引擎蓋之下的4D成像雷達

作者 : Maurizio Di Paolo Emilio、Junko Yoshida,作者依序為EE Times Europe編輯暨EEWeb主編、EE Times首席國際特派記者

隨著雷達的應用越來越廣,技術和成本分析公司System Plus Consulting對其實現方式充滿好奇,決定對雷達晶片進行拆解。但是,選哪一款雷達晶片呢?出於多種原因,最終選擇了Vayyar的第一代RF系統單晶片…

隨著雷達的應用越來越廣(消費性產品中都用到了雷達),技術和成本分析公司System Plus Consulting對其實現方式充滿好奇,決定對雷達晶片進行拆解。但是,選哪一款雷達晶片呢?出於多種原因,最終選擇了Vayyar的第一代RF系統單晶片(SoC)。

System Plus Consulting的興趣主要在Vayyar如何設計出這樣一款高度整合的單晶片RF SoC,Vayyar SoC開發的高解析度4D影像的能力也吸引了System Plus Consulting的分析師。

雷達市場一度成長緩慢,因為只需滿足軍事等成熟應用的需求。現在情況發生了很大變化,雷達(尤其是成像雷達,imaging radar)的熱度也越來越高。汽車和消費類應用激發了系統設計人員的想像力,推動雷達達到兩位數的成長。

雷達在軍事基地和航空母艦等應用中仍然至關重要,同時也開始大量進入家庭、家用汽車甚至智慧型手機應用。針對汽車應用,汽車OEM和一級供應商正在研究用於先進駕駛輔助系統(ADAS)和車內佔位偵測的成像雷達。

雷達技術供應商密切關注雷達在智慧型手機領域的應用機會。例如,去年英飛凌(Infineon)與Google宣佈合作,利用英飛凌的雷達技術在Google Pixel 4智慧型手機中實現手勢控制。是否每支手機都會在不久的將來採用雷達技術尚不得而知,但雷達的應用領域正在迅速擴大。

Vayyar在其Walabot產品線中採用了RF SoC設計。Walabot HOME跌倒偵測系統可協助家庭成員和看護者密切關注家裡可能跌倒的老人,該系統使用雷達,可以透過牆壁和窗簾感測人的情況,被看管者無需配備穿戴式裝置。

Vayyar的這顆晶片可以分析整合式收發器發送和接收的大量訊號,並由SoC中的高速DSP處理這些訊號,因此Yole Développement旗下的System Plus Consulting對該晶片很感興趣。

筆者採訪了System Plus Consulting成本分析專家Stéphane Elisabeth,他向我們解釋,Vayyar設計的是一塊包含RF SoC和微控制器(MCU)的小板子,RF SoC可以與系統供應商選擇的任何外部應用處理器配合使用。

Vayyar的第一代晶片(即本文要拆解的晶片)基於3~10GHz RF SoC。由於不同國家/地區對頻率範圍的限制不同,Vayyar設計了一些後續產品,包括工作在57~64GHz的產品,最大頻寬和解析度範圍都提高了。另外還有基於77~81GHz的產品。

根據System Plus Consulting,RF SoC採用了一個片上DSP,其收發器裸晶中有多個SRAM記憶體。RF SoC將資料提供給Walabot板上的MCU,MCU只是將SRAM資料轉換為USB資料流程類型。這一步十分重要,因為它使Vayyar的RF SoC具有中立性和靈活性,因此可與系統設計師選擇的任何外部CPU或應用處理器——無論是高通(Qualcomm)的Snapdragon還是其他廠商的應用處理器——配合使用。如果需要,它還可以執行複雜的成像演算法。

 

圖1:RF電路板上有21根天線。(圖片來源:System Plus Consulting)

 

Walabot HOME系統之外

除了Walabot HOME系統,Vayyar又開始進軍汽車市場。2018年,Vayyar與領先的一級供應商Valeo達成了交易。Valeo當時宣佈計畫使用Vayyar的雷達感測器,監視嬰兒呼吸並在緊急情況下觸發警報,尤其是將嬰兒單獨留在車內時。

2019年11月,Vayyar在D輪融資中募集了1.09億美元資金,由美國跨國公司Koch Industries的投資子公司Koch Disruptive Technologies(KDT)領投。Koch成為Vayyar的策略投資者意義重大,因為Koch及其子公司可能為Vayyar打開了一扇大門,使Vayyar的成像感測器進入更多細分市場。

2020年初,Vayyar宣佈與總部位於日本的汽車零件供應商Aisin Seiki建立合作夥伴關係,共同開發汽車4D高解析度短距離外部感測器,用於盲點偵測等應用。

Walabot HOME系統構成

Walabot HOME是一個追蹤人們的活動、監控人們是否跌倒,以及是否需要幫助的智慧系統。這一輕薄設備採用的感測器系統可以處理類似Wi-Fi訊號的低功率無線電波,以確定人的位置。

作為系統核心的RF SoC結合了3~81GHz發射器和接收器,無需外部CPU,透過對發送和接收的多種訊號進行分析來創建高解析度4D影像。Vayyar技術整合了收發器和可以高速處理資料的DSP,因此能夠建構精確的場景。

透過Walabot HOME系統,Vayyar技術可以顯示人員及物體的大小、位置和移動,無需使用攝影機即可即時對環境進行完整分類。不用攝影機也意味著減少了可能侵犯個人隱私的途徑。

Walabot HOME是一個跌倒警報系統,用於監控人員,防止可能發生的危險和事故。這款智慧家庭設備可以偵測一個人在家裡時是否意外摔倒並需要幫助。

RF SoC

該系統包含一個超寬頻(UWB)頻段系統,利用持續時間極短的RF能量脈衝(從幾十ps到幾ns)發送和接收訊號,可偵測人員及其空間位置。它實際上是一種無線協定,可使用功率不到1W的天線達到每秒Gigabit的頻寬(當頻段大於500MHz或比例頻段(fractional band)大於20%時,FCC將其定義為UWB)。該技術的優點在於,由於脈衝很短,UWB對反射波本身引起的干擾不太敏感。

Elisabeth表示,「Vayyar的單個RF SoC用於發送/接收3.3~10GHz RF訊號。該系統使用了兩塊板子:一塊用於RF收發器(圖2中的黃線框)、SRAM資料收集和USB類資料流程;另一塊(圖2中的綠線框)用於資料處理和藍牙/Wi-Fi連接。」

 

圖2:Walabot HOME系統的X光透視圖。(圖片來源:System Plus Consulting於2020年發佈的Vayyar VYYR2401 4D UWB雷達成像SoC報告)

 

 

從圖3可以看到,兩塊板子透過Flex PCB結構連接,具有更好的柔軟度,與採用剛性基座的類似解決方案相比,其空間、重量和成本都大大降低。

 

圖3:Walabot HOME系統框架圖。(圖片來源:System Plus Consulting於2020年發佈的Vayyar VYYR2401 4D UWB雷達成像SoC報告)

 

圖4:Walabot HOME系統主機板。(圖片來源:System Plus Consulting於2020年發佈的Vayyar VYYR2401 4D UWB雷達成像SoC報告)

 

散熱管理採用兩種方式:「一種是在應用處理器上,另一種直接在散熱器上,」Elisabeth說,「我們推測散熱器是用A380型鋁合金製成。」

A380是最常用的一種鋁合金,具有出色的流動性、耐壓性和抗熱裂性,特別是使用鋁合金380進行壓鑄時,可以生產出質優價廉的耐用零件和產品。

RF SoC從裸晶到封裝下方的焊球有48個I/O路徑。Elisabeth說:「在這48個RF I/O中,只有42個用於連接天線。RF SoC的收發器裸晶中整合了一個DSP和多個SRAM記憶體,將資料提供給MCU。MCU僅將SRAM資料轉換為USB資料流程類型。由於採用了片上DSP,因此無需任何外部CPU即可執行複雜的成像演算法。」

RF SoC採用無蓋FCBGA封裝,使用6層PCB基板,焊接在10層PCB基板上(圖5)。MMIC包含兩個正交振盪器,可以在晶片上生成直接由類比數位轉換器(ADC)處理的中頻訊號。

 

圖5:RF SoC封裝的剖面圖。(圖片來源:System Plus Consulting於2020年發佈的Vayyar VYYR2401 4D UWB雷達成像SoC報告)

 

除了SoC處理器VYYR2401-A3 RF,在圖3和4的框架圖中,還可以看到支援緊急行動通訊的MSM8909處理器,以及高通用於揚聲器和麥克風管理的轉碼器/音訊元件。高通Snapdragon 210 MSM8909是一款入門級SoC,有4個1.1GHz的Arm Cortex-A7 CPU核心(4核),可用於Android平板電腦和智慧型手機。該SoC整合了藍牙4.1+BLE、802.11n (2.4GHz) Wi-Fi,以及最高速度達150Mbps的Cat4 4G-LTE數據機(LTE FDD、LTE TDD、WCDMA(DC-HSDPA,HSUPA)、CDMA1x、EV-DO版本B、TD-SCDMA和GSM/EDGE)。

賽普拉斯(Cypress) CYUSB2014控制器是一種SuperSpeed週邊控制器,提供靈活的整合功能,可將SoC RF分析的資料發送到USB協定。該控制器有一個稱為GPIF II的完全可配置平行通用可程式設計介面,可以連接到任何處理器、ASIC或FPGA。GPIF II是賽普拉斯的旗艦USB 2.0產品FX2LP中GPIF的增強版。

天線

雷達訊號管理板由21根天線組成,可確保高解析度。由於系統在3~10GHz的頻率下工作,因此天線的尺寸較大(λ/4 = ~15mm)。「天線尺寸較大意味著需要一塊大RF板來支援21根天線,」Elisabeth說,「多天線連接可提供更好的解析度。但是由於天線不僅支援高頻,還支援低頻,因此尺寸非常大。」

Elisabeth補充,「該系統的高工作頻率約為9.6GHz,天線尺寸取決於蝶形的大小。」

 

圖6:具有21根天線的RF板。(圖片來源:System Plus Consulting於2020年發佈的Vayyar VYYR2401 4D UWB雷達成像SoC報告)

 

蝶形設計由於外形小巧、頻寬大、損耗低和輻射效率高等特點而被廣泛應用於成像、雷達、Wi-Fi接入點和脈衝天線(圖7)。

 

圖7:蝶形天線的幾何外形。(圖片來源:System Plus Consulting於2020年發佈的Vayyar VYYR2401 4D UWB雷達成像SoC報告)

 

蝶形設計是雙錐形偶極拓撲的線性近似(平面類型的變化)。這種天線設計具有簡單的幾何形狀和牢固性,可實現較為理想的尺寸和成本。蝶形可以很好地控制其輸入阻抗,而且易於製造。

成本與分析

System Plus Consulting評估了整個系統的成本,重點分析了為何RF SoC僅佔系統成本的10%(圖8)。

 

圖8:Walabot HOME的成本分析。(圖片來源:System Plus Consulting於2020年發佈的Vayyar VYYR2401 4D UWB雷達成像SoC報告)

 

Elisabeth指出,「由於系統很大,因此幾乎30%的成本都是由PCB(RF板、Wi-Fi/藍牙天線等)和互連(interconnect)產生的。記憶體(RAM、快閃記憶體)和處理器(高通Snapdragon 210)幾乎佔了成本的20%;有30%的成本來自感測器、PMIC、連接前端等離散元件;另外10%則來自顯示器。」

 

圖9:其他版本的VYYR SoC。(圖片來源:System Plus Consulting於2020年發佈的Vayyar VYYR2401 4D UWB雷達成像SoC報告)

 

Vayyar還開發了其他版本,工作頻率為60~80GHz,這些版本現已進入市場。VYYR7201-A0工作於57~64GHz,VYYR7202-A1工作於77~81GHz。前者在Vayyar V60G-Home中使用,包含46根線性極化PCB嵌入式天線,適合手勢辨識、偵測室內人員及留在車內的嬰兒等應用。後者包含40根線性極化天線,在Vayyar V80G中使用,適合車內/車外應用及偵測可能的入侵。

本文同步刊登於《電子技術設計》雜誌2020年11月號

(參考原文:Under the Hood: Vayyar’s 4D Imaging Radar,by Maurizio Di Paolo Emilio、Junko Yoshida)

 

 

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