成像雷達芯片技術揭秘：Vayyar第一代RF片上系統(tǒng)進行拆解與分析

作者：Maurizio Di Paolo Emilio，Junko Yoshida

隨著雷達的應用越來越廣（在消費產(chǎn)品中都用到了雷達），技術和成本分析公司System PlusConsulting對其實施方式充滿好奇，決定對雷達芯片進行拆解。但是，選哪一款雷達芯片呢？出于多種原因，最終選擇了Vayyar的第一代RF片上系統(tǒng)。

System PlusConsulting公司的興趣主要在Vayyar如何設計出這樣一款高度集成的單芯片RF SoC，Vayyar SoC創(chuàng)建高分辨率4D圖像的能力也吸引了System Plus Consulting的分析師。

雷達市場一度增長緩慢，因為只需滿足軍事等成熟應用的需求?，F(xiàn)在情況發(fā)生了很大變化，雷達（尤其是“成像雷達”）的熱度也越來越高。汽車和消費類應用激發(fā)了系統(tǒng)設計人員的想象力，推動雷達達到兩位數(shù)增長。

雷達在軍事基地和航空母艦等應用中仍然至關重要，同時也開始大量進入家庭、家用汽車甚至智能手機應用。針對汽車應用，汽車OEM廠商和一級供應商正在研究用于高級輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS）和車內(nèi)占位檢測的成像雷達。

雷達技術供應商密切關注雷達在智能手機領域的應用機會。例如，去年英飛凌與Google宣布合作，利用英飛凌的雷達技術在Google Pixel 4智能手機中實現(xiàn)手勢控制。是否每部手機都會在不久的將來采用雷達技術尚不得而知，但雷達的應用領域正在迅速擴大。

Vayyar在其Walabot產(chǎn)品線中采用了RF SoC設計。Walabot Home跌倒檢測系統(tǒng)可幫助家庭成員和看護者密切關注家里可能跌倒的老人，該系統(tǒng)使用雷達，可以透過墻壁和窗簾感知人的情況，被看管者無需配備可穿戴設備。

Vayyar的這顆芯片可以分析集成式收發(fā)器發(fā)送和接收的大量信號，并由SoC中的高速DSP處理這些信號，因此Yole Développement旗下的System Plus Consulting公司對該芯片很感興趣。

筆者采訪了System Plus Consulting的成本分析專家Stéphane Elisabeth，他向我們解釋說，Vayyar設計的是一塊包含RF SoC和MCU的小板子，RF SoC可以與系統(tǒng)供應商選擇的任何外部應用處理器配合使用。

Vayyar的第一代芯片（即本文要拆解的芯片）基于3~10GHz RF SoC。由于不同國家/地區(qū)對頻率范圍的限制不同，Vayyar設計了一些后續(xù)產(chǎn)品，包括工作在57~64 GHz的產(chǎn)品，最大帶寬和分辨率范圍都提高了。另外還有基于77~81GHz的產(chǎn)品。

根據(jù)System Plus Consulting，RF SoC采用了一個片上DSP，其收發(fā)器裸片中有多個SRAM存儲器。RF SoC將數(shù)據(jù)提供給Walabot板上的MCU，MCU只是將SRAM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB數(shù)據(jù)流類型。這一步十分重要，因為它使Vayyar的RF SoC具有中立性和靈活性，因此可與系統(tǒng)設計師選擇的任何外部CPU或應用處理器——無論是高通的Snapdragon還是其他廠商的應用處理器——配合使用。如果需要，它還可以執(zhí)行復雜的成像算法。

圖1：RF電路板上有21個天線。（圖片來源：System Plus Consulting）

Walabot Home系統(tǒng)之外

除了Walabot Home系統(tǒng)，Vayyar又開始進軍汽車市場。2018年，Vayyar與領先的一級供應商Valeo達成了交易。Valeo當時宣布計劃使用Vayyar的雷達傳感器，監(jiān)視嬰兒呼吸并在緊急情況下觸發(fā)警報，尤其是將嬰兒單獨留在車內(nèi)時。

2019年11月，Vayyar在D輪融資中籌集了1.09億美元資金，由美國跨國公司Koch Industries的投資子公司Koch Disruptive Technologies（KDT）領投。Koch成為Vayyar的戰(zhàn)略投資者意義重大，因為Koch及其子公司可能為Vayyar打開了一扇大門，使Vayyar的成像傳感器進入更多細分市場。

2020年初，Vayyar宣布與總部位于日本的汽車零部件供應商Aisin Seiki建立合作伙伴關系，共同開發(fā)汽車4D高分辨率短距離外部傳感器，用于盲點檢測等應用。

Walabot Home系統(tǒng)構成

Walabot Home是一個跟蹤人們的活動、監(jiān)控人們是否跌倒以及是否需要幫助的智能系統(tǒng)。這一輕薄設備采用的傳感器系統(tǒng)可以處理類似Wi-Fi信號的低功率無線電波，以確定人的位置。

作為系統(tǒng)核心的RF SoC結合了3~81GHz發(fā)射器和接收器，無需外部CPU，通過對發(fā)送和接收的多種信號進行分析來創(chuàng)建高分辨率4D圖像。Vayyar技術集成了收發(fā)器和可以高速處理數(shù)據(jù)的DSP，因此能夠創(chuàng)建精確的場景。

通過Walabot Home系統(tǒng)，Vayyar技術可以顯示人員及物體的大小、位置和移動，無需使用攝像頭即可實時對環(huán)境進行完整分類。不用攝像頭意味著減少了可能侵犯個人隱私的途徑。

Walabot Home是一個跌倒警報系統(tǒng)，用于監(jiān)控人員，防止可能發(fā)生的危險和事故。這款智能家居設備可以檢測一個人在家里時是否意外摔倒并需要幫助。

RF SoC

該系統(tǒng)包含一個UWB（超寬帶）頻段系統(tǒng)，利用持續(xù)時間極短的射頻能量脈沖（從幾十皮秒到幾納秒）發(fā)送和接收信號，可檢測人員及其空間位置。它實際上是一種無線協(xié)議，可使用功率不到1W的天線達到每秒千兆比特的帶寬（當頻帶大于500MHz或分數(shù)頻帶大于20％時，F(xiàn)CC將其定義為UWB）。該技術的優(yōu)點在于，由于脈沖很短，UWB對反射波本身引起的干擾不太敏感。

“Vayyar的單個RF SoC用于發(fā)送/接收3.3~10GHz RF信號。該系統(tǒng)使用了兩塊板子：一塊用于RF收發(fā)器（圖2中的黃線框）、SRAM數(shù)據(jù)收集和USB類數(shù)據(jù)流；另一塊（圖2中的綠線框）用于數(shù)據(jù)處理和BT/Wi-Fi連接?！盨ystem Pluc Consulting的Elisabeth說。

圖2：Walabot Home系統(tǒng)的X射線透視圖。（圖片來源：System Plus Consulting公司2020年的Vayyar VYYR2401 4D UWB雷達成像SoC報告）

圖3：Walabot Home系統(tǒng)框圖。（圖片來源：System Plus Consulting公司2020年的Vayyar VYYR2401 4D UWB雷達成像SoC報告）

圖4：Walabot Home系統(tǒng)主板。（圖片來源：System Plus Consulting公司2020年的Vayyar VYYR2401 4D UWB雷達成像SoC報告）

從圖3可以看到，兩塊板子通過Flex PCB結構連接，具有更好的柔性，與采用剛性基座的類似解決方案相比，其空間、重量和成本都大大降低。

散熱管理采用兩種方式：“一種是在應用處理器上，另一種直接在散熱器上，”Elisabeth說，“我們推測散熱器是用A380型鋁合金制成的?！?/p>

A380是最常用的一種鋁合金，具有出色的流動性、耐壓性和抗熱裂性，特別是使用鋁合金380進行壓鑄時，可以生產(chǎn)出質(zhì)優(yōu)價?的耐用零件和產(chǎn)品。

RF SoC從裸片到封裝下方的焊球有48個輸入/輸出路徑。Elisabeth說：“在這48個RF I/O中，只有42個用于連接天線。RF SoC的收發(fā)器裸片中集成了一個DSP和多個SRAM存儲器，將數(shù)據(jù)提供給MCU。MCU僅將SRAM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB數(shù)據(jù)流類型。由于采用了片上DSP，因此無需任何外部CPU即可執(zhí)行復雜的成像算法。”

RF SoC采用無蓋FCBGA封裝，使用6層PCB襯底，焊接在10層PCB襯底上（圖5）。MMIC包含兩個正交振蕩器，可以在芯片上生成直接由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）處理的中頻信號。

圖5：RF SoC封裝的剖面圖。（圖片來源：System Plus Consulting公司2020年的Vayyar VYYR2401 4D UWB雷達成像SoC報告）

除了SoC處理器VYYR2401-A3 RF，在圖3和4的框圖中，還可以看到支持緊急移動通信的MSM8909處理器，以及用于揚聲器和麥克風管理的高通編解碼器/音頻器件。高通驍龍210 MSM8909是一款入門級SoC，有四個1.1GHz的ARM Cortex-A7 CPU內(nèi)核（四核），可用于Android平板電腦和智能手機。該SoC集成了藍牙4.1+BLE、802.11n（2.4GHz）WiFi，以及最高速度達150Mbps的Cat4 4G-LTE調(diào)制解調(diào)器（LTE FDD、LTE TDD、WCDMA（DC-HSDPA，HSUPA）、CDMA1x、EV-DO版本B、TD-SCDMA和GSM/EDGE）。

CypressCYUSB2014控制器是一種SuperSpeed外圍控制器，提供靈活的集成功能，可將SoC RF分析的數(shù)據(jù)發(fā)送到USB協(xié)議。該控制器有一個稱為GPIF II的完全可配置并行通用可編程接口，可以連接到任何處理器、ASIC或FPGA。GPIF II是Cypress的旗艦USB 2.0產(chǎn)品FX2LP中GPIF的增強版。

天線

雷達信號管理板由21根天線組成，可確保高分辨率。由于系統(tǒng)在3~10GHz的頻率下工作，因此天線的尺寸較大（λ/4=~15mm）?！疤炀€尺寸較大意味著需要一塊大RF板來支持21個天線，”Elisabeth說，“多個天線連接可提供更好的分辨率。但是由于天線不僅支持高頻，還支持低頻，因此尺寸非常大。”

“該系統(tǒng)的高工作頻率約為9.6GHz，天線尺寸取決于蝶形的大小。”Elisabeth補充說。

圖6：具有21個天線的RF板。（圖片來源：System Plus Consulting公司2020年的Vayyar VYYR2401 4D UWB雷達成像SoC報告）

蝶形設計由于外形小巧、帶寬大、損耗低和輻射效率高等特點而被廣泛應用于成像、雷達、Wi-Fi接入點和脈沖天線（圖7）。

圖7：蝶形天線的幾何外形。（圖片來源：System Plus Consulting公司2020年的Vayyar VYYR2401 4D UWB雷達成像SoC報告）。

蝶形設計是雙錐形偶極拓撲的線性近似（平面類型的變化）。這種天線設計具有簡單的幾何形狀和牢固性，可實現(xiàn)較為理想的尺寸和成本。蝶形可以很好地控制其輸入阻抗，而且易于制造。

成本與分析

System Plus Consulting公司評估了整個系統(tǒng)的成本，重點分析了為何RF SoC僅占系統(tǒng)成本的10％（圖8）。

圖8：Walabot Home的成本分析。（圖片來源：System Plus Consulting公司2020年的Vayyar VYYR2401 4D UWB雷達成像SoC報告）

“由于系統(tǒng)很大，因此幾乎30％的成本都是由PCB（RF板、WiFi/BT天線等）和互連產(chǎn)生的。內(nèi)存（RAM、閃存）和處理器（高通驍龍210）幾乎占了成本的20％；30％的成本來自傳感器、PMIC、連接前端等分立器件；另外10％來自顯示器?！盓lisabeth說。

圖9：其他版本的VYYR SoC。（圖片來源：System Plus Consulting公司2020年的Vayyar VYYR2401 4D UWB雷達成像SoC報告）

Vayyar還開發(fā)了其他版本，工作頻率為60~80GHz，這些版本現(xiàn)已投放市場。VYYR7201-A0工作于57~64GHz，VYYR7202-A1工作于77~81GHz。前者在Vayyar V60G-Home中使用，包含46個線性極化PCB嵌入式天線，適合手勢識別、檢測室內(nèi)人員及留在車內(nèi)的嬰兒等應用。后者包含40個線性極化天線，在Vayyar V80G中使用，適合車內(nèi)/車外應用及檢測可能的入侵。
編輯：hfy