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

毫米波雷達通過向目標發送快速傳播的電磁波，再由反射回來的電磁波分析目標物體的運動、位置和速度。毫米波的優勢在于對微小運動的天然靈敏度，以及聚焦并感知微觀物體數據的能力。

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

這項研究工作由美國加州大學戴維斯分校電氣和計算機工程系的Omeed Momeni教授領導完成。該研究隸屬于食品與農業研究基金會（FFAR）資助的正在進行中的項目，該項目旨在開發一種能夠跟蹤植物水分狀況的低成本傳感器。Momeni教授領導開發的這款新型毫米波雷達是證明該項目可行性的基礎之一。這項研究成果已發表于近期的IEEE Journal of Solid-State Circuits。

新型毫米波雷達能效高且生產成本低

毫米波雷達面臨的挑戰

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5G等高速通信網絡，同時，憑借其短距離傳感能力而備受關注。不過，由于高功耗問題，以及在其頻率下半導體的性能限制，在實際應用中面臨困難。

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，以優化灌溉。研究團隊提出了一種雷達檢測方案，利用超短距離雷達來測量葉片厚度和體積含水量的變化，進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。當研究人員嘗試捕捉一小片葉片變薄過程中的細微信號時，噪音太大，以至于傳感器直接被淹沒了。

Momeni教授表示：“當時看起來似乎真的是‘不可能完成的任務’，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行處理。”

因此，他們一度不確定是否能克服這一挑戰。Momeni教授團隊指出，他們需要構建一種在功能和精度方面比目前最先進設計強10倍的雷達芯片。

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

有一天，Hao Wang與Momeni教授交流時，靈光乍現想出了繞過技術限制的思路：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，當時，Hao Wang正在為完成論文進行芯片設計。

“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驗，并在此基礎上進行的創新。”

Momeni教授實驗室迅速構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據的完整性。

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

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

研究團隊正在進一步完善并迭代他們的設計，他們很高興研究人員能對其進行應用實驗。除了FFAR項目之外，研究人員認為這款毫米波雷達有望用于建筑結構的完整性檢測，以及改善虛擬現實（VR）應用，相信其潛力遠超想象。