加州大學戴維斯分校的科學家們創造了一種概念驗證感測器，它可能會開創毫米波雷達的新時代。事實上，他們稱這種設計將”不可能的任務”變成了可能。毫米波雷達利用快速移動的電磁波，根據這些波的反射來決定目標物體的移動、位置和速度。毫米波的與眾不同之處在於其對微小運動的高度敏感性以及從極小物體上收集數據的能力。

加州大學戴維斯分校開發的毫米波雷達感測器原型能夠測量極其微小的振動和運動，同時具有高能效和低成本的特性。資料來源：Omeed Momeni，加州大學戴維斯分校

新型感測器採用了創新的毫米波雷達設計，可偵測到比人類頭髮小一千倍的振動，以及小一百倍的目標位置變化，從而使其與世界上最精確的感測器相媲美。與同類產品不同的是，這種感測器只有芝麻粒大小，生產成本低廉，電池壽命長。

電子與電腦工程系的Omeed Momeni 教授及其實驗室領導了這項工作。該計畫由食品與農業研究基金會（FFAR）資助，旨在開發一種能夠追蹤單株植物水分狀況的低成本感測器。這種新型雷達是證明其可行性的必要墊腳石。這項研究成果最近發表在《電氣和電子工程師學會固態電路期刊》（IEEE Journal of Solid-State Circuits）。

毫米波是介於微波和紅外線之間的電磁頻率，範圍在30 到300 千兆赫之間。它能實現快速通訊網路（如5G），並因其短距離感測能力而備受青睞。但是，由於這些頻率下的半導體功耗高、性能有限，因此很難使用。

團隊在第一年的感測器開發過程中遇到的主要問題是如何定位所需的訊號源。由於噪音太大，當研究人員試圖捕捉一片小葉子變薄的微妙信號時，他們的感測器被淹沒了。

莫梅尼說：「這似乎真的不可能，因為我們所研究的噪音水平要求非常低，幾乎沒有信號源能夠真正處理它。」他的團隊指出，他們需要製造一種雷達晶片，其功能和精確度比目前最先進的設計高出10 倍–這似乎取決於未來數年後的技術進步。

有時，你需要的只是一個從另一個角度解決問題的想法。王浩（Hao Wang）是莫梅尼高速整合系統實驗室的電氣工程博士生，他在2021 年畢業前參與了感測器計畫。

有一天，王浩在與莫梅尼會面時突發靈感，想繞過技術限制： 為什麼不利用自身來消除噪音呢？從理論上講，這將解決他們的感測器所面臨的問題，而Wang 正在為他的論文完成一個晶片設計，以實現這一目標。

“這並不是憑空出現的全新概念，”王說。”這是以我們（莫梅尼實驗室）多年來的研究積累為基礎的，然後再進行更多的創新。”實驗室迅速組裝了一個原型來測試王的想法。第一次嘗試就成功了。

原型之所以成功，是因為它能讓他們像處理一道簡單的算術題一樣處理感測器接收到的大量噪聲，他們減去了不必要的噪聲，同時保持了測量的靈敏度和數據的完整性。

有了這項技術，毫米波感測器就能偵測到所需的全部訊息，而不會被雜訊”淹沒”。這項創新為感測器的高準確率提供了可能。

王設計的晶片也易於生產，其獨特的設計大大提高了毫米波感測器的能源效率。這些額外的進步可能會解決毫米波感測器面臨的兩個最重要的問題：高能耗和半導體電晶體在雜訊、增益和輸出功率方面的有限性能。

隨著團隊對設計的不斷改進和迭代，他們非常期待研究人員對其進行實驗。除FFAR 項目外，他們認為該技術還有望用於檢測建築物的結構完整性和改善虛擬現實，但他們相信該技術的潛力遠遠超出了他們的想像。