摘要：毫米波(mm Wave)雷达是即将到来的6G时代实现高分辨率传感和检测的关键推动因素。传统的光子雷达大多在由笨重的分立元件组成的桌面系统中实现，而更紧凑的集成光子雷达由于底层电光调制器的带宽和信号完整性不令人满意而难以达到毫米波频段。
集成铌酸锂光子毫米波雷达！
毫米波(mm Wave)雷达是即将到来的6G时代实现高分辨率传感和检测的关键推动因素。传统的光子雷达大多在由笨重的分立元件组成的桌面系统中实现，而更紧凑的集成光子雷达由于底层电光调制器的带宽和信号完整性不令人满意而难以达到毫米波频段。
鉴于此，南开大学Ning Hua Zhu教授、香港城市大学王骋教授、潘裕斌教授克服了这些挑战，并展示了一种基于4英寸晶圆级薄膜铌酸锂(TFLN)技术的厘米分辨率紧凑型光子毫米波雷达。TFLN光子芯片由第一个电光调制器组成，用于通过光频倍增产生宽带雷达波形，以及第二个调制器，用于对接收到的回波进行去啁啾。这大大减轻了发射器中的数模转换器和接收器中的模数转换器的带宽要求。在毫米波V波段(40-50 GHz)下运行，他们实现了分辨率为1.50 cm的多目标测距和分辨率为0.067 m s−1的速度测量。此外，他们构建了一个二维分辨率为1.50 cm × 1.06 cm的逆合成孔径雷达。该集成TFLN光子毫米波雷达芯片为6G时代的高分辨率传感和检测提供了紧凑且经济高效的解决方案，适用于车载雷达、机载雷达和智能家居。相关研究成果以题为“Integrated lithium niobate photonic millimetre-wave radar”发表在最新一期《Nature Photonics》上。【光子毫米波雷达芯片和雷达波形生成】
作者介绍了一种新型光子毫米波雷达芯片，该芯片利用薄膜铌酸锂(TFLN)技术实现厘米级分辨率。主要创新在于它能够以紧凑且经济高效的设计在V波段(40-50 GHz)中运行，从而能够集成到未来的6G应用中。雷达芯片的关键组件：（1）两个电光调制器(EOM)：EOM1：通过光频倍增生成雷达波形；EOM2：通过频率去啁啾处理接收到的回波信号，从而实现高效的信号分析。（2）线性调频波形(LFMW)：之所以选择LFMW，是因为其具有高距离分辨率和多普勒容差。该系统实现了低频微波信号的倍频，产生带宽可调的毫米波LFMW信号。图1a描述了雷达系统的结构和在自适应巡航控制中的应用。4英寸TFLN晶圆采用1.50 cm×1.50 cm芯片制造，展示了相对于香港十元硬币的紧凑芯片尺寸（图1b和1c）。电光传递函数和带宽测量显示半波电压约为2.8 V，带宽超过50 GHz（图1d和1e）。光谱表明边带与载波抑制比>25 dB，确保低残留基波分量。可配置雷达波形跨越41–45 GHz的中心频率和2–10 GHz的带宽。测量的时域波形和频率时间图突出显示了40至50 GHz内4 μs内的线性啁啾（图1f–1j）。该芯片的模块化设计最大限度地降低了数模转换器(DAC)和模数转换器(ADC)的带宽要求。通过绕过光学和电气滤波器，它实现了宽范围内可调的中心频率和带宽。
图1.光子毫米波雷达芯片和雷达波形生成
【高分辨率光子毫米波测距雷达】
TFLN雷达在测距应用中表现出色，单个和多个目标的分辨率达到1.50厘米。该装置采用频率去啁啾来有效提取低频目标信息。图2概览实验装置（图2a）：显示带有EOM1和EOM2的雷达系统，用于信号调制和去啁啾。插图提供了雷达芯片的显微镜视图。测距结果（图2b和2c）：（1）单目标测距：在30至420厘米的距离范围内进行线性和精确测量，平均误差低于±0.15厘米。（2）多目标测距：能够区分仅相距1.90厘米的目标，误差也在±0.15厘米以内。技术见解频率去啁啾通过将高频回声转换为低频信号来降低ADC采样率。实现的距离分辨率与理论预测非常接近，而低旁瓣抑制比（
图2.高分辨率光子毫米波测距雷达
【高分辨率光子毫米波速度检测雷达】
通过多普勒频移分析验证了速度检测能力，实现了0.067米/秒的速度分辨率和±0.017米/秒内的误差范围。平衡汽车作为移动目标，速度可调至1.2米/秒。测量速度与设定值非常接近，表明可以可靠地检测小速度（低至0.056米/秒）。速度范围图（图3c-j）：二维傅里叶变换同时提取范围和速度信息。结果证实了理论速度分辨率，不同速度之间有明显区别。误差分析（图3a和3b）：突出显示测量速度和设定速度之间的最小偏差，展示系统的精度。紧凑型雷达芯片的最大理论速度为833米/秒，适用于交通管理、自适应巡航控制和物体跟踪等应用。高速下的距离-多普勒耦合效应可以通过多普勒补偿算法或高级波形设计（例如三角或双啁啾波形）来减轻。
图3.高分辨率光子MM波速度检测雷达
【高分辨率光子毫米波成像雷达】
作者使用逆合成孔径雷达(ISAR)系统演示雷达的成像能力，实现1.50 cm×1.06 cm的二维分辨率。基本目标：转盘上排列的角反射器清晰地显示目标大小、数量和相对位置的图像。角反射器的成像结果验证了雷达在~1.7 m范围内解析多个紧密间隔目标的能力（图4b）。真实世界示例（图4c-f）：高保真度捕获各种物体的结构轮廓，展示了雷达的多功能性。1.06厘米的方位分辨率与理论计算结果相符，环境噪声和反射率变化造成的散焦最小。运动补偿算法提高了成像精度，使其在物体识别和测绘中具有实际应用价值。
图4.高分辨率光子毫米波成像雷达
【总结】
得益于TFLN平台出色的调制性能和可扩展性，与之前的光子雷达演示相比，本文紧凑型光子毫米波雷达在集成度、雷达分辨率和功能方面的整体性能显著提高。通过进一步将雷达波形的频率和带宽增加到更高且更具实际意义的频段（例如，车载雷达的76-79 GHz），甚至可以实现低至毫米级的更好的雷达分辨率。利用电容加载的行波电极，TFLNEOM可以在相同的晶圆级制造平台上超过80 GHz带宽。先进的倍频架构（例如使用双并行Mach-Zehnder调制器的频率四倍或八倍）可用于生成高频雷达波形，同时保持较低的DAC要求。稀疏步进频率啁啾和相干融合技术可用于克服带宽限制，并在频谱占用拥挤和电磁干扰的实际环境中实现更高的分辨率。TFLN平台的出色性能和可扩展性，加上最近在异构和混合集成方面的努力，开启了在芯片和电路板级集成和共同封装所有使用的光子和电器件的可能性，从而实现了紧凑、低成本的集成光子毫米波雷达全系统。TFLN光子毫米波雷达可为传感、成像、智能家居、环境监测以及预期的6G技术时代通信和雷达系统的无缝集成等各种应用提供紧凑、低成本和高分辨率的解决方案。
来源：高分子科学前沿