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TechnicalFeature 技术特写

4522 m 转换将会降低带宽和 生命体征的可行性，包括监测心率和呼
信号强度。在这种设 吸。1×4 MIMO雷达捕获了“参考心
计中，天线单元被集 脏”的1Hz和5Hz节拍，即一个扬声器振
1450 m Tx Rx 成在收发器的保护层 膜发生1mm位移的频率，如图6a所示。
中，Tx和Rx天线间
第二个实验证明了实时监测微皮肤运动
隔 2mm ，以最大程 的可行性，该皮肤运动反映了人的呼吸
度地减小串扰（如图 和心跳（如图6b）。将来，该雷达将拥
4）。 有更强大的处理能力，对于心跳和呼吸
(a)
对于包括姿势 之间的区分也将更加准确。
识别在内的许多应用 目前，人们正在制造便携式1×4
PCB Pattern Fill
Mask 场景来说，都需要高 MIMO雷达演示器，以实时测量生命体
PCB Top-Metal 分辨率来捕获三维 征。为了捕获姿势和运动，雷达必须具
Opening
姿势。高分辨率可以 有高的角度分辨率，这将通过更大的
Tx
Antenna 通过MIMO雷达来实 MIMO阵列实现。另外，人们还在开发
3.7 mm 现，因为它们从多个 一种4×4虚拟MIMO雷达，每个雷达由
Tx天线发射相互正交
一行和一列四个收发器IC实现，并以微
的信号，然后从每个 多普勒信息和机器学习技术的附加处理
450 m Rx天线提取这些信 能力进行辅助。机器学习将使用分类数
Rx
Antenna 号。IMEC展示了一 据训练系统，以识别移动物体的多普勒
个1×4虚拟阵列，带 特征。
Dipole
Seal Ring Absorber 有三个收发器IC，包
Element
括两个发射器和两个 总结
(b) 接收器，构成了如图 本文展示了一种非常紧凑的、完
图4：Rx和Tx天线被集成在IC的两侧。(a)接收器IC；(b)封装。 5所示的2×2 MIMO 美集成的由28nm CMOS技术制造的
组件。该结构称为 140GHz FMCW雷达收发器。信号源由
154GHz（如图2）。与目前发布的最先 “1×4虚拟”，因为其角度分辨率对应 16GHz PLL啁啾信号经过上变频转化
进的IC相比，这是单个集成收发器在D 于由排列在一行的四个单元得到。在这 为中心频率145GHz的信号，RF带宽为
波段中有记录的最好EIRP（见表1）。 种结构中，中央啁啾信号被分配到PCB 13GHz，能够实现11mm的分辨率。该
接收机的噪声水平约8dB，转换增益为 上的单独收发器芯片。利用超分辨率 IC包含Tx和Rx信号路径以及集成天线。
48dB（如图3）。雷达收发器IC的总功 MUSIC算法，可以获得7.5度的精细角度 发射器测量到来自单个单元的11dBm
耗小于500mW。 分辨率，此时的完整MIMO雷达外形尺 的EIRP，而接收器分别实现了噪声8dB
频率低于100GHz的雷达需要大型片 寸仅几平方厘米。 及转换增益84dB。在2×2和1×4虚拟
外天线，这些天线通常在高频层压板上 MIMO结构中，实现了精细的角度分辨
制造，并通过倒装芯片或引线键合接口 生命体征监测和姿势识别 率。这些功能使雷达能够监测生命体征
连接到IC。开发和实现这些复杂的封装 140GHz MIMO雷达的两个主要应用 和姿势。IMEC目前正在制造便携式演示
天线模块显著增加了最终雷达系统的成 有：生命体征监测和姿势识别。 器，以进一步展示其140GHz MIMO雷达
本和尺寸。但是，载波频率越高，其波 已经有人提出并验证了实时监测 系统的功能。
长越小，天线单元的尺寸就越小。对于 IMEC还在为物联网应用开发其他
50
100GHz以上的载波频率，天线已经足够 紧凑型、低成本雷达传感解决方案，包
小，可以被集成在雷达芯片上。与印制 25 括基于CMOS的8GHz、60GHz和79GHz
电路板（PCB）上的片外天线相比，这 雷达。这些IC旨在实现最先进的性能，
种片上天线的解决方案具有明显的尺寸 Phase (˚) 0 并避免使用“特殊的”半导体技术。■
和成本优势。当天线集成在芯片上时， –25
IC和PCB之间不需要毫米波转换，而该 致谢
–50
0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 作者感谢松下和索尼公司的支持。
(a) Time (s)
1000 参考文献
1. J. Grzyb et al., “A 210–270-GHz Circularly polarized
500 FMCW Radar with a Singlelens-Coupled SiGe HBT Chip,”
Phase (˚) 0 2. B. Ginsburg et al., “A 160 GHz Pulsed Radar in 65nm
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CMOS,” IEEE JSSC., Vol. 49, No. 4, April 2014, pp.
–500 984–995.
3. B. Ginsburg et al., “A Multimode 76-to-81GHz Automotive
–1000 Radar Transceiverwith Autonomous Monitoring,” ISSCC,
0 5 10 15 20 2018, pp. 158–159.
(b) Time (s) 4. H.J. Ng et al., “Miniaturized 122 GHz System-on-Chip
Radar Sensor with On-Chip Antennas Utilizing a Novel
图6：MIMO雷达生命体征测量结果：(a) Antenna Design Approach,” IEEE MTT-S Int. Microwave
Symp., 2016.
参考心跳；(b)皮肤运动反映的心跳和呼
图5：包含三个收发器IC的MIMO雷达板。 吸情况。
50 www.mwjournalchina.com Microwave Journal China 微波杂志 Jul/Aug 2019