超宽带（UWB）技术概述与应用领域 - 技术特点：超宽带（UWB）技术通过发射纳秒或皮秒级的极短脉冲进行工作，工作频率范围通常为6至10GHz，信道带宽约为500MHz或更高，这使其测距精度远高于Wi-Fi和蓝牙等窄带技术[1] - 核心能力：UWB技术能够提供发射机与接收机之间厘米级甚至毫米级的定位信息，典型工作距离为10至15米[1] - 主要应用：技术已应用于汽车和建筑物的免接触式门禁系统、仓库、医院和工厂的资产定位，以及机场和购物中心等大型场所的导航支持[1] - 标准演进：IEEE 802.15.4z标准的物理层增强对实现安全测距功能起到了重要作用[1] imec在UWB技术研发上的贡献与进展 - 长期贡献：多年来，imec致力于降低UWB功耗、提高比特率和测距精度、增强接收机抗干扰能力，并实现经济高效的CMOS硅芯片实现[3] - 芯片开发：imec研究人员开发了多代符合IEEE 802.15.4z标准的UWB无线电芯片，用于测距和通信[3] - 发射机创新：发射机电路采用创新的脉冲整形和调制技术，结合先进的极化发射机、数字锁相环和环形振荡器架构，在低功耗下实现了毫米级的测距精度[3] - 接收机与制造：接收端电路设计创新实现了出色的抗干扰能力和低功耗，各代原型芯片均采用成本效益高的CMOS兼容工艺制造，并以小面积硅片为特点[4] 下一代UWB技术：雷达传感与802.15.4ab标准 - 功能拓展：专家认为UWB的潜力超越“精确安全测距”，可拓展至类似雷达的应用，即使用单个设备发射脉冲并分析反射信号来检测“被动”物体[4] - 应用场景：结合精准测距，UWB雷达可应用于汽车领域（如车内人员存在检测、手势和呼吸监测）、智能家居（根据人员在场自动调节照明）以及养老院（非侵入式跌倒检测）[4] - 标准推动：预计2026年初正式发布的IEEE 802.15.4ab标准将促进此类UWB雷达应用场景的实现，该标准将提供多项增强功能，包括在IR-UWB设备中实现雷达功能[4] - 产品展示：在2025年VLSI技术和电路研讨会上，imec展示了其第四代UWB收发器，符合802.15.4ab初步版本定义的雷达传感基线[5] imec第四代UWB雷达传感技术的核心突破 - 系统特性：第四代UWB收发器集成了增强型调制、高数据速率支持以及独特的增强型雷达传感能力（如更远的探测距离），数据速率高达124.8Mb/s，所有功能均集成在片上系统中[5] - 独特架构：其红外超宽带雷达传感系统采用2x2 MIMO全双工架构，配置两个发射机和两个接收机，无需使用射频开关来切换工作模式[7] - 性能突破：全双工工作模式缩短了有效工作距离的限制，使雷达可在30厘米至3米的范围内工作，有效工作距离仅受限于500MHz带宽[8] - 结构优势：该2x2 MIMO全双工配置实际上允许使用三个天线阵列，提高了雷达的角度分辨率并降低了面积占用，与最先进的单输入单输出雷达相比，面积缩小了1.7倍，天线数量减少了2.5个[8] - 信号处理：系统采用混合模拟/数字极化发射机，在模拟域引入滤波效应进行信号调制，保证了良好性能和低功耗，并配备了先进的数字基带进行信号处理，提取距离和到达角等信息[10] UWB雷达在汽车感知领域的验证与应用潜力 - 应用需求：UWB雷达在汽车领域极具吸引力，可用于检测车内人员、绘制乘员分布图并监测生命体征（如呼吸），但目前尚无雷达技术能以所需精度实现这些功能，挑战包括区分近距离目标的角度分辨率以及识别呼吸导致的微小移动[10] - 概念验证：在2025年IEEE PIMRC上，imec研究人员展示了首个概念验证，证明其最新的红外超宽带MIMO雷达系统能够执行车内乘员检测和呼吸频率估计任务[12] - 验证结果：实验在一辆小型汽车内进行，系统能够高精度地估计到达角和呼吸频率，在乘客和驾驶员座位都被占用的情况下，到达角和呼吸频率估计的标准偏差分别小于1.90度和2.95 bpm[12] - 成本优势：使用UWB技术进行车内监控的另一个潜在好处是，汽车中已有的用于无钥匙进入的收发器架构可以重新用于雷达应用，从而降低总体成本[14] 高数据速率与高级测距带来的新机遇 - 高数据速率：imec最新的IR-UWB收发器提供了高达124.8Mb/s的数据速率，这是目前与即将推出的802.15.4ab标准兼容的最高数据速率，比当前测距和通信应用中使用的6.8Mb/s数据速率高出约20倍[14] - 能效优势：高数据速率带来了极低的每比特能耗，远低于例如Wi-Fi的能耗[14] - 新应用领域：高数据速率为音频和视频数据流传输开辟了新领域，潜在应用包括下一代智能眼镜或VR/AR设备，UWB收发器的小巧尺寸是一大优势[14] - 高级测距：IEEE 802.15.4ab标准支持的高级测距功能将提升链路预算，使测距距离提升四倍，在视线无阻情况下可达100米，预计将显著提升汽车和智能建筑无钥匙进入解决方案的用户体验[15] - 技术实现：imec第五代UWB技术引入了一种新型窄带收发器，从而实现了先进的测距功能，该架构支持窄带辅助UWB操作，使UWB的实际工作范围最多可提升四倍[15] 技术总结与未来展望 - 技术成熟度：符合IEEE 802.15.4z标准的UWB技术已证明其能够支持安全测距和定位的大规模市场部署，并在汽车、智能工业、智能家居和智能建筑等市场中得到广泛应用[15] - 第四代技术地位：imec的第四代IR-UWB技术是首款（已公开报道的）符合802.15.4ab标准的雷达传感设备，展现出卓越的雷达传感能力[16] - 市场潜力：创纪录的高数据速率表明UWB技术具有开拓新市场的潜力，例如为智能眼镜或AR/VR设备提供低功耗数据流传输[16] - 第五代可扩展性：第五代产品中引入的窄带收发器架构不仅实现了先进的测距能力，在设计时也充分考虑了可扩展性，为支持蓝牙高频段等新兴标准奠定了基础，为统一的多频段、多标准低功耗无线解决方案铺平了道路[16] - 未来前景：UWB技术的未来前景光明，技术进步日新月异，且持续不断的标准化工作有助于塑造当前和未来的UWB应用[16]