新一代毫米波技术,开启新一代人体扫描仪更新升级

2020-02-28 10:59:16 8

国际社会地缘政治格局的变化和全球恐怖主义威胁的加剧使得个人安全方面的需求激增,从一组数据便可看出。根据 Global Industry Analyst, Inc.发布的报告,全身扫描仪市场预计到2021年将增长到17亿美元,年复合增长率为41.5%。根据MarketsandMarkets的另一份报告,到2021年,单单机场人体扫描市场的价值预计就将达到1.18亿美元,年复合增长率为8.4%。这还未考虑非机场和商业市场的巨大增长机会。

 

从磁石门到毫米波,人体扫描仪发展历程

 

其实早在2000多年前安防便引起了人们的重视,秦始皇时期出现“磁石门”专供“四夷朝者”通行,利用磁石和金属的特性防止有外国人在朝贡时暗中携带兵器。这个方法被沿用至今,于是金属探测仪问世。后来随着时间的推移,人们发现仅仅是探测金属并不能保证安全。2002年,一架客机在大连海域失事,全机人员无一幸免,起因是有人携带了易燃液体!此后,X射线技术出现在了人们的视野。X射线扫描仪的速度很快,可以穿透活体,提供人体和隐藏物体的超高分辨率图像,并且有机物无机物混合物都会以不同的颜色显示。不过其弊端也很明显,由于其固有的穿透特性,被扫描的人员会受到高强度辐射并且会侵犯隐私,至此惹了众怒。随后X射线后向散射解决方案登上舞台,从健康的角度来讲好了很多,它并不会穿透目标,仅从目标表面进行反射。但是X光带来的阴影过于浓重,导致人们依旧对其感到担忧。不过没有更好的选择,后向散射技术被全球多地采用。 

 

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时至今日,随着射频、微波和毫米波技术的进步,扫描设备公司成功采用这项技术研制出了速度快、分辨率高,不侵犯隐私且不带任何辐射的新一代人体扫描仪——毫米波人体扫描仪,其工作频率一般在10GHz到40GHz之间,有时还高达60GHz到80GHz。相比之前的扫描仪,它的价格越来越低,体积也越来越小巧,扫描时间够快,不会造成拥堵。逐渐,毫米波扫描成为当今和未来人体扫描仪的首选技术已是大势所趋。对此,作为业界领先的解决方案提供商ADI提前规划布局,为毫米波人体扫描仪提供从比特到天线和从天线到比特的完整信号链解决方案。

 

克服传统“弊病”, 简化方案更胜一筹

 

目前市面上大多数扫描仪都在宽频率范围内工作,为了使其具有更高的图像分辨率和更快的性能,同时对功能进行改进,它们需要一个能够在整个频率范围内进行滤波的滤波器。但是单个宽带滤波器很难构建,或者实施起来成本很高。因此,制造商考虑使用一个滤波器组,通过开关将多个窄带滤波器组合起来,多个开关组成开关矩阵接收发射信号并将其分布到多个发射天线元件中。

 

传统上,这种开关矩阵是通过在SPDT配置中使用PIN二极管和GaAs开关实现的,特别是在高达40GHz的高频下。对于PIN二极管,每个开关都需要大量的外部元件来控制高偏置电压和电流。同样地,采用GaAs对应元件的设计需要采用多个开关,以便为高通道数构建开关树。随着通道数量增加,这些电路会变得更加复杂。

 

对此,ADI采用40 GHz SP4T SOI(绝缘体上的硅)开关ADRF5046简化了这种设计,ADRF5046 是一款利用硅工艺制造的反射式单刀四掷 (SP4T) 开关,其工作频率范围为 100 MHz 至 44 GHz,具有低于 3.0 dB 的插入损耗和高于 31 dB 隔离性能。无论是直通路径还是热切换,并且具有 27 dBm 的射频 (RF) 输入功率处理能力。 借助SP4T,设计师可以最多使用四个开关位置,而不是每个开关支持两个开关位置。

 

举个栗子,对于一个简单的12通道系统,3个SP4T开关可以替代多达7个SPDT开关。对于具备更高通道数的系统,随着系统复杂性呈指数增长,SP4T SOI开关的优势更加明显。除了减少开关IC的数量,减少外部元件的数量 和降低偏置功率同样重要。由于ADRF5046的设计采用SOI工艺,所以可以在低电源电压下,以可忽略的偏置电流运行,且无需任何外部元件,即可接入标准CMOS控制信号。

 

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老式PIN二极管与新的SOI开关的开关实现方式之间的差异。

 

不仅是发射端的开关矩阵,在接收端ADI也推出了新的解决方案,其中使用SOI工艺的ADRF5730用于实施增益调节,这是一款6 位数字衰减器,以 0.5 dB 步长提供 31.5 dB 的衰减控制范围。以满足快速开关建立要求,让接收到的信号随后经过下变频和进一步的放大级。以及无源宽带I/Q MMIC混频器HMC8192,集成商只需一步即可将高达42GHz的频率下变频至低中频或基带。这个混频器的本振驱动和发射级使用相同频率源模块。然后,宽带I/Q混频器的IF被馈送到单端转差分放大器,随后与高速ADC进行连接。这种高速ADC将信号数字化,并为运行多种软件算法来检测图像的计算机提供数字输入。然而在传统上,系统集成商大多采用超外差结构将高频信号分多个阶段下变频至中频。

 

本文总结:

 

不难看出,要为毫米波人体扫描仪提供从比特到天线和从天线到比特的完整信号链解决方案需要具备必要的产品系列、经验和技术支持,而ADI提供的解决方案让制造商无需单独选择、评估每个器件,并为它们议价,从而能够节省大量的时间、金钱和精力。借助ADI广泛的射频、微波和毫米波器件产品系列,集成商一定可以找到满足其性能和价格预期的合适器件。不仅如此,以ADI公司为代表的半导体公司正在为实现下一代毫米波全身扫描仪全力以赴,与系统集成商精诚合作,旨在共同开发更准确、快速且更具商业可行性的全身扫描系统,构建一个全新生态系统。


(注:本文来源电子工程世界,如有侵权请联系)