4D手势识别雷达中的AiP天线

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先简单介绍4D手势雷达的实现原理，主要包括MIMO架构和虚拟阵列，然后重点关注片上天线（Antenna in Package，AiP）的单发/多发的方位图以及Beamforming性能。

原理见知乎：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/363654621
知乎：基于毫米波雷达的手势识别原理

系统介绍

雷达的实物系统见下图，采用TDM+TXBF工作模式。MIMO雷达使用多个发射和接收来探测周边环境中的目标。利用虚拟阵列技术，可以大大降低雷达系统的硬件复杂度，增加天线阵列的孔径。因此与单发单收的雷达架构相比，MIMO雷达具有更高的空间分辨率、更窄的波束方向图和更好的信号比性能。

图1：手势识别雷达系统

系统采用加特兰CAL60S244-IB芯片，等效的虚拟阵列是一个3*4的矩阵阵列（芯片有4个发射天线，但实物只采用边缘并排的3个发射天线），如下图（b）所示。

图2（a）TR22模式示意图（b）TR22虚拟阵列分布

工作模式TRMN定义为M个发射天线和N个接收天线同时工作。例如TR11就是一个发射机和一个接收机同时工作，也即单发模式。时分复用（TDM）技术用于MIMO雷达的接收部分用以分离来自不同发射天线的信号。如图2所示，两个相邻的Tx天线发射信号，两个相邻的Rx天线同时接收和累积信号。TR22是2个发射和2个接收天线同时工作的模式，布局和虚拟MIMO见上图2。因此TR22模式的虚拟阵列是一个2x3阵列（图2（b））。

图3描述了TR22模式的Tx和Rx时序，在第一个线性调频期间，TX1和Tx2同时打开发射信号，并且所有4个Rx通道都打开用以接收信号。Rx1和Rx2接收到的信号累加形成Channel1，Rx2和Rx3接收到的信号累加形成Channel2，Rx3和Rx4接收到的信号累加形成Channel3（为保证每个子阵之间的距离固定，TRMN模式下的接收天线和发射天线需要保持相邻）。在第二个线性调频周期内，Tx2和Tx3开启，Rx按前一个调频周期内相同原理接收信号，因此一共得到6路信号数据。

图3：TR22时序结构

通过改变MIMO阵列中的TRMN模式（单发、双发及三发），可以获得各种虚拟阵列和不同的雷达系统参数。其中最主要的雷达参数就是探测距离，不同的收发组合具有不同的EIRP及俯仰方位角度，因而可以实现不同距离的检测。下图（a）汇总了不同MIMO工作模式下的探测距离划分，TR11（单发单收）探测距离最短。TR34（3发4收）实现最远探测距离。

图3：所提出的可重构虚拟阵列检测技术的总体示意图：

（a）根据不同的可重构虚拟阵列模式的空间划分图；(b) 雷达手势感应系统的简化框图；(c) 当雷达工作在 TR11 模式时，(b) 的等效虚拟阵列

MIMO系统信号合成分射频部分和数字部分，对于射频部分，不同的发射天线在一个线性调频周期内同时发射信号，不同的发射天线信号在空间汇聚，形成空间增益，使雷达能够探测到更远的目标。对于数字合成部分，系统将多路接收信号经过预处理和标定过程累加为一路数据，可以提高信号的信噪比，提高系统的感应识别能力。

整个系统的工作流程如下，第一步是初始化雷达，使用TR34工作模式检测目标和雷达之间的距离d，其次根据d来选择合适的MIMO工作模式（图3），依次进行3D空间定位和1D微动处理。在一定数量的调频帧后，执行检测过程以验证手势运动是否结束，如果没有结束，重新检测目标和雷达距离d，以确保雷达处于最佳的工作模式。如运动结束，则得到手势感应的结果。

图4：系统检测流程

AiP天线性能

Rhine 4T4R 60GHz Radar SoC AiP（CAL60S244-IB）芯片有4个发射天线，特性如下，官网有相关信息。

工业级全集成毫米波雷达SoC（封装集成天线）
发射通道：4，集成移相器
接收通道：4，集成功率饱和检测器
片内天线：封装内集成天线阵列，支持水平和俯仰探测
工作频率：60~64GHz，最大支持4G扫频带宽
FMCW波形生成器：用户自定义，支持自动增益控制、帧交错等功能
高速ADC：采样率高达50MSPS，同时支持降采样功能
雷达信号处理基带：硬件电路实现完整雷达信号处理
CPU：300MHz ARC® EM6
片内存储空间：2.625MB RAM
外设接口：SPI/QSPI/UART/I²C/LVDS/ GPIOs
通过工业级可靠性测试

图5：CAL60S244-IB尺寸

芯片尺寸12.2 mm × 12.2 mm。CAL60S244-IB在方位和俯仰都有解角能力，通过不同的收发天线组合实现不同的FoV，灵活运用到短距离通信中。TX0到TX1/2/3的方位面间距9.8mm，TX1/2/3俯仰方向间距2.5mm，Rx天线方位间距2.5mm，俯仰无区分，接收天线增益2dBi。对于单发射天线模式，常温下的EIRP为12dBm，6dB通道俯仰FOV为80°，方位60°,12dB通道俯仰和方位分别为80°和100°。对多天线发射模式（TX1+TX2+TX3，官方建议初始相位均为0），常温下的EIRP为21dBm，6dB通道俯仰FOV为40°，方位80°,12dB通道俯仰和方位分别为60°和100°。数据汇总见下表。

表1：CAL60S244-IB辐射特性

由于无法获取整个芯片封装的模型，因此根据DataSheet给的参数来反推并建立下面的仿真模型。主要验证3个Tx同时发射以及波束赋型后的天线辐射特性。天线的S参数见图7。

图6：AiP仿真模型

图7：AiP天线S参数

根据表1给的辐射参数，Tx1/2/3同时发射时的6dB_elevation_FoV为±20度，下图为3天线同时发射的仿真结果，6dB波束宽度也为40°左右。

图8:3Tx同时发射的俯仰面

对3天线做不同的相位输入，仿真结果中的5组数据依次为Tx1-Tx2-Tx3的相位信息：（1）Tx1=0°，Tx2=0°，Tx3=0°、Tx1=0°，Tx2=45°，Tx3=90°、Tx1=0°，Tx2=90°，Tx3=180°、Tx1=0°，Tx2=270°，Tx3=315°以及Tx1=0°，Tx2=315°，Tx3=270°。

图9：TXBF

下面是官方给的实测数据，图10对比了常温下单发模式和双发以及三发模式下的EIRP结果。单发模式下的EIRP最大值不到15dBm，3发下最大EIRP达到了22dBm，体现到雷达性能上，就是探测距离的显著提升。

图10：常温下的EIRP: (a)单发模式; (b)TXBF模式

图11：单发模式下的TX-RX方位面性能

图12：单发模式下的TX-RX俯仰面性能

图13：双发模式下（TX1+TX2）的TX-RX方位/俯仰性能

图14：双发模式下（TX2+TX3）的TX-RX方位/俯仰性能

图15：三发模式下（TX1+TX2+TX3）的TX-RX方位/俯仰性能

图16：三发模式下（TX1+TX2+TX3）的Beamforming

图11到图15展示了单发、双发以及三发模式下的归一化俯仰和方位面性能，整体而言，在不考虑芯片制程和PCB设计带来的损耗前提下，仿真和实测都比较接近。图16为三发模式下的波束赋形结果，对比图9的仿真结果来看，仿真和实测数据较为吻合。

总结：

1. 手势识别也是目前毫米波雷达的一个热点应用，由于是短距离通信，因此天线增益不需要特别强，更关注的是整个产品的大角度。除了AiP外（基本没天线什么事），不过也可以尝试使用宽角度的天线设计方案（方位面120°或者160°）。

2. 由于无法获取芯片的堆叠模型，文中的仿真模型是根据芯片的工作频段来设计的，介质材料和厚度都和芯片不一样。尽管有些可以实现多频化、宽带化的设计，但由于采用基本的单极子天线单元，辐射性能是大致稳定的，因此仿真的天线性能仍然有参考意义。

参考文献：4-D Gesture Sensing Using Reconfigurable Virtual Array Based on a 60-GHz FMCW MIMO Radar Sensor. IEEE Trans. Microw. Theory Techn., vol. 70, no. 7, pp. 3652-3665, July. 2022.

来源：雷达天线站

电路芯片通信材料控制

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首次发布时间：2023-06-06