比利時奈米電子和數位科技研究與創新中心imec，5月14、15日於安特衛普(Antwerp)法蘭德斯會議中心舉辦年度科技盛會「Future Summits」，活動除邀請英特爾(Intel)技術長Mike Mayberry、益華電腦(Cadence Design Systems)執行長陳立武、微軟(Microsoft)HoloLens硬體與客製晶片副總裁Ilan Spillinger、嬌生公司全球負責人William Hait、WD執行長Stephen Milligan，以及美光科技(Micron)技術策略與營運副總裁Linda Somerville等多位產業界重量級人物分享創新科技思維與觀點外，亦展示超過50多項imec與合作夥伴共同研發的技術與應用成果，堪稱科技界最具指標性的前瞻技術交流平台。
在眾多展示成果中，採用140GHz頻段的多重輸入輸出(MIMO)雷達單晶片方案，格外令人注意，除了使用的毫米波(mmWave)頻段更高外，其採用CMOS技術高度整合多天線與收發器，實現精巧、小尺寸設計，亦是一大特點；再結合imec研發的機器學習演算法，可達到超精準解析度與高靈敏感測效能，為雷達感測在直覺式人機互動的應用發展再寫新頁。
5G/自駕車熱潮帶動 雷達感測應用前景俏
近來，隨著5G與自駕車發展日益升溫，毫米波技術的應用潛力逐漸受到產業界重視，相關研發活動與投資也不斷增加，除了聚焦在5G高頻通訊與汽車駕駛輔助系統(ADAS)的雷達應用外，利用毫米波雷達實現更多元的感測應用，亦是另一個重要發展方向。
舉例來說，德州儀器(TI)除了力推車用毫米波雷達方案外，亦積極將該技術拓展至工業自動化、智慧建築、智慧監控等其他應用領域，利用60GHz高頻毫米波雷達實現如人員計算、動作偵測、使用狀態偵測(Occupancy Detection)及生命跡象監測等應用。此外，英飛凌(Infineon)、Acconeer、Silicon Radar、NOVELIC等歐洲晶片廠，也都朝同樣的方向發展，甚至已推出基於60GHz毫米波雷達的感測方案。
事實上，目前上也有不少廠商是以24GHz毫米波雷達方案，來拓展上述非汽車ADAS應用的雷達感測市場，不過，由於業界已傳出歐洲電信標準協會(ETSI)和美國聯邦傳播委員會(FCC)決定於2022年前，逐步淘汰使用24GHz超寬頻段(Ultra Wide Band)的產品，再加上基於60GHz頻段的毫米波雷達，本質上可提供比24GHz頻段更高的感測解析度，因此不少廠商已開始往60GHz技術靠攏。
至於汽車雷達常用的77GHz頻段，若要用於工業、建築和城市基礎建設，包括那些需要人機互動的應用，在全球大多數地區都是受到限制的。
頻寬決定距離解析度 140GHz方案來勢洶洶
值得注意的是，毫米波雷達感測器的距離解析度(Range Resolution)效能與使用頻段的頻寬大小息息相關，頻率愈高頻寬也相對較大，意味著感測器距離解析度愈好，因此目前已有業者推出採用120GHz頻段的毫米波雷達感測器，而imec此次所發表的140GHz毫米波雷達系統單晶片，則是另一突破性的技術進展。
以60GHz頻段來說，根據德州儀器所提供的產品資料顯示，頻寬上看4GHz，因此基於該頻段的雷達感測器距離解析度可達3.75公分；而根據imec的規格表來看，140GHz頻段的頻寬可高達10GHz，距離解析度則可到1.5公分等級(表1)，而距離解析度愈小代表雷達感測後所能獲得的點雲圖資料(Point-cloud Data)可以更密，進而達到更精準的判斷效能。
imec研發團隊負責人Andy Dewilde說明，imec長久以來在CMOS技術的開發與多天線整合設計上擁有相當厚實的能力與經驗，因此能在一個外觀尺寸只有幾平方公分的完整MIMO雷達系統下，實現1.5公分的精準解析度。而更好的距離解析度性能，可開啟更多新的應用機會，這是該公司140GHz雷達系統單晶片重要的差異化特色之一。
Dewilde進一步談到，使用140GHz頻段的另一個明顯好處是，電磁波波長更小，僅2.1毫米，換言之，天線也就可以做得很小，因而imec僅透過28奈米Bulk CMOS製程技術，即可將天線直接整合至單晶片中，毋須使用昂貴的天線模組或外部天線，達到更高整合度與小尺寸設計，且未來也可輕易藉由大量量產來達到降低成本目標。
不僅如此，高頻毫米波波長小的特性，也可偵測到更小的位移變異，如細微的臉部表情變化與皮膚運動，能顯著提升位移靈敏度，有助於生命體徵偵測等應用，因此該雷達是實現車內生命體徵監測系統極佳的方案，可促成非接觸式駕駛狀況追蹤，例如偵測駕駛有沒有打瞌睡、壓力狀況是否異常，或者預防因急性健康危害如心臟疾病或癲癇發作。另一個可能應用，是利用動作和生命體徵偵測來監測小孩狀況，例如當兒童不小心被留在車內時發出警報，即使當下是嬰兒蓋著毯子睡覺，該雷達感測器也可發揮作用。
結合MIMO/機器學習 打造直覺人機互動體驗
除了140GHz高頻毫米波頻段所帶來的技術優勢外，imec也在該款雷達晶片中，加入MIMO多天線配置與機器學習能力，從而打造直覺簡單的人機互動介面。
以手勢辨識來說，其需要最小角度解析度以便能在三度空間中擷取手勢，而提升角度解析度的一個巧妙方式，是使用多顆收發器晶片的MIMO雷達原理。Dewilde說明，MIMO是為了手勢辨識而設置，藉此可達到更精確的角度解析，以正確解讀目標物相對於雷達的方向。而訊號處理與機器學習技術亦是用來偵測和分類手勢動作，從而實現直覺式人機互動。
事實上，imec已開發出一種特定的機器學習演算法，是基於一個包含長短期記憶模型(LSTM)層的多層神經網路，並透過監督式學習方式，亦即使用超過25人的內部標籤記錄(包括針對7種不同手勢的幾次擷取記錄)，來訓練推論模型。實驗結果顯示，該模型可對記錄的7種手勢進行分類，且94%的時間可正確預測手勢。
imec荷蘭雷達專案研發經理Barend van Liempd指出，藉由加入機器學習能力，imec已證明雷達基於都卜勒(Doppler)訊息來偵測和分類細微動作的可行性，這將開啟新的應用機會，如實現直覺的手勢辨識人機互動。以擴增實境/虛擬實境(AR/VR)應用來說，新的雷達方案就可支援與虛擬物件的直覺式互動，手勢辨識還可以實現直覺的裝置控制，與現今語音控制或智慧觸控螢幕的人機介面相輔相成。
據了解，imec所研發的140GHz雷達晶片方案主要適用於室內的應用，操作範圍可達10公尺，且尺寸極為小巧，單一晶片大小僅1.5×4.5mm(圖1)，可在幾乎各種裝置中被無形地整合，諸如筆電、智慧手機或螢幕邊框。
圖片來源：imec
imec表示，該款雷達晶片初期將用於智慧建築的人員偵測和分類、遠端汽車駕駛生命跡象監測，以及手勢辨識等應用；而更多的創新應用預期將隨著開發者的創意不斷湧現。
邁向更高整合/增強感測性能
目前imec的140GHz雷達開放創新研發合作計畫，主要係由Panasonic和Sony所支持，對該項研究有興趣的公司也可加入這項合作計畫，或另外的雙邊研發計畫，或者取得該技術功能區塊的授權。
為了增加感測數據的豐富性和空間資訊，imec已著手開發下一代採用4×4的MIMO雷達系統，以及新的雷達晶片(將採用Tx和Rx是分離的兩顆獨立晶片的設計)。這將使MIMO陣列元件在可用電路板區域的分布更有彈性。同時他們也將探索獨立的雷達晶片功能能否被增加，以實現擁有更大晶片陣列的MIMO系統。
Dewilde指出，此次在Future Summits展出的140GHz雷達系統原型(圖2)，採用的是2×2 MIMO設計，所以只能做一個方向的角度偵測，下一個系統，會使用新版晶片，預計研發4×4 MIMO，有更多天線，以達到3D偵測。
毫米波雷達感測有可為
與其他類型的動作感測技術相比，例如基於飛時測距(Time-of-flight, ToF)的紅外線影像感測器，雷達擁有不受環境光影響並保有隱私(因為目前還無法識別出人的身份)的獨特優勢，應用前景可期。
雖然所有雷達系統皆基於相同的原理運作，但使用不同載波頻率、頻寬、調變，以及載波傳送方式，所設計出的雷達系統特性也就不盡相同，因而導致成本、尺寸、功耗與效能的差異。最終應是由應用的需求來判斷，何種雷達規格是最佳設計。
而要打造高靈敏、小尺寸，並可偵測如心跳般極小動作變化的雷達系統，高頻毫米波雷達是絕佳選擇，而使用140GHz頻段的雷達可擁有更大頻寬，因而能增強距離解析度，以辨別出兩個物體是分開的狀態。
顯而易見的，雷達在物聯網應用中作為非接觸、非侵入式互動感應技術，如人員偵測和分類、生命體徵監測，和手勢介面等，前景備受看好。然而，唯有雷達能達到更高解析度、體積更小、能源效率更高，且生產與採購成本更為便宜，才有機會能廣泛受到採用，而imec基於CMOS技術與140GHz毫米波的雷達感測方案，不啻為達成此一目標提供了新的選擇。
