Integrated 140 GHz FMCW Radar for Vital Sign Monitoring and Gesture Recognition

K. Vaesen, A. Visweswaran, S. Sinha, A. Bourdoux, B. van Liempd and Piet Wambacq, imec, Leuven, Belgium

一个集成的高性能140GHz调频连续波（FMCW）雷达系统可以探测微小运动，可用于许多应用场景。本文介绍了其主要功能，包括收发器特性及使用2×2 MIMO雷达组件测量生命体征。

自从20世纪30年代初引入第一批雷达系统以来，雷达技术已经有了很大的发展。在此期间，研究人员大幅减小了雷达尺寸、功耗和成本，同时提高了其分辨率并增强了算法的计算能力。IC技术的发展和进步使一些低功率、短距离毫米波雷达的载波频率在30GHz至300GHz范围内（对应波长10mm至1mm），进一步扩展了社会中普遍存在的无线应用场景。今天，雷达被嵌入许多汽车中，作为停车辅助设备或安全警示设备，用于检测行人、其他道路使用者及附近几米范围内的物体。

这些小尺寸的高频雷达几乎可以无形的集成到众多设备中，广泛用于智能和直观应用场景，例如建筑安全（如人员计数和入侵者检测）、汽车驾驶员的远程健康监控、监控患者的生命体征和姿势识别、实现直观的人机交互。随着雷达系统可以提供的距离分辨率更加精确，占地面积更小，能源效率更高并且成本更低，人们对于雷达的迫切需求在不断增长。

多种类型

虽然所有的雷达系统都遵循相同的基本原理，但不同的实现方法决定了雷达的成本、尺寸、功耗和能力。雷达可以根据载波的频率（如2.4GHz、8GHz、60GHz、79GHz、140GHz）、带宽、载波调制类型（如频率或相位）以及是脉冲或连续波（CW）进行分类。当然，高分辨率小型雷达将在具有宽带宽的高载波频率下工作。由于分辨率与带宽成反比，在100GHz以上频率工作的雷达系统可以提供非常宽的工作带宽，从而实现很高的距离分辨率。当源和目标相互靠近或分开时，将能观察到多普勒频移现象，即从目标反射回的电磁波频率发生变化。这种频移在高频带可以被更精确地测量，进而可以更准确地确定目标的速度。

随着时间的推移，来自多个传感器的数据，包括高光谱成像仪、红外摄像机和超声波传感器，都将被添加到雷达中，合并到一个通用平台上，每个平台都具有各自的优缺点。雷达技术是一种环境友好型解决方案，当涉及隐私问题或法规禁止使用相机时，它可以作为光学图像传感器的替代品。作为雷达传感技术发展的补充，物理模式识别的进步推动了先进的机器学习技术，并实现利用雷达的多普勒特征对物体或姿势进行分类。

140GHz FMCW雷达接收器集成电路

针对生命体征监测和姿势识别，IMEC开发了一款带有片上天线的140GHz FMCW雷达收发器。雷达的工作范围为0.15米至10米，射程分辨率为11毫米，射频带宽为13GHz，中心频率为145GHz。收发器IC采用28nm模块CMOS技术制造，可实现低成本的解决方案。

雷达的主要构建模块是集成收发器，收发器包括片上天线和子采样数字锁相环（PLL），形成FMCW啁啾发生器。集成在同一芯片上的天线之间的相互耦合，将导致发射（Tx）和接收（Rx）路径之间的串扰；然而，雷达的接收器中具有消除片上泄露的功能，因此可以避免这种串扰效应，但这可能导致增益压缩和DC偏移。雷达接收器可以测量反射和发射的RF啁啾频率之间的差异。这种频率差异被转换至MHz范围，在实现放大、滤波和模数转换方面比其他雷达波形（如相位调制的CW）更加容易。

PLL可以产生调频的CW信号，使用线性锯齿波形在宽频带范围内调制载波频率。调制锯齿的重复率称为啁啾率。IMEC开发并定义了28nm模块CMOS工艺制造的16GHz快速啁啾PLL（如图1a）。该PLL既可以在经典模式下工作，也可以在无分频器子采样模式下工作，具有一定的灵活性和高性能。PLL在30μs的啁啾周期内实现了1.5GHz的宽啁啾带宽，允许快速的锯齿调频（如图1b）。

图1：(a)16GHz FMCW PLL IC；(b)啁啾调制响应

多个收发器IC用于创建2×2 MIMO雷达，增强了单输入单输出雷达的距离和速度检测能力。MIMO增加了方位角分辨率，提供了解决目标方向的附加信息。

在MIMO结构中，一个中心频率为16GHz的啁啾信号被分配到多个Tx输入。使用级联的两个三倍频器将信号上变频到144GHz，然后通过片上天线进行放大和发射。辐射出的啁啾信号被位于天线宽边的目标反射并由片上接收器捕获。反射信号在接收器中被放大，并使用混频器与初始啁啾信号的复制信号进行比较。接收信号的延迟，即从信号发射到信号从目标返回的渡越时间，将导致接收信号频率与参考啁啾信号相比存在瞬间频偏。信号源与目标的距离越大，相对频移越大，并且从下变频信号的频率获得目标的范围也越大。接收器的输出模拟信号也被转换为数字信号，使其能够进行信号处理，进而提取目标的范围和速度。

发射机的特点是有效的各向同性辐射功率（EIRP）。对于集成的140GHz雷达原型，测得的EIRP高达11dBm，3dB带宽为127GHz至154GHz（如图2）。与目前发布的最先进的IC相比，这是单个集成收发器在D波段中有记录的最好EIRP（见表1）。接收机的噪声水平约8dB，转换增益为48dB（如图3）。雷达收发器IC的总功耗小于500mW。

图2：发射器EIRP

图3：接收器增益和有效的各向同性噪声表现

频率低于100GHz的雷达需要大型片外天线，这些天线通常在高频层压板上制造，并通过倒装芯片或引线键合接口连接到IC。开发和实现这些复杂的封装天线模块显著增加了最终雷达系统的成本和尺寸。但是，载波频率越高，其波长越小，天线单元的尺寸就越小。对于100GHz以上的载波频率，天线已经足够小，可以被集成在雷达芯片上。与印制电路板（PCB）上的片外天线相比，这种片上天线的解决方案具有明显的尺寸和成本优势。当天线集成在芯片上时，IC和PCB之间不需要毫米波转换，而该转换将会降低带宽和信号强度。在这种设计中，天线单元被集成在收发器的保护层中，Tx和Rx天线间隔2mm，以最大程度地减小串扰（如图4）。

图4：Rx和Tx天线被集成在IC的两侧。(a)接收器IC；(b)封装

对于包括姿势识别在内的许多应用场景来说，都需要高分辨率来捕获三维姿势。高分辨率可以通过MIMO雷达来实现，因为它们从多个Tx天线发射相互正交的信号，然后从每个Rx天线提取这些信号。IMEC展示了一个1×4虚拟阵列，带有三个收发器IC，包括两个发射器和两个接收器，构成了如图5所示的2×2 MIMO组件。该结构称为“1×4虚拟”，因为其角度分辨率对应于由排列在一行的四个单元得到。在这种结构中，中央啁啾信号被分配到PCB上的单独收发器芯片。利用超分辨率MUSIC算法，可以获得7.5度的精细角度分辨率，此时的完整MIMO雷达外形尺寸仅几平方厘米。

图5：包含三个收发器IC的MIMO雷达板

生命体征监测和姿势识别

140GHz MIMO雷达的两个主要应用有：生命体征监测和姿势识别。

已经有人提出并验证了实时监测生命体征的可行性，包括监测心率和呼吸。1×4 MIMO雷达捕获了“参考心脏”的1Hz和5Hz节拍，即一个扬声器振膜发生1mm位移的频率，如图6a所示。第二个实验证明了实时监测微皮肤运动的可行性，该皮肤运动反映了人的呼吸和心跳（如图6b）。将来，该雷达将拥有更强大的处理能力，对于心跳和呼吸之间的区分也将更加准确。

图6：MIMO雷达生命体征测量结果：(a)参考心跳；(b)皮肤运动反映的心跳和呼吸情况

目前，人们正在制造便携式1×4 MIMO雷达演示器，以实时测量生命体征。为了捕获姿势和运动，雷达必须具有高的角度分辨率，这将通过更大的MIMO阵列实现。另外，人们还在开发一种4×4虚拟MIMO雷达，每个雷达由一行和一列四个收发器IC实现，并以微多普勒信息和机器学习技术的附加处理能力进行辅助。机器学习将使用分类数据训练系统，以识别移动物体的多普勒特征。

总结

本文展示了一种非常紧凑的、完美集成的由28nm CMOS技术制造的140GHz FMCW雷达收发器。信号源由16GHz PLL啁啾信号经过上变频转化为中心频率145GHz的信号，RF带宽为13GHz，能够实现11mm的分辨率。该IC包含Tx和Rx信号路径以及集成天线。发射器测量到来自单个单元的11dBm的EIRP，而接收器分别实现了噪声8dB及转换增益84dB。在2×2和1×4虚拟MIMO结构中，实现了精细的角度分辨率。这些功能使雷达能够监测生命体征和姿势。IMEC目前正在制造便携式演示器，以进一步展示其140GHz MIMO雷达系统的功能。

IMEC还在为物联网应用开发其他紧凑型、低成本雷达传感解决方案，包括基于CMOS的8GHz、60GHz和79GHz雷达。这些IC旨在实现最先进的性能，并避免使用“特殊的”半导体技术。

致谢

作者感谢松下和索尼公司的支持。