避開新規毫米波禁用頻段　工業雷達感測器邁向60GHz

毫米波感測器的獨特優勢在於其可穿透過多種材料(如玻璃和乾燥牆壁)感測到人體和物件，因其可以利用射頻(RF)而非光或聲音進行感測。即使有煙霧、雨水和弱光等環境因素，毫米波感測器也可以正常運作。上述穩健的特性使其能夠在室內和室外應用，包括相對位移偵測、安全防護裝置、照明控制系統和智慧運輸系統中發揮強大的性能。

雷達感測使用多個射頻頻段，不同地區對各個頻段的規範有所差異。大多數射頻感測器使用24GHz、60GHz和77GHz無線電頻段。在汽車應用中通常使用77GHz頻段，但此頻段在全球多數地區對工業工廠、建築和城市基礎設施之應用(包括需要人機互動的應用)是有些限制的。

歐洲電信標準協會(ETSI)和美國聯邦傳播委員會(FCC)制定的頻譜規則和標準自2018年9月起禁止新產品使用24GHz超寬頻段。所有使用24GHz超寬頻段(Ultra-wide Band, UWB)的現有產品必須在2022年之前逐步淘汰。

上述規範的改變直接降低了感測器的距離解析度，同時對其穩健性和精確度也產生了不利影響。因此工程師在使用密集點雲(Point Cloud)的資料運算上，需要尋求改善的方法，以便在24GHz的頻段禁用後還能使雷達偵測達到最佳性能。

然而，60GHz頻段的使用則並未受到限制。使用該頻段的感測器能夠以高精準度採集豐富的點雲資料，使60GHz成為全球工業環境中雷達感測應用的理想替代方案。

24GHz/60GHz頻段

24GHz頻段有兩個主要部分，分為超寬頻段和窄頻段(NB)，圖1顯示了24GHz頻段和60GHz頻段。

UWB的頻率範圍為21.65GHz至26.65GHz，最大頻寬為5GHz。NB是用於工業、科學和醫療(ISM)的頻段，頻率範圍為24.0GHz至24.25GHz，頻寬僅為250MHz。

由於歐洲電信標準協會和美國聯邦傳播委員會制定的頻譜規則和標準，24GHz的UWB將被淘汰。截至2022年1月1日，24GHz UWB將不再允許在歐洲和美國進行工業用途。其他地區預計也將實施類似的規定。

目前已有廠商的60GHz毫米波感測器可提供4GHz的UWB頻寬，一旦法規生效，其可用頻寬將達到16倍。由於距離解析度與可用頻寬有相當大的關係，因此在高精確雷達應用中，60GHz毫米波感測器將提供比24GHz感測器更好的性能。

豐富點雲資料

感應物體是毫米波感測器的關鍵功能，但許多應用需要的不僅僅是簡單的物體偵測。例如，相對運動偵測是毫米波可以輕易解決的常見案例。雖然其他技術可以充分偵測到房間中有人，但通常人數統計和追蹤還需要大量的點雲資料來更準確地識別個人，同時避免產生誤判。

毫米波豐富的點雲資料可以強化感測器在可視範圍(Field of View, FoV)中識別出的物件數量，指出它們的位置並進行分類。其中，分類的一個例子是在室內所有雷達反射訊號叢集中辨識出人，而非吊扇，百葉窗或其他物體。透過毫米波，甚至能識別特定物件是什麼，例如區分狗和人，以及應用於與周邊安全的相關偵測。

此外，交通和十字路口監控是另一種應用，其中感測器需要準確地區分兩個以平行速度行駛的汽車，以及計算停車場中的汽車數量或追蹤行人動作。在各種情況下，豐富的點雲資料對保持高精確量測而言至關重要。點雲資料來自毫米波感測器中的四個參數：x、y、z軸中的資料以及徑向速度資料。若要採集有效的資料，感測器必須同時具備精密的距離解析度和速度解析度。

距離解析度

精密的距離解析度使工業系統能夠可靠地識別和區別間隔緊密的物體。距離解析度會隨著雷達訊號可用頻寬的變化而變化。雖然目前60GHz和24GHz頻段的性能相當，但當未來規則更改為限制24GHz至250MHz的頻寬時，距離解析度將大幅下降並影響其雷達感測應用。

目前業界已有廠商，如德州儀器(TI)IWR6843毫米波感測器提供高達4GHz的頻寬，此時其相對靜態物件的距離解析度為3.75cm。而使用250MHz頻寬的24GHz感測器的最佳可能距離解析度則為60cm。對於距離解析度，較低的數值能提供更精密與更密集的點雲資料結果。表1比較了2022年各種雷達感測技術提供的距離解析度。

圖2比較了IWR6843感測器在3m距離處使用4GHz和250MHz頻寬所獲取的點雲資料。

實驗結果說明了距離解析度對於採集豐富的點雲資料的影響，以及為什麼2022年的24GHz頻寬停用會產生如此重大的差異。

速度解析度

與距離解析度不同，精細的速度解析度取決於各種參數。在基本計算下，速度解析度與中心頻率呈正比，而不是頻寬。因此，由於中心頻段較高，60GHz雷達的速度解析度比24GHz高2.5倍。

較弱的點雲資料群集通常更需要演算法的修改。即使最佳化演算法能以較少的點雲資料提供相同的性能，但也需要花額外的處理時間和更多的計算資源，這可能會影響系統層級性能或處理成本。

由於精細的速度解析度可以提供較好的移動追蹤功能，從而更加穩定地偵測移動中的物體。在人數統計等應用中，物體的區隔和移動追蹤功能的同時運用，可以更準確辨識走在一起但靠得很近的不同個體，如此可以大幅減少誤測或漏測。

智慧處理

透過適當的環境模型建構出演算法和物件分類應用於點雲資料，可以避免誤判。這些演算法仰賴可靠的資料輸入以大幅減少錯誤，並準確地偵測和辨識出偵測可視範圍中的物件。

用於物件識別之分類處理的點雲資料常需要處理器密集的演算法。許多系統利用專用的數位訊號處理器(DSP)來處理從毫米波感測器取得的原始資料。例如TI毫米波感測器具有整合的微控制器包含MCU、DSP和快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform)加速器，不僅可以處理原始採集資料，還可以處理高階應用上的物件分類等，進一步提供智慧邊緣運算。

該毫米波感測器不僅能夠感測和採集物體的距離、速度和角度，還能利用這些數據來計算人數、導航房間路徑和對物體進行分類。這種處理能力使感測器能夠在當下做出決策並降低系統複雜性，同時仍可以與更大的網路進行通訊。

節省PCB空間

封裝尺寸是許多感測器設計人員關注的主要問題。無論是在有限的可用空間，或是感測器需要輕薄小巧的設計才能更好地隱藏在房間內，大幅減少電路板(PCB)尺寸都是一項挑戰。較小的PCB可以更容易地把感測器隱藏起來，無論它們需要安裝在牆壁或天花板上、放置在相機旁邊，或是安裝在空間有限的位置，例如保險桿內。

天線陣列(Antenna Array)占用雷達感測設計的PCB很大一部分。天線陣列的設計會影響可視範圍和增益等規格，在設計上亦需要考慮雷達訊號的波長。較長的波長將需要更大的天線陣列。然而，隨著波長縮短，可以縮小天線陣列的尺寸並實現相同的性能。

與現有的24GHz感測器相比，僅是天線部份，PCB的面積就能減少6倍，如圖3所示。由於尺寸縮小，將使新感測器能夠在感測器內部(包含天線)，以較小的尺寸和配置成本來實現。如圖4所示，為了實現雙發射器(Two-transceiver, 2TX)和四接收器(Four-receiver, 4RX)系統，與TI毫米波單晶片相比，目前24GHz感測器需要多個零組件。此外，其前端類比元件和數位處理所需要的布線，甚至可能需要額外單獨的PCB，這都增加了系統複雜性和成本。

在具有更高的中心頻率和提供整合的單晶片解決方案下，與目前的24GHz產品相比，TI毫米波解決方案可以顯著減少感測器設計的尺寸。如此一來便可以減少系統尺寸和重量，降低安裝和BOM成本，並更容易整合到機械設計中。

2022年規範的改變將對工業設計產生影響，任何使用24GHz頻段的系統都需要重新評估，以確定其未來的可行性。尤其在距離解析度的降低，將對數十種應用構成影響，而且為了應對2022年的變革，必須從現在開始就要改變設計。

當前對24GHz解決方案的任何評估都應當考慮未來可能發生的變化，並且使用該技術的使用者必須立即採取行動，確定頻寬的減少是否會影響現有應用或需要重新設計。

(本文作者為德州儀器工業毫米波感測器應用工程師、工業毫米波感測器市場經理)