面向日益復(fù)雜多樣的電子產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)景,電子設(shè)備的小型化進(jìn)程不斷加快,對(duì)于高集成、多模式、多功能的芯片需求飛速高漲。本項(xiàng)研究成果針對(duì)生物醫(yī)療電子、個(gè)人無(wú)線體域網(wǎng)、近距離無(wú)感支付、車載定位、戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)感知、無(wú)人機(jī)導(dǎo)航等應(yīng)用需求,提出一種超寬帶無(wú)線通信兼具FMCW雷達(dá)測(cè)距的復(fù)合型收發(fā)機(jī)創(chuàng)新性結(jié)構(gòu)。收發(fā)機(jī)采用超寬帶射頻調(diào)頻+可再生型鑒頻技術(shù),實(shí)現(xiàn)通信及雷達(dá)的共架構(gòu)方案;提出多相中頻時(shí)差測(cè)距機(jī)理,將分辨率提高2個(gè)數(shù)量級(jí),達(dá)到mm級(jí)精確測(cè)距,動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大4倍;射頻前端基于電流共享技術(shù),實(shí)現(xiàn)射頻振蕩器+功放、低噪放+鑒頻+混頻的一體化實(shí)現(xiàn),系統(tǒng)功耗優(yōu)化40%;提出子載波發(fā)生器+頻率校正環(huán)路的數(shù)字化復(fù)用結(jié)構(gòu),發(fā)射機(jī)可半數(shù)字化實(shí)現(xiàn),從而得到一款支持無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、時(shí)差/頻差/相差雷達(dá)測(cè)距的極低功耗復(fù)用型收發(fā)芯片。
圖1.研制的通信+雷達(dá)集成收發(fā)機(jī)芯片顯微照片
超寬帶系統(tǒng)具有低功耗、探測(cè)精度高、穿透性強(qiáng)、安全性高等優(yōu)勢(shì),在防務(wù)、雷達(dá)、生物探測(cè)、短距通信及室內(nèi)室外高精度定位等場(chǎng)景有著廣泛的應(yīng)用,并且隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,基于 CMOS 的 UWB 雷達(dá)芯片成為研究熱點(diǎn)。本次提出的多模式可重構(gòu)超寬帶通信+雷達(dá)收發(fā)芯片充分利用了當(dāng)前緊張的頻譜資源,面向民事、軍事均存在廣泛的應(yīng)用前景。
在民用方面,該種技術(shù)主要可應(yīng)用于消費(fèi)類應(yīng)用、車載應(yīng)用、醫(yī)療類應(yīng)用等。具體而言,典型的消費(fèi)類應(yīng)用場(chǎng)景如手機(jī)定位、標(biāo)簽附件、智能家居、無(wú)人機(jī)/機(jī)器人、移動(dòng)支付、可穿戴設(shè)備、生物醫(yī)療電子、VR/AR等均是當(dāng)前消費(fèi)市場(chǎng)的主力;而在車載方面的應(yīng)用大多集中于無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)、地下車庫(kù)及停車場(chǎng)導(dǎo)航、遠(yuǎn)程泊車、V2X和ADAS、車輛內(nèi)部探測(cè)、接近感應(yīng)等;此外,超寬帶通信雷達(dá)芯片還可廣泛應(yīng)用于工廠車間、醫(yī)院/養(yǎng)老中心、智能建筑等,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)感知,數(shù)據(jù)賦能。
據(jù)Techno Systems市場(chǎng)調(diào)研預(yù)測(cè),UWB具有與藍(lán)牙和WiFi同等市場(chǎng)規(guī)模的發(fā)展?jié)摿ΓA(yù)計(jì)到2027年全球UWB芯片出貨量將超過(guò)12億顆,其中占比最高的是智能手機(jī)和汽車應(yīng)用。當(dāng)前,已有多家公司應(yīng)用超寬帶芯片,如恩智浦(NXP)發(fā)布UWB+SE芯片,主打汽車無(wú)鑰匙進(jìn)入應(yīng)用市場(chǎng);3db Access瑞薩將獲得3db UWB的技術(shù)許可,雙方合作共同為智能家居、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、工業(yè)4.0,以及移動(dòng)計(jì)算和車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供安全訪問(wèn)解決方案;蘋果U1芯片為自iPhone 11之后的iPhone和iPad都采用了UWB技術(shù)。
近幾年來(lái),隨著蘋果UWB功能手機(jī)的出現(xiàn),以及UWB行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的完善,UWB受到了業(yè)界越來(lái)越多的關(guān)注。日益增多的無(wú)線定位等的應(yīng)用需求,推動(dòng)了UWB的發(fā)展。而各種不同的定位技術(shù)(如Wi-Fi、GNSS、RFID、Bluetooth等)不斷地發(fā)展和融合,促進(jìn)了UWB應(yīng)用更廣泛地發(fā)展。蜂窩技術(shù)(如5G、4G、NB-IoT等)和非蜂窩技術(shù)(LoRaWAN、Sigfox、ZETA等)通信技術(shù)也助推了UWB應(yīng)用,提供了更多無(wú)限的可能。超寬帶芯片市場(chǎng)規(guī)模的估計(jì)取決于應(yīng)用領(lǐng)域的多少,下面是幾個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的概述:
1.室內(nèi)定位:超寬帶技術(shù)可以在室內(nèi)提供高精度的定位服務(wù),應(yīng)用場(chǎng)景包括工廠、商場(chǎng)、醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)、地鐵等。根據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Grand View Research的報(bào)告,室內(nèi)定位市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將從2020年的37.6億美元增長(zhǎng)到2027年的168.2億美元,復(fù)合年增長(zhǎng)率為22.8%。
2.物聯(lián)網(wǎng):隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,超寬帶技術(shù)被廣泛應(yīng)用于智能家居、智能工廠、智能物流等領(lǐng)域。據(jù)IDTechEx的研究,物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將從2020年的880億美元增長(zhǎng)到2027年的2380億美元,復(fù)合年增長(zhǎng)率為14.5%。
3.汽車安全:超寬帶技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高精度的車內(nèi)定位和車輛防盜功能,有望成為未來(lái)汽車安全領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)MarketsandMarkets的報(bào)告,全球汽車安全市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將從2020年的134億美元增長(zhǎng)到2025年的238億美元,復(fù)合年增長(zhǎng)率為12.1%。
此外,根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2022-2027年中國(guó)超寬帶(UWB)市場(chǎng)可行性研究報(bào)告》顯示,我國(guó)超寬帶行業(yè)起步較早,隨著應(yīng)用場(chǎng)景不斷擴(kuò)大,超寬帶市場(chǎng)規(guī)模呈持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。2021年我國(guó)超寬帶市場(chǎng)規(guī)模達(dá)36.7億元,同比增長(zhǎng)19.6%。在細(xì)分市場(chǎng)方面,受益于超寬帶行業(yè)景氣度不斷提升,我國(guó)企業(yè)級(jí)超寬帶產(chǎn)品需求量及產(chǎn)量呈穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)。2021年我國(guó)企業(yè)級(jí)超寬帶產(chǎn)品需求量達(dá)3120.0套,產(chǎn)量達(dá)3008.0套。
本項(xiàng)成果采用 65nm CMOS工藝,突破了超寬帶通信及雷達(dá)的核心技術(shù)瓶頸,積累了一系列的發(fā)明專利,擁有核心技術(shù)保護(hù)門檻,同時(shí)由于本成果在市場(chǎng)中尚未競(jìng)品,極具創(chuàng)新性,擁有極高的轉(zhuǎn)化潛力。設(shè)計(jì)成本已于前期工作中進(jìn)行了分?jǐn)偅热魧?shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化,其成本集中在制造成本與運(yùn)營(yíng)成本,售價(jià)將會(huì)極具吸引力,在市場(chǎng)中富有競(jìng)爭(zhēng)性。
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