60GHz＋24GHz毫米波雷達(dá)聯(lián)手鋪開工業(yè)應(yīng)用

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）不論在日常生活的消費(fèi)電子領(lǐng)域，還是在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，抑或是在汽車自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，強(qiáng)大且全面的傳感技術(shù)一直是備受關(guān)注的，這也是傳感器融合概念興起的原因。

雷達(dá)融合其他傳感在很多工業(yè)自動(dòng)化場(chǎng)景的邊緣設(shè)備中很常見。作為一種能夠提供距離、速度和角度數(shù)據(jù)的傳感器，雷達(dá)，尤其是毫米波雷達(dá)能以極高的準(zhǔn)確度感測(cè)多種物體，而且?guī)缀醪皇墉h(huán)境影響。

工業(yè)毫米波雷達(dá)，60GHz漸成主流

24GHz、60GHz和77GHz是大多數(shù)毫米波傳感使用的頻段，這三個(gè)頻段的區(qū)別主要在帶寬上。77GHz頻段的毫米波雷達(dá)波長(zhǎng)只有3.9mm，帶寬極高，帶寬的大小則直接影響到雷達(dá)的范圍分辨率、準(zhǔn)確性和魯棒性。

工信部發(fā)布的《汽車?yán)走_(dá)無線電管理暫行規(guī)定》將76-79GHz頻段規(guī)劃用于汽車?yán)走_(dá)，并限制了其他地面雷達(dá)對(duì)該頻段的使用。在此前76-79GHz頻段還沒有被重新調(diào)整為汽車?yán)走_(dá)頻段時(shí)，之前的工業(yè)及消費(fèi)品領(lǐng)域也有一些應(yīng)用該頻段毫米波的例子，比如機(jī)器人領(lǐng)域，科沃斯2020年曾推出一款應(yīng)用了77GHz毫米波雷達(dá)的商用機(jī)器人。

隨著77GHz受限，毫米波在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，24GHz頻段的帶寬開始顯得不夠用。作為最先投入消費(fèi)市場(chǎng)和工業(yè)市場(chǎng)的毫米波，24GHz毫米波雷達(dá)受限于測(cè)量精度，拓展應(yīng)用范圍有些艱難。不過這并不代表傳統(tǒng)的24GHz毫米波雷達(dá)失去了競(jìng)爭(zhēng)力，24GHz毫米波發(fā)展至今，技術(shù)已經(jīng)極為成熟而且成本也相對(duì)低廉，在消費(fèi)市場(chǎng)和工業(yè)市場(chǎng)還有不少可以發(fā)揮的空間。

高頻段受限，低頻段帶寬不夠，60GHz毫米波以足夠的帶寬、足夠的精度、豐富的點(diǎn)云數(shù)據(jù)成為全球工業(yè)場(chǎng)景中雷達(dá)傳感應(yīng)用最合適的選擇。60GHz毫米波雷達(dá)波長(zhǎng)為5mm，具有高達(dá)7GHz可用于短程應(yīng)用的免許可帶寬，最直觀的效果就是密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。從上圖中可以看到，即便沒有采用60GHz頻段最高的帶寬，相較于最高的帶寬的24GHz毫米波點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在相同F(xiàn)oV中點(diǎn)云密集程度也相差巨大。現(xiàn)在技術(shù)廠商在非車規(guī)級(jí)領(lǐng)域毫米波的競(jìng)爭(zhēng)，也都以60GHz頻段為主。

高性價(jià)比的24GHz工業(yè)毫米波

成熟的技術(shù)以及相對(duì)低的成本，24GHz毫米波在工業(yè)領(lǐng)域仍然有著相當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)，是富有性價(jià)比的選擇。在這個(gè)頻段競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)廠商，高集成的信號(hào)鏈設(shè)計(jì)已經(jīng)是家常便飯了，從放大器、混頻器、到接收器到轉(zhuǎn)換器到雷達(dá)模塊，功能齊全而且設(shè)計(jì)靈活。

24GHz毫米波雷達(dá)芯片能做到的性能功耗現(xiàn)在已經(jīng)能做到很優(yōu)秀了。以噪聲系數(shù)為例，卓越的低噪聲性能可以為雷達(dá)系統(tǒng)帶來更高的能效，現(xiàn)在的24GHz雷達(dá)芯片組已經(jīng)做到了≤10 dB噪聲系數(shù)，比如ADI的EV-TINYRAD24G，矽杰微電子SRK2401A。

功耗是另一個(gè)比拼的重點(diǎn)，以4通道接收同時(shí)開啟為例，領(lǐng)先的24GHz雷達(dá)芯片組能做到≤550mW的超低功耗。在24GHz雷達(dá)系統(tǒng)能覆蓋需求的工業(yè)應(yīng)用下，24GHz雷達(dá)系統(tǒng)是成本和能效性價(jià)比最高的選擇。

60GHz工業(yè)毫米波，覆蓋24GHz無法滿足的應(yīng)用

60GHz毫米波首先帶來最直觀的是密集點(diǎn)云上的優(yōu)勢(shì)，大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)增強(qiáng)了識(shí)別準(zhǔn)確率并避免了錯(cuò)誤觸發(fā)，這只是一方面。

還有兩個(gè)和傳感性能息息相關(guān)的指標(biāo)，速度分辨率和范圍分辨率。范圍分辨率上60GHz與77GHz沒有太多差別（3.75cm），24GHz在最高帶寬下范圍分辨率是60cm，差別還是很大的。這意味著數(shù)據(jù)的精細(xì)程度有數(shù)量級(jí)的差別。速度分辨率倒是與帶寬沒有聯(lián)系，它取決于中心頻帶的高低，影響雷達(dá)追蹤物體橫向移動(dòng)的精準(zhǔn)度。60GHz中心頻帶提供的速度分辨率大概是24GHz的2.5倍，能夠更穩(wěn)定的追蹤移動(dòng)物體。在很多以往24GHz無法覆蓋的工業(yè)應(yīng)用里，60GHz毫米波完成了覆蓋，比如無接觸手勢(shì)檢測(cè)。

英飛凌的高端XENSIV 60GHz毫米波FMCW工作模式可以跨越5.5 GHz的超寬帶寬，檢測(cè)毫米范圍內(nèi)的微動(dòng)，檢測(cè)范圍可達(dá)5 m，功耗低于5mW。該60GHz雷達(dá)配備四個(gè)四態(tài)（QS1-4）輸入引腳，即使處于自動(dòng)模式也可靈活配置性能參數(shù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)自由度。

TI的毫米波雷達(dá)一改傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)系統(tǒng)分立式的組件讓人難以接受的成本和尺寸問題，集成各類組件，通過高性能集成射頻互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS雷達(dá)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了超高分辨率單芯片60GHz傳感器。不管是集成封裝天線，集成處理功能還是集成MCU和硬件加速器的方案，都滿足了工業(yè)領(lǐng)域中雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)于低功耗、自監(jiān)控、超精確感測(cè)的要求。

小結(jié)

在24GHz毫米波雷達(dá)性能無法覆蓋的應(yīng)用里，60GHz毫米波雷達(dá)通過更大的帶寬、更高的分辨率、更高的精度，以及更先進(jìn)的設(shè)計(jì)覆蓋了工業(yè)領(lǐng)域的傳感需求。二者相互補(bǔ)足，在非車規(guī)應(yīng)用領(lǐng)域里聯(lián)手鋪開更成熟更廣泛的應(yīng)用。