)，“這是基于Momeni教授實(shí)驗(yàn)室多年來(lái)在研究中積累的經(jīng)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的創(chuàng)新?！?
Momeni教授實(shí)驗(yàn)室迅速構(gòu)建了一個(gè)傳感器原型，來(lái)測(cè)試Hao Wang的想法。令人欣喜的是，他們第一次嘗試就成功了。
這款原型之所以能成功，是因?yàn)樗軌蛳裉幚砗?jiǎn)單的算術(shù)問(wèn)題一樣處理傳感器接收到的噪聲量。它除去了不必要的噪聲，同時(shí)保持了測(cè)量靈敏度和數(shù)據(jù)的完整性。
憑借這項(xiàng)技術(shù)，毫米波雷達(dá)傳感器可以檢測(cè)所需要的所有信息，而不會(huì)被噪音“淹沒(méi)”。這一創(chuàng)新為傳感器提供了高準(zhǔn)確率。其雷達(dá)傳感器能夠在測(cè)量中實(shí)現(xiàn)4 μm靜態(tài)距離精度和39 nm（10 kHz）振動(dòng)距離靈敏度。
Hao Wang設(shè)計(jì)的芯片生產(chǎn)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)獨(dú)特，大大提高了毫米波傳感器的能效。這些額外優(yōu)勢(shì)可以解決毫米波傳感器面臨的兩個(gè)重要問(wèn)題：高能耗，以及半導(dǎo)體晶體管在噪聲、增益和輸出功率方面的限制。
研究團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)一步完善并迭代他們的設(shè)計(jì)，他們很高興研究人員能對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。除了FFAR項(xiàng)目之外，研究人員認(rèn)為這款毫米波雷達(dá)有望用于建筑結(jié)構(gòu)的完整性檢測(cè)，以及改善虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）應(yīng)用，相信其潛力遠(yuǎn)超想象。
