2017年有超過2億顆24GHz盲點偵測(BSD)感測器出貨,如圖1全球24GHz BSD需求趨勢所示。其中現有有顯著出貨量的源頭是來自於汽車工業。

20180417NT01P1 圖1 全球24GHz BSD需求趨勢。(圖片來源:英飛凌)

每個國家對從2.4GHz~200GHz這些頻段都有不同的定義,現在微波爐應用集中在是2.4GHz、5G部分有sub-4GHz、汽車是77GHz。

在工業和自動化領域,越來越多的新興應用採用毫米波解決方案進行感測,大多選用的是24GHz和60GHz,這個頻段已經被分配給工業領域免費使用,在各個不同的國家和法規上面屬於定義明確的頻段。如圖2所示。

20180417NT01P2 圖2 雷達的頻段越高,波長越短,波長越短,解析度和準確度會越高,這是雷達波的特性。(圖片來源:英飛凌)

其中,24GHz在空間和運動的感測方面,被廣泛的用於智慧家庭、智慧開門系統、智慧建築、工業機器人或者是智慧型工業等。

20180417NT01P3 圖3 借助24GHz雷達實現空間和運動感測。

60GHz則頻率更高波長更短,除了上述應用,還適合做一些生命特徵感測。英飛凌(Infineon)電源管理及多元化市場事業部大中華區射頻及感測器部門總監麥正奇在第七屆EEVIA年度中國ICT媒體論壇暨2018產業和技術展望研討會上指出,「我們有客戶利用雷達偵測心跳或者是呼吸。它的探測距離可以更遠,因為天線設計比較靈活,能夠為不同場景做不同的天線設計。」

高頻段的天線大小可以設計的比較小,對光或者外界環境不受干擾,用於人機互動有著比較先天的優勢。

麥正奇表示,「60GHz是穿透性,所以可以將其設計在產品下面,針對物品移動或者手勢變化,其7GHz的頻寬可以更精准做出偵測或回饋。它可以用在非接觸手勢控制,例如實現可穿戴設備的手勢控制。」

如果把60GHz整合在智慧音箱裡,則可以用來偵測使用者的近/遠,或者手勢變化,從而實現更好的人機互動。

20180417NT01P4 圖4 借助60GHz雷達實現空間和運動感測。

麥正奇指出,「我們做出來的60GHz很多是手勢辨識應用,它的距離可能是30公分以內,但如果在天線的設計上面有做改變,它距離可達10公尺以上。」

Google和英飛凌的合作專案Project Soli,就是利用英飛凌提供的60GHz雷達感測器監測空中手勢動作,從而追蹤亞毫米精准度的高速運動。去年,英飛凌開始最佳化第二代微波天線整合雷達手勢辨識感測器Soli-C。

20180417NT01P5 圖5 Google和英飛凌的合作項目Project Soli。

雷達在應用領域有著無限的可能,在中國市場,電子技術設計(EDN)中國版已經報導了不少24GHz/60GHz的方案在安防應用、盲點偵測和智慧家居應用中的成功案例。

麥正奇透露,「每天都會看到一些新的應用,包括醫療、工業、或者人機互動。如果很單純以生意或市場層面以量作為考量,我認為最大的應用可能是人機互動或者手機。」

毫米波雷達的挑戰

毫米波的首要挑戰,是面對已有的競爭技術,畢竟業界已經有紅外線、雷射雷達等解決方案在市場站穩了腳跟。

其次就是定制化演算法。不同的應用要有不同的演算法,不同的演算法要有不同的專家來做研發,這為設計帶來了門檻。

還有就是法規。毫米波是一個比較高頻的頻段,在其無線電規範上每個國家/地區所制定的法規和後面的政策還沒有完整的被定義,尤其是那些還沒有真正被大量使用的波段。這些都是需要進一步跟進和探討的。

附錄:關於雷達的原理和實現方式

雷達利用無線電波來探測存在、方向、距離和速度,除了汽車,這些用途可以拿來做很多不同的應用。

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速度——利用都卜勒效(Doppler Effect)可以計算出移動的速度;

範圍/目標距離——利用電磁波或者是FSK等方式做演算;

角度/目標方向——根據天線的相位差計算;

目標位置——根據調頻連續波FMCW的演算方式計算。

雷達的硬體部分,包括發射器、接收器,以及訊號處理,下圖中PCB的背面做了天線,負責把電能轉化成電磁波。

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雷達在硬體上完成之後,很重要的一部分是怎麼去演算和應用這些演算法得到想要的結果,軟體也是雷達最主要的方面。還有必須的GUI,這兩部分是除了硬體之外必須要有的工具。

取決於雷達功能和雷達可支援的運行模式,雷達可以在多種不同模式下工作。下面列出了三種主要的工業雷達運作模式。

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未來演算法還會不斷地增加,複雜度也會不斷地增加。