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美开发验证传感器,有望开创毫米波雷达的新时代


  来源: 麦姆斯咨询 时间:2023-10-17 编辑:仪器仪表WXF
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美国加州大学戴维斯分校(University of California, Davis)的研究人员近期开发了一种概念验证传感器,有望开创毫米波雷达的新时代。他们评价这种新设计为“不可能完成的任务”。

 

 

毫米波雷达通过向目标发送快速传播的电磁波,再由反射回来的电磁波分析目标物体的运动、位置和速度。毫米波的优势在于对微小运动的天然灵敏度,以及聚焦并感知微观物体数据的能力。


这种新型传感器采用了创新的毫米波雷达设计,能够检测到比头发丝小一千倍的振动位移,小一百倍的目标位置变化,使其探测性能比肩甚至超越当前世界上最精确的传感器。然而,与同类产品不同的是,这款产品的尺寸仅为芝麻粒大小,并且生产成本低、功耗低。


这项研究工作由美国加州大学戴维斯分校电气和计算机工程系的Omeed Momeni教授领导完成。该研究隶属于食品与农业研究基金会(FFAR)资助的正在进行中的项目,该项目旨在开发一种能够跟踪植物水分状况的低成本传感器。Momeni教授领导开发的这款新型毫米波雷达是证明该项目可行性的基础之一。这项研究成果已发表于近期的IEEE Journal of Solid-State Circuits。


新型毫米波雷达能效高且生产成本低


毫米波雷达面临的挑战


毫米波是介于微波和红外线之间的电磁波,波长为1~10 mm,频率范围覆盖30~300 GHz。它可以实现5G等高速通信网络,同时,凭借其短距离传感能力而备受关注。不过,由于高功耗问题,以及在其频率下半导体的性能限制,在实际应用中面临困难。


该项目旨在寻求一种实用、低成本、紧凑且非侵入性的检测方法,来测量植物的水分状况,以优化灌溉。研究团队提出了一种雷达检测方案,利用超短距离雷达来测量叶片厚度和体积含水量的变化,进而计算叶片中的相对含水量。在研制该传感器的第一年中,研究人员面临的问题主要集中在所需要的信号源。当研究人员尝试捕捉一小片叶片变薄过程中的细微信号时,噪音太大,以至于传感器直接被淹没了。


Momeni教授表示:“当时看起来似乎真的是‘不可能完成的任务’,因为我们所观测的噪音水平要求太低,几乎没有信号源能够真正进行处理。”


因此,他们一度不确定是否能克服这一挑战。Momeni教授团队指出,他们需要构建一种在功能和精度方面比目前最先进设计强10倍的雷达芯片。


有时,解决问题可以从另一个角度着手。Hao Wang是Momeni教授高速集成系统实验室的电气工程博士生,他在2021年毕业前曾投身该传感器项目。


有一天,Hao Wang与Momeni教授交流时,灵光乍现想出了绕过技术限制的思路:为什么不自己消除噪音?这能从理论上解决其传感器面临的问题,当时,Hao Wang正在为完成论文进行芯片设计。


“这不是凭空想象,这是一种全新的概念。”Hao Wang解释说,“这是基于Momeni教授实验室多年来在研究中积累的经验,并在此基础上进行的创新。”


Momeni教授实验室迅速构建了一个传感器原型,来测试Hao Wang的想法。令人欣喜的是,他们第一次尝试就成功了。


这款原型之所以能成功,是因为它能够像处理简单的算术问题一样处理传感器接收到的噪声量。它除去了不必要的噪声,同时保持了测量灵敏度和数据的完整性。


凭借这项技术,毫米波雷达传感器可以检测所需要的所有信息,而不会被噪音“淹没”。这一创新为传感器提供了高准确率。其雷达传感器能够在测量中实现4 μm静态距离精度和39 nm(10 kHz)振动距离灵敏度。


Hao Wang设计的芯片生产简单,设计独特,大大提高了毫米波传感器的能效。这些额外优势可以解决毫米波传感器面临的两个重要问题:高能耗,以及半导体晶体管在噪声、增益和输出功率方面的限制。


研究团队正在进一步完善并迭代他们的设计,他们很高兴研究人员能对其进行应用实验。除了FFAR项目之外,研究人员认为这款毫米波雷达有望用于建筑结构的完整性检测,以及改善虚拟现实(VR)应用,相信其潜力远超想象。

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