IMEC 在 UWB 上

自2000年代初以来，超宽路技术逐渐进入需要安全且精细测距能力的各种商业应用。

著名的例子包括汽车和建筑的免提进入解决方案、仓库、医院和工厂中的资产定位，以及机场和购物中心等大型空间的导航支持。

UWB无线信号传输的一个特征是在时域内发射非常短的脉冲。

在脉冲-无线电（IR）超宽波技术中，这种速度被推向极致，发射纳秒甚至皮秒级的脉冲。因此，在频域中，它占用的带宽远大于无线“窄带”通信技术，如Wi-Fi和蓝牙。

UWB技术覆盖广泛的频率范围（通常范围为6GHz到10GHz），信道带宽约为500MHz及以上。因此，它的测距精度远高于窄带技术。如今，UWB可以提供厘米甚至毫米级的位置信息，连接通常相距10-15米的发射端（TX）和接收端（RX）。

此外，作为IEEE 802.15.4z低速率无线网络标准修订的一部分，UWB物理层的增强也对实现安全测距能力起到了关键作用。

多年来，imec为推动UWB技术的发展做出了重要贡献，并克服了阻碍其广泛采用的挑战：降低功耗、提升比特率、提高测距精度、使接收芯片更能抵抗同一频段内其他无线技术的干扰[1]，并实现具有成本效益的CMOS硅芯片实现。

Imec研究人员开发了多代超宽频无线电芯片，符合IEEE 802.15.4z测距和通信标准。Imec的发射机电路通过创新的脉冲形状和调制技术工作，这得益于先进的极坐标发射机、数字锁相环（PLL）和环形振荡器架构——在低功耗下实现毫米级测距精度。

在接收端，电路设计创新促成了卓越的干扰韧性，同时最大限度地降低了功耗。各代UWB原型发射机和收发芯片均采用了具成本效益的CMOS兼容处理技术制造，并以小硅面积为标志。

受到UWB技术卓越表现的鼓舞，专家们早已声称UWB的潜力远大于“准确且安全的测距”。他们看到了类似雷达的应用机会，这些应用不是测距，而是使用单一设备发射超宽波脉冲并分析反射信号以检测“被动”物体。

结合UWB的精确测距能力，这有望扩大汽车应用场景，如车内存在检测和监测乘员的手势和呼吸，旨在提升安全性。或者想想智能家居，利用超宽波雷达传感器根据人员存在调整照明环境。在养老院，该技术可基于跌倒检测启动警报，无需侵入式摄像头监控。

实现此类UWB应用场景将由IEEE 802.15.4ab——下一代无线技术标准——推动，预计于2026年初正式发布。802.15.4ab将带来多项增强，包括红外-超宽波（IR-UWB）设备的雷达功能，使其成为具备传感能力的设备。

在2025年VLSI技术与电路研讨会（VLSI 2025）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[2]。

基线特征包括包括增强的调制能力和高数据率的支持。此外，imec的超宽波雷达传感技术实现了独特功能，提供增强的雷达传感能力（如延伸射程）和创纪录的124.8Mb/s数据速率——集成在系统单片中。新无线电还符合当前的802.15.4z标准，将雷达探测能力与通信和安全测距相结合。

imec红外宽域雷达传感系统的一个独特特点是2×2 MIMO架构，配备两个发射器和两个接收器，配置为全双工模式。在这种配置中，双工器控制收发器是以发射模式还是接收模式工作。此外，TX和RX配对在一起（TX1-RX1、TX1-RX2和TX2-RX2），通过双工器连接。这使得雷达能够同时在发射和接收模式下工作，无需使用射频开关切换两种模式。

这种工作方式可以缩短雷达工作距离——这一指标传统上受限于两种模式切换所需的时间。IMEC的全双工雷达可运行在30厘米至3米的射程——这是一项突破性成就。在这种全双工MIMO配置中，最近的距离仅受雷达500MHz带宽限制。

红外宽宽2TRX雷达物理上实现了两个天线元件，每个天线由一个发射器和一个接收接收器共享。然而，2×2 MIMO全双工配置几乎实现了三天线阵列，显著提升了雷达的角分辨率和面积消耗。与最先进的单输入单输出（SISO）雷达相比，该雷达占用面积小1.7倍，天线数量减少2.5个，使其成为高性能、紧凑且经济高效的解决方案。采用先进技术将TX与接收信号隔离，实现500MHz带宽内>30dB的隔离。

信号传输依赖于模拟/数字极性发射机混合，在模拟领域引入滤波效应以实现信号调制。这带来了干净的发射信号谱，支持UWB雷达传感器的良好性能和低功耗工作。

最后，除了基于MIMO的模拟/射频部分外，UWB雷达传感设备还配备了先进的数字基带（或调制解调器），负责信号处理。该组件提取雷达与物体之间的距离以及到达角度估计等相关信息。

基于IR-UWB的MIMO雷达技术在汽车应用中尤为具有吸引力，UWB雷达不仅可以检测车内是否有人（例如儿童存在检测），还能绘制车辆占有率和监测呼吸等生命体征。该能力目前已被多家汽车原厂和一级供应商纳入路线图。但如今，没有任何雷达技术能以所需的精度实现这一功能。尤其具有挑战性的是实现探测两个距离相同（短）目标所需的角分辨率。此外，呼吸监测需在几秒钟内识别目标的微小动作。

在2025年IEEE个人、室内及移动无线通信国际研讨会（IEEE PIMRC 2025）上，imec研究人员展示了首个概念验证，展示了imec最新的红外宽波（IR-UWB）多频频输入雷达系统能够执行两项舱内传感任务：占用检测和呼吸速率估计[3]。车内测量是在一辆小车内进行的。UWB平台位于车顶中央靠近后视镜的两组自制天线元件前方。天线与驾驶员及前排乘客座椅中心的距离为55厘米。实验结果证实了在估计到达角和呼吸率方面实现了高精度。例如，在乘客和驾驶员座位均有人的情况下，imec的超宽轴雷达系统在到达角度和呼吸频率估计中分别实现了低于1.90度和2.95次/分钟的标准差。

在他们的贡献中，imec 作者强调了使用超宽平衡技术进行车内监控的另一个好处：已应用于部分汽车用于无钥匙进入的 TRX 架构，可以被重新应用于雷达应用——从而降低整体成本。

除了出色的雷达感应能力外，imec最新的红外宽区收发器还具备另一项区别于现有UWB解决方案的特点：它提供创纪录的124.8Mb/s数据速率——这是仍兼容即将推出的802.15.4ab标准的最高数据速率[2]。这比目前测距和通信应用中使用的6.8Mb/s数据速率高出约20倍，得益于对模拟前端和数字基带的优化。高数据速率也带来了较低的比特能量——远低于例如Wi-Fi的能量消耗——尤其是在发射端。

这些功能将解锁音频和视频数据流的新应用。可能的应用场景包括下一代智能眼镜或VR/AR设备，其中UWB TRX的小型机身是额外的优势。

IEEE 802.15.4ab标准支持另一个功能：高级测距。这将增强信号传输链路预算，使测距距离增加四倍——在自由视线下可达100米。这一功能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。它不仅能缩短工作距离，还能更好地应对具有挑战性的环境，例如信号被其他物体阻挡时（例如身体阻挡）。

新型窄带（NB）收发机的引入，解锁了这一先进测距能力，作为imec第五代超宽波技术的新功能。该收发器架构支持NB辅助UWB作，使UWB的实际工作范围比前几代增加了最多四倍。

在过去二十年里，符合IEEE 802.15.4z标准的UWB技术已证明其支持大众市场安全测距和本地化部署的能力，使得汽车、智能产业、智能家居和智能建筑市场的应用场景得以实现。在即将出台的IEEE 802.15.4ab标准支持下，新兴的超宽频设备现在也可以配备雷达功能。

Imec第四代红外宽宽带技术是首款（公开报道的）802.15.4ab标准雷达传感设备，展现出卓越的雷达传感能力——适用于汽车和智能家居场景。创纪录的高数据传输率也显示了UWB开拓新市场的潜力：智能眼镜或增强现实/虚拟现实设备的低功耗数据流。

第五代引入的NB收发器架构不仅解锁了高级测距能力，而且设计时也考虑了扩展性。虽然其主要作用是根据IEEE 802.15.4ab支持NB辅助UWB，但它为支持新兴标准（如蓝牙高频带[4]）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。

超宽平衡技术的未来一片光明。不仅技术进步以快速步伐相继，持续的标准化努力也有助于塑造当前和未来的UWB应用。