毫米波传感器用于ADAS、机器人技术和安全系统

已创建：July 11, 2022
已更新：July 1, 2024

如今的电子产品因广泛使用传感器和人机界面（HMI）系统而与周围世界更加融为一体。当前的毫米波（mmWave）传感器以集成电路（IC）形式和模块形式出现，两者都为许多系统提供了紧凑的解决方案，包括机器人、无人机（UAV）、高级驾驶辅助系统（ADAS）和安全系统。毫米波传感的最著名应用领域分为两大类：雷达和无线通信，特别是5G和即将到来的6G系统。

尽管这两个领域最为人所熟知，但它们并不是毫米波工程师和系统设计师的唯一机会领域。毫米波传感器还可用于其他任务，如手势识别、占用者或物体检测、生命体征测量，甚至成像。在这些应用领域中，毫米波收发器和传感器是系统工程师构建其产品所需的技术支持。

如果您正在设计需要毫米波传感器的系统，市场上有多种选项可实现毫米波系统的多样化功能。

毫米波传感器及应用领域示例

除了5G和汽车雷达之外，毫米波辐射和感测还有多个应用领域，一些组件专为这些领域中的特定系统定制。其他组件适用于毫米波系统的通用使用，使它们成为研究新系统设计和架构的有用工具。

下面，我将探讨毫米波传感器今天正在使用的一些主要商业化领域，以及人们可能找到构建新产品的机会的地方。

汽车雷达

第一个领域是在高级驾驶辅助系统（ADAS）中，雷达与多个传感器（光学、超声波和短/长程雷达）一起用于汽车安全。在车辆中用于短程雷达的毫米波传感器操作在24 GHz，应用包括盲点监测、障碍物检测和碰撞避免。这些短程雷达一直使用ISM频段的24 GHz或超宽带（UWB）的21.65至26.65 GHz。然而，由于美国和欧洲的监管限制，UWB频段将在2022年变得过时。

如今的宽视场雷达和长距离聚焦雷达使用77 GHz的载波操作，后者可以提供大约250米的范围。商用雷达模块使用中心馈电的贴片天线来传输和接收频率调制连续波（FMCW）啁啾雷达信号。使用中心馈电的贴片天线提供了这些雷达所需的波束转向、方向检测和宽视场。

无人机和机器人

无人机和机器人都需要雷达来“看到”周围的世界并跟踪环境中的外部物体。无人机和其他机器人，如工业或家用机器人，可以在ISM频段的24 GHz下操作，或者在60 GHz下操作以获得更高分辨率的应用。就像汽车雷达一样，这些系统需要融合多个传感器的数据以及复杂的处理算法，以最大限度地利用毫米波信号和传感器。

安全

这是一个仍然不太为人所知的领域，但雷达可以集成到安全系统中，用于人数统计、物体检测和物体跟踪。智能基础设施是一个更通用的领域，在这里毫米波传感器可以用于物体检测和跟踪。毫米波雷达和传感器对于将计算感知带到边缘计算系统中起到了关键作用，其主要应用是在安全领域。这些雷达在成本和视野范围方面成功地取代了光学解决方案（即，用相机进行物体识别），因为准确的光学物体识别在如此远的距离上需要牺牲视野范围，并且需要更昂贵的光学组件。毫米波雷达和传感器在安全摄像系统中创建了一个有用的物体跟踪解决方案。

高分辨率和成像系统

虽然毫米波发射器和接收器对于检测目标非常有用，但这些系统通常不适用于成像。这主要是因为需要高分辨率波束成形。波束成形在系统设计方面的一个挑战是分辨率与发射器数量之间的关系。高分辨率成像需要更多的发射器，这反过来又需要在多个发射器之间同步，以便在所需的传播方向之间设置广播信号的相位延迟。

为了在大量发射器中同步更多的信号，你需要有多个收发器芯片被一个低频时钟同步，理想情况下是一个中频（IF）振荡器。这种同步振荡器只会在某些组件上可用；这种类型的系统是一个级联系统，因为它涉及到从多个组件中发射波的协调。

下面展示了一个单个毫米波传感器中的Tx/Rx同步示意图。这些示意图并行放置，并与同一个振荡器（LO）和时钟（CLK）同步。这为你提供了以相位同步方式发射的多个发射器。

在成像中另一个重要的因素是处理系统生成的大量数据。将这些数据传输回系统控制器（通常是具有适当IP的FPGA）需要路由一些非常高数据率的协议；雷达成像系统的最新技术使用10G或更高以太网进行数据传输。

毫米波传感器与雷达接收器

作为雷达收发器和毫米波传感器市场上的产品有什么区别？坦白说，除了它们针对的应用领域、信号的生成和使用方式，以及集成到毫米波组件中的功能数量外，没有太大区别。今天的雷达模块将使用专门的雷达收发器来满足其特定应用，其中汽车雷达收发器是一个很好的例子。毫米波传感器将被市场推广用于更一般的应用，如物体和水平检测、人员计数和跟踪或其他任务。

另一个主要区别是功能集成的水平。针对非常特定应用的组件将包括应用所需的功能（无论是在硬件架构还是固件方面）。尝试将通用毫米波传感器适配到更具体的应用中可能需要用外部MCU或其他组件进行补充。

一些通用毫米波传感器

德州仪器 IWR1642

德州仪器的IWR1642 毫米波传感器是一个通用毫米波传感器的例子，也可以作为雷达收发器使用。它包括4个接收通道和2个发送通道，以便在需要时进行方向控制。所有功能都可以通过外部MCU通过标准接口（SPI、I2C、UART、GPIO）或2通道LVDS接口进行编程，以访问原始ADC数据。此传感器设计用于76至81 GHz操作，并为安全和工业监控等应用提供集成的FMCW信号处理能力。

德州仪器 IWR6843

德州仪器的IWR6843 毫米波传感器IC比前一个组件更通用。该组件针对的应用范围在60至64 GHz之间，如功能安全应用和自动化。这个毫米波传感器包括一个片上DSP块，用于高级信号处理，以及用于FFT功能、过滤和CFAR处理的硬件加速器，以便于物体识别和跟踪。德州仪器还提供基于此组件的插件天线模块（MPN: IWR6843ISK）。

英飞凌BGT24LTR11英飞凌的BGT24LTR11毫米波传感器针对24 GHz应用，在非常小的尺寸中实现。这个组件只使用1个发送和1个接收通道，因此单个组件无法通过波束成形进行方向控制。然而，省去额外的发送/接收天线接口提供了比其他毫米波传感器或雷达收发器更小的尺寸，因此可以用作简单的发射器/探测器。任何需要小尺寸、无方向性和低功耗的24 GHz应用都可以从这个组件中受益。

对于这种类型的组件，另一种选择是通过级联实现高稳定性、高相干性24 GHz信号的波束成形。利用这些组件也可以实现独特的MIMO系统。除了单个接收/发送通道对外，这些组件的主要优势是通过输入调谐电压引脚进行温度驱动的频率漂移补偿。这消除了使用PLL/MCU来补偿温度漂移的需求。

毫米波产品的其他组件

毫米波应用仍在展开，频率被推向更高的极限。上述应用还需要一系列其他组件来构建完整的系统。设计师可能需要的其他组件包括：

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