國(guó)際社會(huì)地緣政治格局的變化和全球恐怖主義威脅的加劇使得個(gè)人安全方面的需求激增，從一組數(shù)據(jù)便可看出,。根據(jù) Global Industry Analyst, Inc.發(fā)布的報(bào)告,，全身掃描儀市場(chǎng)預(yù)計(jì)到2021年將增長(zhǎng)到17億美元,，年復(fù)合增長(zhǎng)率為41.5%,。根據(jù)MarketsandMarkets的另一份報(bào)告,，到2021年，單單機(jī)場(chǎng)人體掃描市場(chǎng)的價(jià)值預(yù)計(jì)就將達(dá)到1.18億美元,，年復(fù)合增長(zhǎng)率為8.4%,。這還未考慮非機(jī)場(chǎng)和商業(yè)市場(chǎng)的巨大增長(zhǎng)機(jī)會(huì)。
從磁石門到毫米波,，人體掃描儀發(fā)展歷程
其實(shí)早在2000多年前安防便引起了人們的重視,，秦始皇時(shí)期出現(xiàn)“磁石門”專供“四夷朝者”通行，利用磁石和金屬的特性防止有外國(guó)人在朝貢時(shí)暗中攜帶兵器,。這個(gè)方法被沿用至今,，于是金屬探測(cè)儀問世。后來隨著時(shí)間的推移,，人們發(fā)現(xiàn)僅僅是探測(cè)金屬并不能保證安全,。2002年，一架客機(jī)在大連海域失事,，全機(jī)人員無一幸免,，起因是有人攜帶了易燃液體！此后,，X射線技術(shù)出現(xiàn)在了人們的視野,。X射線掃描儀的速度很快，可以穿透活體,，提供人體和隱藏物體的超高分辨率圖像,，并且有機(jī)物無機(jī)物混合物都會(huì)以不同的顏色顯示。不過其弊端也很明顯,，由于其固有的穿透特性,，被掃描的人員會(huì)受到高強(qiáng)度輻射并且會(huì)侵犯隱私，至此惹了眾怒,。隨后X射線后向散射解決方案登上舞臺(tái),，從健康的角度來講好了很多，它并不會(huì)穿透目標(biāo)，僅從目標(biāo)表面進(jìn)行反射,。但是X光帶來的陰影過于濃重,，導(dǎo)致人們依舊對(duì)其感到擔(dān)憂。不過沒有更好的選擇,，后向散射技術(shù)被全球多地采用,。
時(shí)至今日，隨著射頻,、微波和毫米波技術(shù)的進(jìn)步,，掃描設(shè)備公司成功采用這項(xiàng)技術(shù)研制出了速度快、分辨率高,，不侵犯隱私且不帶任何輻射的新一代人體掃描儀——毫米波人體掃描儀,，其工作頻率一般在10GHz到40GHz之間，有時(shí)還高達(dá)60GHz到80GHz,。相比之前的掃描儀,，它的價(jià)格越來越低，體積也越來越小巧,，掃描時(shí)間夠快,，不會(huì)造成擁堵。逐漸,，毫米波掃描成為當(dāng)今和未來人體掃描儀的首選技術(shù)已是大勢(shì)所趨,。對(duì)此，作為業(yè)界領(lǐng)先的解決方案提供商ADI提前規(guī)劃布局,，為毫米波人體掃描儀提供從比特到天線和從天線到比特的完整信號(hào)鏈解決方案,。
克服傳統(tǒng)“弊病”， 簡(jiǎn)化方案更勝一籌
目前市面上大多數(shù)掃描儀都在寬頻率范圍內(nèi)工作,，為了使其具有更高的圖像分辨率和更快的性能,，同時(shí)對(duì)功能進(jìn)行改進(jìn)，它們需要一個(gè)能夠在整個(gè)頻率范圍內(nèi)進(jìn)行濾波的濾波器,。但是單個(gè)寬帶濾波器很難構(gòu)建,，或者實(shí)施起來成本很高。因此,，制造商考慮使用一個(gè)濾波器組,，通過開關(guān)將多個(gè)窄帶濾波器組合起來，多個(gè)開關(guān)組成開關(guān)矩陣接收發(fā)射信號(hào)并將其分布到多個(gè)發(fā)射天線元件中,。
傳統(tǒng)上,，這種開關(guān)矩陣是通過在SPDT配置中使用PIN二極管和GaAs開關(guān)實(shí)現(xiàn)的，特別是在高達(dá)40GHz的高頻下,。對(duì)于PIN二極管,，每個(gè)開關(guān)都需要大量的外部元件來控制高偏置電壓和電流,。同樣地，采用GaAs對(duì)應(yīng)元件的設(shè)計(jì)需要采用多個(gè)開關(guān),，以便為高通道數(shù)構(gòu)建開關(guān)樹,。隨著通道數(shù)量增加，這些電路會(huì)變得更加復(fù)雜,。
對(duì)此,，ADI采用40 GHz SP4T SOI（絕緣體上的硅）開關(guān)ADRF5046簡(jiǎn)化了這種設(shè)計(jì)，ADRF5046 是一款利用硅工藝制造的反射式單刀四擲 (SP4T) 開關(guān),，其工作頻率范圍為 100 MHz 至 44 GHz,，具有低于 3.0 dB 的插入損耗和高于 31 dB 隔離性能。無論是直通路徑還是熱切換,，并且具有 27 dBm 的射頻 (RF) 輸入功率處理能力,。 借助SP4T，設(shè)計(jì)師可以最多使用四個(gè)開關(guān)位置,，而不是每個(gè)開關(guān)支持兩個(gè)開關(guān)位置,。
舉個(gè)栗子,，對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單的12通道系統(tǒng),，3個(gè)SP4T開關(guān)可以替代多達(dá)7個(gè)SPDT開關(guān)。對(duì)于具備更高通道數(shù)的系統(tǒng),，隨著系統(tǒng)復(fù)雜性呈指數(shù)增長(zhǎng),，SP4T SOI開關(guān)的優(yōu)勢(shì)更加明顯。除了減少開關(guān)IC的數(shù)量,，減少外部元件的數(shù)量 和降低偏置功率同樣重要,。由于ADRF5046的設(shè)計(jì)采用SOI工藝，所以可以在低電源電壓下,，以可忽略的偏置電流運(yùn)行,，且無需任何外部元件，即可接入標(biāo)準(zhǔn)CMOS控制信號(hào),。
老式PIN二極管與新的SOI開關(guān)的開關(guān)實(shí)現(xiàn)方式之間的差異,。
不僅是發(fā)射端的開關(guān)矩陣，在接收端ADI也推出了新的解決方案,，其中使用SOI工藝的ADRF5730用于實(shí)施增益調(diào)節(jié),，這是一款6 位數(shù)字衰減器，以 0.5 dB 步長(zhǎng)提供 31.5 dB 的衰減控制范圍,。以滿足快速開關(guān)建立要求,，讓接收到的信號(hào)隨后經(jīng)過下變頻和進(jìn)一步的放大級(jí)。以及無源寬帶I/Q MMIC混頻器HMC8192,，集成商只需一步即可將高達(dá)42GHz的頻率下變頻至低中頻或基帶,。這個(gè)混頻器的本振驅(qū)動(dòng)和發(fā)射級(jí)使用相同頻率源模塊。然后，寬帶I/Q混頻器的IF被饋送到單端轉(zhuǎn)差分放大器,，隨后與高速ADC進(jìn)行連接,。這種高速ADC將信號(hào)數(shù)字化，并為運(yùn)行多種軟件算法來檢測(cè)圖像的計(jì)算機(jī)提供數(shù)字輸入,。然而在傳統(tǒng)上,，系統(tǒng)集成商大多采用超外差結(jié)構(gòu)將高頻信號(hào)分多個(gè)階段下變頻至中頻。
本文總結(jié)：
不難看出,，要為毫米波人體掃描儀提供從比特到天線和從天線到比特的完整信號(hào)鏈解決方案需要具備必要的產(chǎn)品系列,、經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)支持，而ADI提供的解決方案讓制造商無需單獨(dú)選擇,、評(píng)估每個(gè)器件,，并為它們議價(jià)，從而能夠節(jié)省大量的時(shí)間,、金錢和精力,。借助ADI廣泛的射頻、微波和毫米波器件產(chǎn)品系列,，集成商一定可以找到滿足其性能和價(jià)格預(yù)期的合適器件,。不僅如此，以ADI公司為代表的半導(dǎo)體公司正在為實(shí)現(xiàn)下一代毫米波全身掃描儀全力以赴,，與系統(tǒng)集成商精誠(chéng)合作,，旨在共同開發(fā)更準(zhǔn)確、快速且更具商業(yè)可行性的全身掃描系統(tǒng),，構(gòu)建一個(gè)全新生態(tài)系統(tǒng),。