雷達 (Radar) 的全名是＂Radio Detection and Ranging＂(無線電偵測和定距)，旨在藉電磁能量以定向方式計算空間中目標物之方向、高度、速度，進而推估形態；將它嵌入傳感器中，可在三維空間定位目標并衍生應用功能，例如，針對物理特性做分析、識別、決策及執行，但基于頻率、放大器效率、光刻技術節點、功能集成能力、數量和成本考慮，雷達技術正在發生質變，朝向能提供密集 4D 點云的 4D 成像雷達發展，期使雷達點云密度更接近光達的點云。另就工藝來看，砷化鎵 (GaAs) 正被硅鍺 (SiGe) 取代，但 CMOS 或 BiCMOS 是更新穎的版本。
此外，Si CMOS 或絕緣層上覆硅 (SOI) 等器件可集成更多功能到雷達芯片上，包括多個收發器、波形發生器和模擬數字轉換器 (ADC)。最新的 Si CMOS 甚至帶有儲存器的微控制器 (MCU) 及數字信號處理器 (DSP)，單芯片 (SoC) 趨勢明顯。封裝方式及電路設計亦有改變：1.WLP-BGA 或覆晶球柵數組 (BGA) 等晶圓級封裝正在興起；2.頂層由特殊射頻 (RF) 材料組成的混合電路板正在取代分別獨立的 RF 和數字電路板；3.小型天線數組朝向封裝天線 (AiP) 發展。舉凡自動駕駛、機器人或手勢控制等人機接口皆可見其蹤跡，特別適用于偵測細微動作。
圖1：ADAS 芯片采用本體偏置過程補償原理，在產品級別可顯著降低工藝散布 (Process Spread)
資料來源：https://www.gsaglobal.org/forums/fd-soi-a-technology-setting-new-standards-for-iot-automotive-and-mobile-connectivity-applications/
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神速探測＋邊緣 AI，還需要＂傳感器融合＂？
Markets and Markets 預估，2021 年全球汽車雷達市場預計將達 66.1 億美元，而兼具光、電之長的毫米波 (mmWave) 是位于 24～100GHz 的超高頻頻譜，最大優勢是：電波本身極短、完整電波包發送需時亦短，理論上可將延遲降低到 1 毫秒。這正是自駕車、無人機及工業物聯網 (IIoT) 用以避障、防撞、測量范圍或高度并做出回應的關鍵閾值。最新的毫米波汽車雷達系統使用短波電磁技術來確定被檢測物體的范圍、速度和相對角度，以 77GHz 頻段為主流，能區分微小的運動，是先進駕駛輔助系統 (ADAS) 和自動駕駛傳感器套件的關鍵組件。
Markets and Markets 預估，2021 年全球汽車雷達市場預計將達 66.1 億美元，而兼具光、電之長的毫米波 (mmWave) 是位于 24～100GHz 的超高頻頻譜，最大優勢是：電波本身極短、完整電波包發送需時亦短，理論上可將延遲降低到 1 毫秒。這正是自駕車、無人機及工業物聯網 (IIoT) 用以避障、防撞、測量范圍或高度并做出回應的關鍵閾值。最新的毫米波汽車雷達系統使用短波電磁技術來確定被檢測物體的范圍、速度和相對角度，以 77GHz 頻段為主流，能區分微小的運動，是先進駕駛輔助系統 (ADAS) 和自動駕駛傳感器套件的關鍵組件。
隨著傳感器數量日增，對網絡帶寬、遠程儲存和數據處理系統要求也迅速提高，＂邊緣智能＂開始蔚為風潮。與＂傳感器融合＂(Sensors Fusion) 集中處理數據反其道而行，為求更完整的串聯、避免毫米波受到建筑物等遮蔽或遭遇網絡壅塞，新興作法是在傳感器附近做更多運算，以大大減少需要在車輛周圍移動的數據量，但這需對現今車輛的設計進行根本性改變，以＂數據為起點＂來設計系統，這對于減少帶寬量、移動數據量、電力消耗和散熱至關重要。這亦大幅簡化了設計和測試工作，且測試可在整個生命周期隨時運行，有利于傳感器保持精準回應。
表：車用傳感器類型比較
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傳感器類型 |
優點 |
缺點 |
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攝影機 |
可提供高分辨率和顏色檢測，善于識別、區分目標物 |
可能被眩光蒙蔽，無法在黑暗或云、雨、霧、雪中看清 |
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超聲波
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40～100 kHz，覆蓋范圍達 10 公尺，能感測到相機無法應付的透明玻璃，且價格便宜、成本不到 1,000 美元 |
缺乏 ADAS 必要的范圍和響應速度 |
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光達 |
可提供周遭 360 度完整視圖，生成附近物體的 3D 圖像 |
價格昂貴 |
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毫米波雷達 |
可檢測遠距物體，可覆蓋 200 公尺并結合周圍物體的準確距離和速度估算 |
角分辨率不如相機，但可望經由改進解決 |
資料來源：筆者整理
另一方面，傳感器的老化會產生漂移現象、還會限制有效性，需要有一個基準來衡量這些變化，此時，可利用人工智能 (AI) 推論做補償。一旦將這些設備部署在最終使用環境中，還必須制訂故障緩解策略。先來了解一下成像雷達本質：使用多個雷達發射器 (Tx) 和接收器 (Rx) 捕獲并處理多個雷達信號產生所需的分辨率；若借助 MIMO (多輸入多輸出) 和波束成形等無線技術，亦可解決無法區分位于相同范圍／速度內物體的問題。
擁有＂超高角分辨率＂，區分相鄰物體并非不可行
新創公司 Metawave 近期展示名為＂SPEKTRA＂的 77GHz 模擬波束轉向 3D 雷達，能清晰檢測出 300 公尺以上的車輛和 200 公尺以上的行人；迄今已申請逾 150 項專利，并于 2019 年獲得首項授權。Metawave 介紹，以自有 MARCONI 77GHz 相位控制器和毫米波 IC 為核心，＂超高角分辨率＂是這款產品的特色。搭配校準系統使用，可使光束收、發在 ±22º 范圍內以 0.1º 為步長精確控制、區分彼此相鄰的物體，例如，緊挨著的汽、機車。此功能是角度或空間分辨率的函數，在方位角和仰角方向上的角分辨率都必須符合要求。
新創公司 Metawave 近期展示名為＂SPEKTRA＂的 77GHz 模擬波束轉向 3D 雷達，能清晰檢測出 300 公尺以上的車輛和 200 公尺以上的行人；迄今已申請逾 150 項專利，并于 2019 年獲得首項授權。Metawave 介紹，以自有 MARCONI 77GHz 相位控制器和毫米波 IC 為核心，＂超高角分辨率＂是這款產品的特色。搭配校準系統使用，可使光束收、發在 ±22º 范圍內以 0.1º 為步長精確控制、區分彼此相鄰的物體，例如，緊挨著的汽、機車。此功能是角度或空間分辨率的函數，在方位角和仰角方向上的角分辨率都必須符合要求。
在模擬域中的窄光束，使其能以高精度快速檢測整個車輛視場 (FoV) 中的物體并避開干擾。其聚焦光束和小橫截面可在遠距離和所有天候條件下檢測人、物，且窄波束和高角度精度能追蹤交錯往來，解決傳統雷達的痛點——須使用四個以上的收發器芯片進行數字波束成形 (Beamforming)，或是只能＂一閃而過＂某個寬視場，限制了可視范圍及準確區分附近物體的能力。不僅如此，Metawave 還計劃推出專有 AI 平臺＂AWARE＂以執行實時對象分類和標記，實現更快的 ADAS 處理效能。
圖2：Metawave SPEKTRA 波束控制模擬雷達展示遠程、高分辨率和準確性
資料來源：https://www.metawave.co/post/metawave-demonstrates-spektra-world-s-highest-resolution-analog-radar
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松下 (Panasonic) 去年底亦展示全新 79GHz 3D 成像雷達，就號稱感測結果不輸相機或光達等光學傳感器。利用其專有的不等距天線布局和 MIMO 信號處理技術，可識別前方 30 公尺以上的人、車等具體形狀，若非高速行駛、偵測范圍也有限，不一定要依賴傳感器融合。然而，光達能覆蓋 150 公尺的范圍，每秒采樣超過百萬個空間點，若要追蹤車輛的確切位置或捕捉忽然出現的臨時障礙物，光達仍具利基；畢竟，自駕車不是只有避障需求，還須配合高清地圖做更精細的導航和運動軌跡預測。
決戰 60GHz 頻段，兼顧隱私、覆蓋更廣
與此同時，松下正致力于將 60GHz 毫米波 WiFi 用于智能運輸系統 (ITS) 領域，作為 DSRC (專用短距離通信) 和4G/5G 網絡的補充。通過應用天線方向性和無線鏈路控制技術，松下已在新加坡南洋理工大學 (NTU) 的 ITS 展開測試。新趨勢是在傳感器附近做更多的運算，以大幅減少需要在車輛周圍移動的數據量；對于須做出立即回應的汽車傳感器來說，這一點尤其重要。索思未來 (Socionext) 也在去年底推出低功耗 60GHz 雷達傳感器 SC1220，工作功耗僅為 1?2.5mW，可實現靈活的工作周期 (占空比，Duty Ratio) 控制，將于今年第二季度量產。
與此同時，松下正致力于將 60GHz 毫米波 WiFi 用于智能運輸系統 (ITS) 領域，作為 DSRC (專用短距離通信) 和4G/5G 網絡的補充。通過應用天線方向性和無線鏈路控制技術，松下已在新加坡南洋理工大學 (NTU) 的 ITS 展開測試。新趨勢是在傳感器附近做更多的運算，以大幅減少需要在車輛周圍移動的數據量；對于須做出立即回應的汽車傳感器來說，這一點尤其重要。索思未來 (Socionext) 也在去年底推出低功耗 60GHz 雷達傳感器 SC1220，工作功耗僅為 1?2.5mW，可實現靈活的工作周期 (占空比，Duty Ratio) 控制，將于今年第二季度量產。
毫米波雷達還可通過無人機實現距離測量，并避免碰撞和軟著陸。愛因斯坦 (Ainstein) 是目前無人機完整雷達系統的唯一供貨商，去年初獲選為內華達州 2019 NASA UTM (無人飛機系統交通管理) 合作伙伴，為空域平臺提供防撞傳感器，這是無人機達陣＂超越操控視線＂(BVLOS) 及順應空氣流動所不可或缺的；其＂μSharp 貼片防撞雷達＂只有信用卡大小，便于安裝在小型無人機。去年底，其 US-D1 無人機雷達高度計亦獲美國聯邦通信委員會 (FCC) 授權；今年初，再于美國消費電子展 (CES) 展出 60GHz 物聯網 (IoT) 雷達傳感器 WAYV Air。
圖3：WAYV Air 基于 60GHz 雷達感測技術，供室內／室外環境檢測和追蹤人員之用，有助于實現建筑自動化、空間利用率及安全性
資料來源：https://www.metawave.co/post/metawave-demonstrates-spektra-world-s-highest-resolution-analog-radar
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WAYV IoT 系統包辦短、中、長距，能在各種情況追蹤、分析人／車流量，以改善路況、優化零售商店布局或協助旅館規劃救援動線，以實現建筑自動化、空間利用率及安全性。愛因斯坦表示，此類傳感器無法識別特定個人或使用臉部辨識，沒有隱私問題；另有別于超聲波，毫米波傳感器可布建在天花板后面等隱秘處，更為美觀、覆蓋范圍更廣。愛因斯坦還為德州儀器 (TI) 開發用于人數統計、人群監管、改善工業環境安全及空調／照明的雷達評估板，同時正進軍汽車領域，今年初甫與一階 (Tier1) 供貨商 ADAC Automotive 展示車用毫米波雷達模塊。
24GHz 雷達感測將走入歷史，＂級聯成像＂加速、簡化高清開發
特別一提的是，FCC 和歐洲電信標準協會 (ETSI) 為免 5G 設備受到太多干擾，已明令禁止雷達傳感器使用 24GHz 頻段，此規格只提供至 2021 年底，接棒而起的毫米波頻段將是 60、77 和 79～81 GHz。TI 主張，77GHz 頻段主要用于汽車，而 60GHz 是工業安全應用優選，目標應用包括建筑物／工廠自動化系統、交通監控、物料搬運、人員檢測／計數和智能機器人。EchoDrive 日前推出標榜＂可增強機器學習認知＂的新型雷達即是結合 TI 毫米波傳感器；嵌入傳感器后，自動停車搜尋模式的最大測量精度為 40 公尺，停車模式則接近 0～20 公尺。
特別一提的是，FCC 和歐洲電信標準協會 (ETSI) 為免 5G 設備受到太多干擾，已明令禁止雷達傳感器使用 24GHz 頻段，此規格只提供至 2021 年底，接棒而起的毫米波頻段將是 60、77 和 79～81 GHz。TI 主張，77GHz 頻段主要用于汽車，而 60GHz 是工業安全應用優選，目標應用包括建筑物／工廠自動化系統、交通監控、物料搬運、人員檢測／計數和智能機器人。EchoDrive 日前推出標榜＂可增強機器學習認知＂的新型雷達即是結合 TI 毫米波傳感器；嵌入傳感器后，自動停車搜尋模式的最大測量精度為 40 公尺，停車模式則接近 0～20 公尺。
有鑒于創建 MIMO 雷達系統是一大挑戰，TI 備有＂級聯毫米波傳感器成像雷達＂參考設計——級聯成像雷達射頻 (RF) 系統，可加速并簡化高分辨率成像雷達的開發，支持長距離雷達 (LRR) 波束成形應用，并具有增強角分辨率性能的中距離雷達 (MRR) 和短距離雷達 (SRR) MIMO應用。其雷達傳感器是單芯片調頻連續波 (FMCW) 設備——發送一個頻率不斷增加的射頻能量之＂線性調頻脈沖＂信號，采用 RFCMOS 工藝可讓單芯片得以容納三個發射器 (Tx)＋四個接收器 (Rx) 通道，并內置鎖相回路 (PLL) 和模擬數字轉換器 (ADC) 系統。
圖4：TI 雷達傳感器產品配置
資料來源：http://www.ti.com/lit/wp/spyy009/spyy009.pdf
資料來源：http://www.ti.com/lit/wp/spyy009/spyy009.pdf
傳感器還嵌入用于處理雷達信號的 DSP 子系統，而內置的自動偵測處理器子系統則負責無線電配置、控制和校準，另具備一個板上可編程的 Arm Cortex-R4F 處理器用于進行對象追蹤、分類，以及 AUTOSAR (汽車開放系統架構) 和接口控制。今年驚艷 CES 的醫療保健技術供貨商 Essence Group，其展示的跌落檢測器即采用 TI 60GHz 3D 毫米波感測技術；無獨有偶，同樣在 CES 2020 引起矚目的還有臺灣科技新創基地 (TTA) 領軍的開酷科技 (KaiKuTek) 等一眾臺灣廠商，亦看好 60GHz mmWave WiGig (Wireless Gigabit，即 802.11ad) 在手勢識別的潛力。
深度學習算法＆AI 加速器加持，更勝一籌
開酷科技進一步結合毫米波、深度學習 (Deep Learning) 算法和 AI 加速器，開發出全球首款完整集成的 60GHz 手勢識別／追蹤單芯片 (SoC)，并公開宣稱 60GHz 有幾大吸引力：1.最大帶寬可達 10Gbps，且其徑向分辨率 (radial resolution) 的有效距離近乎 1.5 cm，對于手勢識別等細微動作尤其重要；2.空中的毫米波信號會迅速衰減，60GHz 非常適合＜10m 的視線和短距離應用；3.使用定向天線，可提供更好的隱私保護并減少干擾。上述 SoC 具備低延遲特性，擬于今年底量產，手機、穿戴設備、游戲運動感測／控制和智能家居是首要目標。
開酷科技進一步結合毫米波、深度學習 (Deep Learning) 算法和 AI 加速器，開發出全球首款完整集成的 60GHz 手勢識別／追蹤單芯片 (SoC)，并公開宣稱 60GHz 有幾大吸引力：1.最大帶寬可達 10Gbps，且其徑向分辨率 (radial resolution) 的有效距離近乎 1.5 cm，對于手勢識別等細微動作尤其重要；2.空中的毫米波信號會迅速衰減，60GHz 非常適合＜10m 的視線和短距離應用；3.使用定向天線，可提供更好的隱私保護并減少干擾。上述 SoC 具備低延遲特性，擬于今年底量產，手機、穿戴設備、游戲運動感測／控制和智能家居是首要目標。
最新加入 60GHz 戰局的還有英飛凌 (Infineon)，剛發表首個集成到智能手機的雷達系統，集成天線的尺寸僅為 6.5 mm x 5 mm；通過檢測微小的動作和手勢讓手機等設備做出預期反應，并僅在需要時才啟用，節省能源。他們認為，手勢識別是人機交互最直觀的方式之一，可代替觸摸或點擊之類的界面；最重要的是，可檢測到紅外光 (PIR) 等其他技術幾乎看不到的運動來實現智能照明，亦可提升智能音箱的音頻質量。除了保護隱私，雷達傳感器不需開口或借助透鏡，可感應多種材料進而節省成本，且不受環境光和操作環境影響亦極具吸引力。
