加州大学戴维斯分校的科学家们创造了一种概念验证传感器，它可能会开创毫米波雷达的新时代。事实上，他们称这种设计将"不可能完成的任务"变为了可能。毫米波雷达利用快速移动的电磁波，根据这些波的反射来确定目标物体的移动、位置和速度。毫米波的与众不同之处在于其对微小运动的高度敏感性以及从极小物体上收集数据的能力。
加州大学戴维斯分校开发的毫米波雷达传感器原型能够测量极其微小的振动和运动，同时具有高能效和低成本的特点。资料来源：Omeed Momeni，加州大学戴维斯分校
新型传感器采用了创新的毫米波雷达设计，能探测到比人类头发丝小一千倍的振动，以及小一百倍的目标位置变化，从而使其与世界上最精确的传感器相媲美。与同类产品不同的是，这种传感器只有芝麻粒大小，生产成本低廉，电池寿命长。
电子与计算机工程系的 Omeed Momeni 教授及其实验室领导了这项工作。该项目由食品与农业研究基金会（FFAR）资助，旨在开发一种能够跟踪单株植物水分状况的低成本传感器。这种新型雷达是证明其可行性的必要垫脚石。这项研究成果最近发表在《电气和电子工程师学会固态电路杂志》（IEEE Journal of Solid-State Circuits）上。
毫米波是介于微波和红外线之间的电磁频率，范围在 30 到 300 千兆赫之间。它能实现快速通信网络（如 5G），并因其短距离传感能力而备受青睐。但是，由于这些频率下的半导体功耗高、性能有限，因此很难使用。
团队在第一年的传感器开发过程中遇到的主要问题是如何定位所需的信号源。由于噪音太大，当研究人员试图捕捉一片小叶子变薄的微妙信号时，他们的传感器被淹没了。
莫梅尼说："这似乎真的不可能，因为我们所研究的噪声水平要求非常低，几乎没有信号源能够真正处理它。"他的团队指出，他们需要制造一种雷达芯片，其功能和精确度要比目前最先进的设计高出 10 倍--这似乎取决于未来数年后的技术进步。
有时，你需要的只是一个从另一个角度解决问题的想法。王浩（Hao Wang）是莫梅尼高速集成系统实验室的电气工程博士生，他在 2021 年毕业前参与了传感器项目。
一天，王浩在与莫梅尼会面时突发灵感，想绕过技术限制： 为什么不利用自身来消除噪音呢？从理论上讲，这将解决他们的传感器所面临的问题，而 Wang 正在为他的论文完成一个芯片设计，以实现这一目标。
"这并不是凭空出现的全新概念，"王说。"这是以我们（莫梅尼实验室）多年来的研究积累为基础的，然后再进行更多的创新。"实验室迅速组装了一个原型来测试王的想法。第一次尝试就成功了。
原型之所以成功，是因为它能让他们像处理一道简单的算术题一样处理传感器接收到的大量噪声，他们减去了不必要的噪声，同时保持了测量的灵敏度和数据的完整性。
有了这项技术，毫米波传感器就能检测到所需的全部信息，而不会被噪声"淹没"。这一创新为传感器的高准确率提供了可能。
王设计的芯片也易于生产，其独特的设计大大提高了毫米波传感器的能效。这些额外的进步可能会解决毫米波传感器面临的两个最重要的问题：高能耗和半导体晶体管在噪声、增益和输出功率方面的有限性能。
随着团队对设计的不断完善和迭代，他们非常期待研究人员对其进行实验。除 FFAR 项目外，他们认为该技术还有望用于检测建筑物的结构完整性和改善虚拟现实，但他们相信该技术的潜力远远超出了他们的想象。