据麦姆斯咨询报道，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概念验证传感器，有望开创毫米波雷达的新时代。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。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。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。可以实现5G等高速通信网络，凭借其短距离传感能力而受到关注。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。”
一度不确定是否能克服这一挑战。Momeni教授团队指出，需要构建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，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，第一次尝试就成功了。
这款原型之所以能成功，是因为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。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设计，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。
编辑：黄飞
