2020年10月19日 | TI毫米波技术诞生的故事——创新之路

TI开发团队成功开发了世界上第一个毫米波雷达SoC，之后他们将这项技术集成到汽车上，并让更多车更安全。

想象一下，一个低成本低功耗的雷达传感器可以安装在消防员的头盔上，以便通过墙壁和烟雾探测到失去知觉或丧失行动能力的人。

德州仪器公司的工程师们制造了一种毫米波雷达传感器，在未来可以“看到”墙或其他障碍物，并根据3D成像的感知向用户提供声音警报。

“毫米波具有穿透烟雾或石膏板的能力。”TI 毫米波技术的核心开发团队成员Brian说。“营救应用的挑战在于，当施救者在移动时，需要检测一个无行为能力伤员的呼吸，只有毫米波雷达才能满足这类需求。”

使用毫米波技术的消防队员

今天，汽车客户也在使用类似的技术，比如倒车雷达，比如车辆人员检测，老人跌到检测以及机器人自动导航等。

2009年，当一个小型研发团队开始研究毫米波技术时，他们并没有意识到这项技术有一天能实现多少应用。这项技术的初衷是提供一种雷达传感器，它的价格足够便宜，可以集成到低成本车辆中。在这项技术出现之前，雷达传感器只适用于非常昂贵的汽车。

雷达及其工作原理

无线电探测和测距（radio detection and ranging）的概念后来成为缩写词RADAR，是在第二次世界大战期间发明的，目的是帮助探测敌人的行动，此后被广泛使用。除了其开创性的军事用途外，雷达技术还可以实现空中和地面交通管制、天气预报、医疗监测、以及先进的汽车安全功能。

过去的许多雷达系统体积庞大，价格昂贵，军用级产品价值达数百万美元，尺寸达数百英尺，在低频下工作，所以成像精度要低得多。

TI毫米波雷达传感器工作在60GHz或77GHz，精度更高，它们又小又紧凑，同时产生的图像非常清晰，你可以看到物体的轮廓并对它们进行分类。

毫米波雷达的工作原理是发射一个波形，然后反弹回来，测量时间差，这项技术是稳健的，可以减轻干扰，即使在恶劣的环境条件下。

在一个车内人员监控中，波形将从车顶传输到停在车内的车厢内。如果一个婴儿或幼儿在车内，波形会检测出胸腔的变化，检测出呼吸，并与CPU相连，从而通知驾驶员。

CMOS的挑战

当该项目于2009年启动时，该团队就准备采用CMOS技术进行尝试，因为他们知道这一基础技术将使毫米波雷达变得非常便宜，从而为大众所接受。从前这项技术曾经非常昂贵，而现在可以很容易地被纳入一辆价值2万美元的汽车中。

为了熟悉毫米波技术，该团队从2009年到2012年致力于开发一种用于非常短距离通信的160GHz雷达。

当时，世界上还没有人用CMOS技术制造出这样的系统。

“开发CMOS工艺的毫米波雷达极具创新性，因为需要在设备、电路和测试方案等方面全部进行大量创新。”Brian说道。

Brian回忆道，当时雷达设备的竞争形势非常严峻。“我们的竞争对手拥有最先进的汽车雷达解决方案，用SiGe工艺制造的，这种技术更昂贵，而且很难集成。在TI，我们走了一条不同的道路，专注于使用先进的CMOS技术，因为它们具有更好的成本结构、更低的功耗和潜在更高的性能。”

这个小组花了三年时间完成了第一个项目。到2012年初，他们已经证明他们可以用CMOS来制造毫米波系统，他们正试图找到合适的商业机会将这项技术推向市场。

Brian说：“我们研究了我们是否能将汽车雷达应用在ADAS中，并且能够搅乱这个市场。引入CMOS，同时真正实现更高的性能、更低的成本和更低的功耗。”

让TI毫米波变得更实惠

在德州仪器，我们的热情是通过半导体技术让电子产品变得更实惠，从而创造一个更美好的世界。像毫米波这样的创新展示了我们的激情。许多TI工程师几十年来工作为今天的突破奠定了基础，开发这项技术的创新者们有着强烈的战胜竞争的欲望，并着眼于中低端汽车市场也可以负担得起。

Vijay表示，mmWave研发团队的绰号是JDI，代表着“Just Do It”，而这正是实现9年创新之旅所需要的态度。

“当时，CMOS模拟设计被认为是不可能的，”核心团队成员Vijay说。“在模拟设计中，很多人都不能这么做。”

像TI历史上的许多其他开拓者一样，他们没有在挑战中退缩。在他们的研发过程中，他们获得了24项专利，并创造了一项技术，使人们第一次能够将负担得起的TI毫米波雷达系统集成到中低端车辆中，以提高安全性。

其核心成员之一Srinath表示：“Just Do It是我们团队的工作方式，要做到这一点，需要对自己的技能有信心，还要有风险管理能力和对失败的敬畏。”

该团队的负责人Baher说，JDI的昵称并非源自毫米波。这是一支从1998年就开始在无线业务中赢得这一绰号的团队。

Baher回忆道：“JDI一直伴随着团队，从某种意义上说，这是一个隐喻，‘如果可行的话——我们是做这件事的人’。它既有勇气和强度，也有很多深度和关怀，以及对成功的期待。”

Brian最好的朋友在一次车祸中去世。“我相信，高度自动化驾驶技术有可能避免此类致命事故。”

Brian表示，当开始研发毫米波技术时，他这个年龄段的头号死因是事故，包括车祸。

“辅助驾驶和自动驾驶所带来的潜在环境、经济和生活质量方面的好处很少有其他技术与之相匹配。雷达只是高度自动化驾驶的一小部分，但却是必不可少的一部分。”

实现更高级别的安全

“我们把过去是军事技术的东西变成了可以真正掌握的东西，几乎就如指尖般小，而且价廉物美。”Vijay说。

20世纪80年代，一个团队向TI的领导层提出了汽车雷达。但这项技术在当时从未获得过关注，因为500美元的价格并不具有竞争力。

Baher说，毫米波项目起源于Kilby实验室（一个以1958年集成电路发明者Jack Kilby命名的研究中心）的第一批研发项目。该项目跨越了多个学科，包括器件、建模和工艺、电路设计和架构、封装技术、系统知识、射频（RF）成像、天线和成像数学。“正因如此，当需要跨越许多界限时，创新是充足的。”Baher说。

Brian说，当这个项目在2009年开始时，从探索如何构建毫米波系统，到如何将其产品化，以及如何在CMOS技术中实现所有这些。

这个团队接受了用CMOS进行设计的严峻挑战，因为他们知道这个基础性的部分将使这种技术能够为大众所接受。这是一个可以让他们把雷达探测能力，这曾经是非常昂贵的。

该团队的领导者Baher说，该团队从一开始就具备了正确的专业知识组合。

“我们的态度是正确的。我们有坚实的基础，有学习新事物的愿望，我们不怕在短时间内攻克新领域。

集成技术

在完成商业案例后，工程师们于2012年年中启动了一个新项目，开发汽车雷达芯片组。当时的市场已经被打乱，因为欧洲已经改变了汽车雷达的管理条例。

2012年之前，车上的前视或远程雷达的工作频率为77GHz。而用于盲点探测的角雷达主要是24GHz。欧洲修改了法规，将24GHz的跨距降低，这意味着它们必须过渡到77GHz。

第一个系统于2013年与OEM合作，开始进行芯片导入。

Brian说：“在那之后，我们开始定义和实施我们的第一批量产芯片。大约花了两年的额外技术开发，然后花了三年的时间来量产。”

一旦团队证明了在CMOS平台上构建系统的能力，他们就能够集成更多的数字技术。

Brian说：“我们无需多个独立的前端元件，然后是一个微控制器和一个DSP，我们能够在一个芯片中就提供完整的片上系统。然后，有了前端雷达收发机，我们就可以在里面建立足够的信号链，这样基本上就可以以单颗芯片完成所有的雷达配置和信号处理。”

这使得雷达的使用更加简单，因为它在运行期间不需要外部主机的直接干预，但仍然保留了最终系统所需的所有灵活性。

该团队还花时间创新低成本的测试解决方案，以及如何重新定义设备自我监控的方式。Brian说，自我监控功能至关重要，因为这意味着我们的客户可以实现最高水平的功能安全。

简化雷达

部署雷达曾经需要广泛的射频设计和专业知识。集成正确的天线，射频，模拟，数字处理器和一个合适的接口，这些需要一个昂贵且繁琐的设计。但是TI毫米波技术为许多创造性的即插即用解决方案打开了大门。除了标准的汽车应用外，许多工业和商业应用都可以从易于使用的TI毫米波传感器中获益。例如，TI毫米波技术可以用来检测老年人跌倒的情况，以提醒护理人员。它可以使机器人在复杂的工厂环境中导航。作为安全系统的一部分，它可以通过墙壁探测入侵者。

在TI毫米波技术出现之前，只有高端车辆提供雷达安全系统。这一经济实惠的解决方案允许雷达传感器被纳入中低成本车辆，有助于使汽车更安全。

“我们不得不从产品定义到系统实现，设备实现，以及最后演示，但这一切都是值得的，”Srinath说。

一系列技术

但是这个团队的工作成果并不仅仅局限于汽车应用。在他们最初的项目启动10年多一点后，这些创新者创造了一系列技术，实现了一系列应用，从车内感应到工厂里的机器人操纵，再到监控一屋子人的生命体征，同时无需身体接触。

自2012年以来，mmWave设计团队已经成长为德州仪器内部一支重要的团队，致力于相关技术和开发完整的产品组合。该团队在核心团队最初的24项专利之外，又增加了大约50项新专利。

Baher说：“许多人都贡献了关键的创新成果，并集中精力实现了这一切。我们的成功离不开他们。”

毫米波团队今天的重点是继续将雷达技术的应用扩展到传统市场之外。他们创造的产品解决了全球范围内的视觉感知挑战。

Baher说：“这一切都是从汽车开始的，不过该团队既专注于了解当今的需求，同时也会预测未来的需求，以继续扩大可负担得起的雷达技术的使用。”。

创造美好世界的使命

在德州仪器，使命是通过半导体让电子产品变得更实惠，从而创造一个更美好的世界。多年来，随着一代又一代的渐进式创新和突破性创新的不断发展，电子产品变得更小、更高效、更可靠、更实惠，德州仪器一直在开发像毫米波这样的技术。

“我们需要把救生技术应用到更多的汽车上，我们做到了。我们通过降低成本和简化使用使雷达平民化，这样你就不必有更多底层积累便可以直接使用了。”Vijay说道。