美國加州大學(xué)戴維斯分校（University of California, Davis）的研究人員近期開發(fā)了一種概念驗證傳感器，有望開創(chuàng)毫米波雷達(dá)的新時代。他們評價這種新設(shè)計為“不可能完成的任務(wù)”。

毫米波雷達(dá)通過向目標(biāo)發(fā)送快速傳播的電磁波，再由反射回來的電磁波分析目標(biāo)物體的運(yùn)動、位置和速度。毫米波的優(yōu)勢在于對微小運(yùn)動的天然靈敏度，以及聚焦并感知微觀物體數(shù)據(jù)的能力。

這種新型傳感器采用了創(chuàng)新的毫米波雷達(dá)設(shè)計，能夠檢測到比頭發(fā)絲小一千倍的振動位移，小一百倍的目標(biāo)位置變化，使其探測性能比肩甚至超越當(dāng)前世界上最精確的傳感器。然而，與同類產(chǎn)品不同的是，這款產(chǎn)品的尺寸僅為芝麻粒大小，并且生產(chǎn)成本低、功耗低。

這項研究工作由美國加州大學(xué)戴維斯分校電氣和計算機(jī)工程系的Omeed Momeni教授領(lǐng)導(dǎo)完成。該研究隸屬于食品與農(nóng)業(yè)研究基金會（FFAR）資助的正在進(jìn)行中的項目，該項目旨在開發(fā)一種能夠跟蹤植物水分狀況的低成本傳感器。Momeni教授領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)的這款新型毫米波雷達(dá)是證明該項目可行性的基礎(chǔ)之一。這項研究成果已發(fā)表于近期的IEEE Journal of Solid-State Circuits。

新型毫米波雷達(dá)能效高且生產(chǎn)成本低

毫米波雷達(dá)面臨的挑戰(zhàn)

毫米波是介于微波和紅外線之間的電磁波，波長為1~10 mm，頻率范圍覆蓋30~300 GHz。它可以實現(xiàn)5G等高速通信網(wǎng)絡(luò)，同時，憑借其短距離傳感能力而備受關(guān)注。不過，由于高功耗問題，以及在其頻率下半導(dǎo)體的性能限制，在實際應(yīng)用中面臨困難。

該項目旨在尋求一種實用、低成本、緊湊且非侵入性的檢測方法，來測量植物的水分狀況，以優(yōu)化灌溉。研究團(tuán)隊提出了一種雷達(dá)檢測方案，利用超短距離雷達(dá)來測量葉片厚度和體積含水量的變化，進(jìn)而計算葉片中的相對含水量。在研制該傳感器的第一年中，研究人員面臨的問題主要集中在所需要的信號源。當(dāng)研究人員嘗試捕捉一小片葉片變薄過程中的細(xì)微信號時，噪音太大，以至于傳感器直接被淹沒了。

Momeni教授表示：“當(dāng)時看起來似乎真的是‘不可能完成的任務(wù)’，因為我們所觀測的噪音水平要求太低，幾乎沒有信號源能夠真正進(jìn)行處理?！?

因此，他們一度不確定是否能克服這一挑戰(zhàn)。Momeni教授團(tuán)隊指出，他們需要構(gòu)建一種在功能和精度方面比目前最先進(jìn)設(shè)計強(qiáng)10倍的雷達(dá)芯片。

有時，解決問題可以從另一個角度著手。Hao Wang是Momeni教授高速集成系統(tǒng)實驗室的電氣工程博士生，他在2021年畢業(yè)前曾投身該傳感器項目。

有一天，Hao Wang與Momeni教授交流時，靈光乍現(xiàn)想出了繞過技術(shù)限制的思路：為什么不自己消除噪音？這能從理論上解決其傳感器面臨的問題，當(dāng)時，Hao Wang正在為完成論文進(jìn)行芯片設(shè)計。

“這不是憑空想象，這是一種全新的概念。”Hao Wang解釋說，“這是基于Momeni教授實驗室多年來在研究中積累的經(jīng)驗，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的創(chuàng)新。”

Momeni教授實驗室迅速構(gòu)建了一個傳感器原型，來測試Hao Wang的想法。令人欣喜的是，他們第一次嘗試就成功了。

這款原型之所以能成功，是因為它能夠像處理簡單的算術(shù)問題一樣處理傳感器接收到的噪聲量。它除去了不必要的噪聲，同時保持了測量靈敏度和數(shù)據(jù)的完整性。

憑借這項技術(shù)，毫米波雷達(dá)傳感器可以檢測所需要的所有信息，而不會被噪音“淹沒”。這一創(chuàng)新為傳感器提供了高準(zhǔn)確率。其雷達(dá)傳感器能夠在測量中實現(xiàn)4 μm靜態(tài)距離精度和39 nm（10 kHz）振動距離靈敏度。

Hao Wang設(shè)計的芯片生產(chǎn)簡單，設(shè)計獨(dú)特，大大提高了毫米波傳感器的能效。這些額外優(yōu)勢可以解決毫米波傳感器面臨的兩個重要問題：高能耗，以及半導(dǎo)體晶體管在噪聲、增益和輸出功率方面的限制。

研究團(tuán)隊正在進(jìn)一步完善并迭代他們的設(shè)計，他們很高興研究人員能對其進(jìn)行應(yīng)用實驗。除了FFAR項目之外，研究人員認(rèn)為這款毫米波雷達(dá)有望用于建筑結(jié)構(gòu)的完整性檢測，以及改善虛擬現(xiàn)實（VR）應(yīng)用，相信其潛力遠(yuǎn)超想象。