作者：Gina Roos，主編

麻省理工學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)了一種亞太赫茲輻射接收系統(tǒng)或陣列，可用于補(bǔ)充自動(dòng)駕駛汽車(chē)中使用的基于紅外的 LiDAR 成像系統(tǒng)。麻省理工學(xué)院表示，基于光的圖像傳感器通常在霧氣等極端環(huán)境條件下遇到問(wèn)題，而電磁光譜上的微波和紅外輻射之間的亞太赫茲波長(zhǎng)可以通過(guò)霧氣和塵埃云檢測(cè)到。

以下是亞太赫茲成像系統(tǒng)的工作原理：“為了檢測(cè)物體，亞太赫茲成像系統(tǒng)通過(guò)發(fā)射器發(fā)送初始信號(hào)；然后接收器測(cè)量反射的亞太赫茲波長(zhǎng)的吸收和反射。這會(huì)將信號(hào)發(fā)送到重新創(chuàng)建對(duì)象圖像的處理器。”

然而，麻省理工學(xué)院表示，將亞太赫茲傳感器應(yīng)用到車(chē)輛中存在一些挑戰(zhàn)。其中包括需要從接收器到處理器的強(qiáng)輸出基帶信號(hào)。問(wèn)題在于，許多現(xiàn)有的分立元件解決方案體積大且價(jià)格昂貴，而且較小的片上傳感器陣列會(huì)產(chǎn)生微弱的信號(hào)。

麻省理工學(xué)院的研究人員在 IEEE Journal of Solid-State Circuits 發(fā)表的一篇論文中表示，他們開(kāi)發(fā)了一種“芯片上的二維、亞太赫茲接收陣列，其靈敏度要高幾個(gè)數(shù)量級(jí)”，因此它可以在具有大量信號(hào)噪聲的環(huán)境中捕獲和解釋亞太赫茲波長(zhǎng)。

圖片：麻省理工學(xué)院。

該論文的作者是麻省理工學(xué)院微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（MTL）電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)副教授、太赫茲集成電子組主任韓若楠，以及博士胡志和王成。 韓氏課題組電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系的學(xué)生。

“這項(xiàng)工作的一個(gè)重要?jiǎng)訖C(jī)是為自動(dòng)駕駛汽車(chē)和無(wú)人機(jī)提供更好的‘電眼’，”韓在一份新聞稿中說(shuō)。“當(dāng)環(huán)境惡劣時(shí)，我們的低成本片上亞太赫茲傳感器將與 LiDAR 起到補(bǔ)充作用。”

麻省理工學(xué)院表示，接收陣列基于外差探測(cè)器，這是一種獨(dú)立的信號(hào)混合像素方案，通常難以密集集成到芯片中。然而，研究人員能夠縮小探測(cè)器的尺寸，以將其中的許多探測(cè)器安裝在芯片上。

該論文稱(chēng)，“外差傳感器將輸入信號(hào)與強(qiáng)本地振蕩器 (LO) 信號(hào)混合，能夠產(chǎn)生比平方律檢測(cè)器更高的基帶輸出和靈敏度”，從而解決了對(duì)強(qiáng)輸出基帶的需求信號(hào)。

麻省理工學(xué)院表示，該設(shè)計(jì)的核心是單個(gè)像素，即“外差”像素，它產(chǎn)生兩個(gè)傳入的亞太赫茲信號(hào)和本地振蕩之間的頻率差，本地振蕩是一種改變輸入頻率頻率的電信號(hào)。這就是產(chǎn)生兆赫茲范圍內(nèi)的信號(hào)的原因，該信號(hào)可由基帶處理器解釋。

輸出信號(hào)計(jì)算物體的距離，類(lèi)似于激光雷達(dá)的工作原理。像素陣列的輸出信號(hào)使場(chǎng)景的高分辨率圖像能夠用于檢測(cè)和識(shí)別物體。

麻省理工學(xué)院表示，該原型是一個(gè)集成在 1.2-mm 2器件上的 32 像素陣列，其 靈敏度比當(dāng)今片上亞太赫茲陣列傳感器的像素提高了約 4,300 倍。

麻省理工學(xué)院表示，外差像素陣列只有在來(lái)自所有像素的本地振蕩信號(hào)同步時(shí)才能工作，從而引導(dǎo)設(shè)計(jì)人員采用分散式設(shè)計(jì)來(lái)解決可擴(kuò)展性問(wèn)題。麻省理工學(xué)院表示，隨著陣列擴(kuò)大，每個(gè)像素共享的功率會(huì)降低，這會(huì)降低取決于本地振蕩信號(hào)功率的輸出基帶信號(hào)強(qiáng)度。這意味著每個(gè)像素產(chǎn)生的信號(hào)可能很弱，導(dǎo)致靈敏度低。

在分散式設(shè)計(jì)中，每個(gè)像素生成自己的本地振蕩信號(hào)，用于接收和下混輸入信號(hào)。集成耦合器同步其自身的本地振蕩，為每個(gè)像素提供更多輸出功率。在這種設(shè)計(jì)中，每個(gè)像素都提供高靈敏度。

缺點(diǎn)是每個(gè)像素的占用空間要大得多，這對(duì)高密度陣列設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)。因此，研究人員將天線、下混頻器、振蕩器和耦合器組件組合成每個(gè)像素的單個(gè)組件，從而實(shí)現(xiàn)“32 像素的分散設(shè)計(jì)”，麻省理工學(xué)院表示。鎖相環(huán)（鎖定到 75MHz 參考）確保 32 個(gè)本地振蕩信號(hào)穩(wěn)定。

“我們?yōu)樾酒系腫分散]設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)了一個(gè)多功能組件，并結(jié)合了一些離散結(jié)構(gòu)來(lái)縮小每個(gè)像素的大小，”胡說(shuō)。“即使每個(gè)像素執(zhí)行復(fù)雜的操作，它仍然保持其緊湊性，因此我們?nèi)匀豢梢該碛写笠?guī)模的密集陣列。”

審核編輯 黃昊宇