作者：Abhishek Kapoor，Bilge Bayrakci

全身掃描儀已成為全球安全和威脅檢測工具包的重要組成部分。隨著射頻、微波和毫米波技術的進步，利用該技術的全身掃描儀也開始流行起來。全身掃描解決方案的整體接受度在很大程度上取決于其性能、設計和商業(yè)可行性。本文討論了如何通過做出正確的技術設計和合作伙伴關系選擇，這些全身掃描儀的系統(tǒng)集成商可以更有信心為這個快速增長的市場提供商業(yè)上可行的解決方案。

介紹

與幾十年前相比，我們生活在一個非常不同的世界。全球社會不斷變化的地緣政治格局和全球恐怖主義威脅的加劇增加了對人身安全的需求。對安全的需求不再僅限于關鍵基礎設施，而是更加普遍。世界各地的政府、安全機構(gòu)和企業(yè)正在認識到這一新現(xiàn)實，并利用技術來解決這些新的安全挑戰(zhàn)。全身掃描是常用的安全工具之一，可幫助克服這些挑戰(zhàn)并阻止?jié)撛谕{。該設備很重要，在機場、火車站和政府大樓中非常常用。他們掃描進出建筑物的人是否有隱藏的武器、爆炸物和其他違禁物品。雖然人體掃描儀幾乎是必要的，但它們有幾個主要的缺點。如今，大多數(shù)人體掃描解決方案都需要很長時間才能掃描一個人，這會導致充血。它們中的許多分辨率不足以檢測現(xiàn)代威脅，或者對于日?；顒恿鞒虂碚f過于突兀。而且，如果它們滿足上述所有期望，它們通常太昂貴而無法大規(guī)模商業(yè)部署。

ADI公司在RF、微波和毫米波技術方面的進步正在改變這一現(xiàn)實。借助新的半導體解決方案，公司可以實現(xiàn)下一代人體掃描解決方案，從而定義可能的極限。本文討論了人體掃描技術的演變以及當今可用于開發(fā)下一代人體掃描儀的解決方案。

人體掃描解決方案的歷史

早在引入自動人體掃描系統(tǒng)之前，人們主要通過手動搜查進行篩查。當然，正如人們所期望的那樣，這需要很長時間，超出了個人隱私，并且并不總是檢測威脅的最準確方法。隨著威脅變得越來越復雜，技術也隨之趕上，手動檢測被金屬探測器所取代。金屬探測器自動控制人流，并允許他們不停地通過安全門。只有當在人身上檢測到金屬物體時，他或她才會被阻止并手動搜身。假設大多數(shù)（如果不是全部）威脅都是由金屬制成的。在那個時代，金屬探測器的假設和預期的分辨率水平發(fā)揮了很好的作用。這些固定式金屬探測器進一步補充了便攜式手持式金屬探測器，使警察能夠在不接觸他或她的情況下更仔細地掃描他或她。

最終，隨著隱藏物體的種類變得更加謹慎，傳統(tǒng)的金屬探測器變得不夠用?，F(xiàn)在，隨著3D打印等技術的出現(xiàn)，人們可以使用非金屬材料制造武器，因此金屬探測器不再是最好的檢測方法。因此，機構(gòu)需要更準確的掃描形式。

這就是X射線技術成為首選技術的地方。X射線掃描儀速度快，可以穿透活體，提供身體和隱藏物體的極高分辨率圖像。該技術的缺點是被掃描的人受到高強度輻射，這引起了公眾對健康和個人隱私的極大關注。X射線由于其固有的穿透特性，揭示了許多大多數(shù)人不愿意分享的信息，這引起了很多憤怒。這些機器的初始版本需要篩選人員手動判斷隱藏物體的圖像，這使得個人隱私成為主要缺點。此外，由于這些機器使用主動輻射，無論X射線公司聲稱如何，許多人都有重大的長期健康問題。

因此，對X射線進行了修改，以提供X射線反向散射解決方案，該解決方案不會穿透目標，而是從目標表面反射。從健康的角度來看，它們相對較好，盡管人們對這項技術仍然有類似的健康和隱私問題。如今，反向散射技術已在全球許多地方使用。

與此同時，射頻、微波和毫米波技術也在進步。掃描公司現(xiàn)在正在利用這項技術開發(fā)快速掃描儀，提供高分辨率掃描而不會超出個人隱私，并且不使用任何輻射。這些掃描儀通常在 10 GHz 至 40 GHz 范圍內(nèi)工作，有時也高達 60 GHz 至 80 GHz 范圍。隨著射頻和微波技術變得越來越普遍，這些掃描儀變得越來越便宜和更小，從而允許在各個市場進行廣泛的商業(yè)應用。通常，這些掃描儀比以前的選項安全、可靠且對隱私更友好。毫米波掃描正逐漸成為當今和未來人體掃描儀的首選技術。

毫米波人體掃描市場概要

毫米波人體掃描提供了巨大的市場機會，不僅用于安全和威脅檢測，還用于其他商業(yè)應用。根據(jù) 2015 年發(fā)布的全球行業(yè)分析師報告，到 2021 年，全身掃描儀市場預計將以 41.5% 的復合年增長率增長到 17 億美元。根據(jù)MarketsandMarkets的另一份報告，到2021年，機場人體掃描市場本身預計將達到1.18億美元，復合年增長率為8.4%。這還沒有考慮到非機場和商業(yè)市場的巨大增長機會。

毫米波技術的使用在商業(yè)領域等行業(yè)中具有相似之處，在這些行業(yè)中，低成本的人體掃描儀被用于購物中心、音樂廳和體育場的安全。同樣，在消費者世界中，同樣的技術可以在零售店中使用，用現(xiàn)代掃描和試衣系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的試衣間。與使用舊的主動輻射全身掃描方法不同，醫(yī)療保健行業(yè)也在考慮使用毫米波進行各種治療。

隨著全球從X射線，反向散射和金屬探測器技術到毫米波人體掃描儀的轉(zhuǎn)變，市場提供了巨大的機會。為了保持市場份額，該領域的行業(yè)領導者不僅需要制造人體掃描儀，還需要對其進行優(yōu)化，以獲得更好的圖像分辨率和更快的性能，并改進功能，例如永遠不需要人停下來的步行掃描。

總體而言，毫米波技術在政府、商業(yè)和消費者領域的全身系統(tǒng)前景廣闊。ADI公司已經(jīng)看到幾家初創(chuàng)公司利用微波和毫米波解決方案開發(fā)下一代人體掃描儀。

毫米波人體掃描儀—技術解決方案

如圖3所示，在高層次上，有源毫米波人體掃描儀的設計由天線元件、RF子部分（RF、微波和毫米波為簡單起見統(tǒng)稱為RF）、混合信號部分和數(shù)字域組成。

圖3.高級毫米波人體掃描儀框圖。

天線元件由具有發(fā)送和接收信號的小型天線結(jié)構(gòu)的物理結(jié)構(gòu)組成。這些元件后面的RF子部分由所有高性能半導體硬件（芯片組）組成，這些硬件將發(fā)射信號傳輸?shù)教炀€元件，并從天線接收反射信號。射頻子部分的設計對于確保掃描儀在最短的時間內(nèi)捕獲有關目標的最大信息而不丟失關鍵細節(jié)至關重要。

混合信號部分包含高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。這些ADC和DAC將模擬RF信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字位，掃描儀的計算機可以處理這些數(shù)字位來傳輸RF信號。

最后，數(shù)字部分是用于圖像處理、掃描和威脅識別的大部分軟件算法所在的位置。數(shù)字部分的要求通常會驅(qū)動RF和混合信號部分的要求（例如通道數(shù)、頻率、所需帶寬和采樣速率）。大多數(shù)開發(fā)毫米波掃描儀的公司都嚴格控制掃描儀的數(shù)字/軟件部分和天線設計。這就是他們通過開發(fā)專有軟件算法和天線設計來區(qū)分掃描儀性能的地方，這些算法和天線設計可在最小的占地面積內(nèi)提供最佳分辨率和最快的掃描速度。

RF子部分和混合信號域是整個解決方案的關鍵部分，但大多數(shù)掃描儀的整體設計是相似的。圖3和圖5分別顯示了RF小節(jié)的發(fā)射和接收部分。

如圖所示，發(fā)射和接收信號鏈由同一頻率源（頻率發(fā)生模塊）驅(qū)動。頻率源產(chǎn)生 5 GHz 至 10 GHz 信號，該信號通過乘法器鏈，在乘法器鏈中被放大和乘以兩次，以在掃描儀的射頻工作頻段內(nèi)產(chǎn)生 20 GHz 至 40 GHz 信號。然后，該20 GHz至40 GHz信號通過發(fā)射鏈，根據(jù)系統(tǒng)配置，信號可能會再次放大并濾波，以消除在前幾級中添加的任何雜散。由于大多數(shù)掃描儀在寬帶上運行，因此它們需要一個可以在整個頻率范圍內(nèi)過濾的濾波器。傳統(tǒng)上，單個寬帶濾波器難以構(gòu)建或?qū)崿F(xiàn)成本低效。因此，制造商使用帶有多個窄帶濾波器的濾波器組，然后使用開關組合這些濾波器。這些窄帶濾波器共同作為一個寬帶濾波器工作。

ADI公司可以通過使用可調(diào)諧濾波器來簡化這種傳統(tǒng)架構(gòu)。通過改變調(diào)諧電壓，濾波器可以連續(xù)調(diào)諧到所需的頻率。ADI公司的可調(diào)諧帶通濾波器可取代多個濾波器組，或在信號鏈中一起使用時放寬濾波器組要求。

然后，濾波后的發(fā)射信號通過開關矩陣到達多個發(fā)射通道。根據(jù)每個系統(tǒng)集成商的性能要求和天線設計，信號鏈可能包含幾十個到幾百個發(fā)射和接收通道。通道數(shù)通常會影響系統(tǒng)的性能和成本。開關矩陣由多個開關組成，這些開關接收發(fā)射信號并將其分配到多個發(fā)射天線元件。

傳統(tǒng)上，這種開關矩陣，特別是在高達 40 GHz 的高頻下，是在 SPDT 配置中使用 PIN 二極管和砷化鎵開關實現(xiàn)的。對于PIN二極管，每個開關都需要大量的外部元件來控制高偏置電壓和電流。隨著通道數(shù)量的增加，這些外圍電路變得更加復雜。同樣，采用GaAs等效器件的設計需要許多開關，以便構(gòu)建高通道數(shù)的開關樹。

ADI公司通過其40 GHz SP4T SOI（絕緣體上硅）開關（如ADRF5046）簡化了這種設計。SP4T 不是每個開關支持兩個開關位置，而是允許設計人員擁有多達四個開關位置。例如，對于簡單的 12 通道系統(tǒng)，三個 SP4T 交換機可以取代多達七個 SPDT 交換機。對于通道數(shù)較多的系統(tǒng)，隨著系統(tǒng)復雜性呈指數(shù)級增長，SP4T SOI交換機的優(yōu)勢甚至更大。除了減少開關IC的數(shù)量外，減少外部元件的數(shù)量和偏置功率也同樣重要。ADRF5046采用SOI工藝設計，采用低電源電壓運行，偏置電流水平可忽略不計，無需任何外部元件即可連接標準CMOS控制信號。圖4顯示了使用舊版PIN二極管的開關實現(xiàn)方式與新款SOI開關之間的差異。

最后，發(fā)射信號從發(fā)射天線元件發(fā)射出去。根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)，單個或多個發(fā)射天線可能在任何給定時間處于活動狀態(tài)。對于大多數(shù)系統(tǒng)，通常在任何給定時間都有一個發(fā)射天線處于活動狀態(tài)。該系統(tǒng)可以連續(xù)線性掃描通過多個發(fā)射天線的信號，每次傳輸之間的時間間隔非常?。ù蠹s幾微秒）。

在接收端，多個接收元素同時處于活動狀態(tài)。接收元件查找來自目標的反射信號。它通過多個通道捕獲反射的接收信號，并將其通過每個通道的低噪聲放大器（LNA），以放大信號而不會增加噪聲。然后使用類似于發(fā)射側(cè)的開關矩陣合并來自多個通道的放大信號。數(shù)字衰減器用于增益調(diào)整，SOI工藝中的ADRF5730可滿足快速開關建立要求。接收到的信號然后經(jīng)過下變頻和進一步放大階段。傳統(tǒng)上，系統(tǒng)集成商使用超外差架構(gòu)在多個階段將高頻信號下變頻至IF。不過，隨著HMC8192（20 GHz至42 GHz I/Q混頻器）等寬帶混頻器的推出，集成商只需一級即可從高達42 GHz下變頻至低中頻或基帶。該混頻級由驅(qū)動發(fā)射級的同一頻率源模塊驅(qū)動。然后，寬帶I/Q混頻器的IF饋送到單差分放大器，然后連接到高速ADC。這種高速ADC將信號數(shù)字化，并向運行各種軟件算法以檢測圖像的計算機提供數(shù)字輸入。

如上圖所示，ADI公司可以為毫米波人體掃描儀提供完整的信號鏈解決方案，從天線到位再返回。憑借廣泛的射頻、微波和毫米波器件產(chǎn)品組合，集成商可以放心地找到滿足其性能和價格期望的合適器件。ADI是業(yè)內(nèi)唯一一家擁有產(chǎn)品組合、經(jīng)驗和技術支持的公司，可提供完整的比特到天線解決方案。這為制造商節(jié)省了大量的時間、金錢和精力，因為不需要單獨選擇、評估和協(xié)商每個零件的價格。

從RF小節(jié)的角度來看，人體掃描儀的精度（分辨率）和速度在很大程度上取決于幾個關鍵因素：

頻率范圍決定了掃描儀的穿透特性和可用帶寬。更高的頻率通常意味著更高的穿透力和更大的可用帶寬。更高的帶寬意味著更好的分辨率，因為每個頻率通道中可以傳輸更多關于目標的數(shù)據(jù)。由于波長較短，更高頻率的系統(tǒng)也需要更小的天線。因此，對于具有許多通道的系統(tǒng)，使用幾個高頻小型天線。遺憾的是，由于半導體設計、封裝的復雜性以及集成商在高頻設計方面的專業(yè)知識有限，依賴于極高頻（》60 GHz）的人體掃描儀設計對于大規(guī)模商業(yè)應用來說可能非常昂貴或復雜。因此，當今大多數(shù)系統(tǒng)通常設計為使用10 GHz至40 GHz頻率。

通道數(shù)轉(zhuǎn)化為可以從多個不同來源攜帶的有關目標的集體信息量。較高的通道數(shù)通?？商峁└叩哪繕朔直媛屎透玫奶炀€空間多樣性。增加通道數(shù)量需要復制每個通道的硬件內(nèi)容，這會顯著增加RF子部分的尺寸和成本。更多的通道數(shù)也意味著系統(tǒng)將需要多個高速ADC，這意味著混合信號域的成本將進一步增加。

信號鏈的動態(tài)范圍決定了人體掃描儀系統(tǒng)的靈敏度。動態(tài)范圍越高，系統(tǒng)檢測小而隱蔽物體的能力就越強。為了改善系統(tǒng)的動態(tài)范圍，集成商通常會選擇線性度非常好、噪聲系數(shù)低的器件。

關鍵成功因素

毫米波人體掃描儀的系統(tǒng)集成商或制造商的成功取決于許多因素，而不僅僅是掃描系統(tǒng)的技術性能。除了掃描儀能夠準確檢測小型、隱蔽和危險物體外，系統(tǒng)還需要快速運行以允許在高流量區(qū)域使用，需要經(jīng)濟高效以允許大規(guī)模部署，并且需要為業(yè)務可行性提供競爭優(yōu)勢。因此，人體掃描儀制造商的成功取決于以下因素：

掃描精度

這對于人體掃描儀清楚地區(qū)分潛在危險和無關緊要的物體至關重要。第一代毫米波掃描儀充滿了問題，誤報率非常高。這導致浪費了大量時間、精力和挫敗感，以通過其他方式重新評估風險。提高分辨率和降低誤報通常是相互沖突的要求。隨著掃描儀分辨率的提高，誤報的可能性也會增加。因此，大多數(shù)系統(tǒng)集成商都在努力找到分辨率和誤報率之間的適當平衡。根據(jù)經(jīng)驗，10 GHz至40 GHz范圍可提供這種寬帶覆蓋范圍和廣泛的低噪聲器件選擇，如ADI的器件，以提供高動態(tài)范圍。正確的硬件架構(gòu)和器件選擇可提高系統(tǒng)的分辨率。然后，系統(tǒng)集成商開發(fā)先進的軟件算法，以更智能地解釋此高分辨率圖像，從而在第一次掃描中正確識別真正的威脅。

縮短上市時間

毫米波人體掃描市場預計將快速增長，吸引許多新進入者，因此上市時間是成功的關鍵，系統(tǒng)集成商需要能夠通過使用來自少數(shù)關鍵供應商的更多集成和模塊化部件來縮短上市時間。這減少了他們單獨選擇、評估和實現(xiàn)信號鏈中每個分立器件的需求。相反，通過使用集成度更高的寬帶部件，公司可以花更少的時間在硬件設計上，而花更多的時間在軟件差異化上。ADI公司是業(yè)內(nèi)唯一一家提供完整信號鏈解決方案以滿足從直流到100 GHz的所有設計需求的公司。一些毫米波系統(tǒng)設計公司依靠該產(chǎn)品組合來縮短上市時間。

小尺寸

為了使毫米波掃描儀得到廣泛使用，需要大幅減小這些掃描儀的外形尺寸。出于美觀原因或空間不足，下一代掃描儀需要更小。此外，隨著對分辨率需求的增加，下一代掃描儀將需要更多的通道，這意味著更多的硬件和天線。為了在提供小尺寸的同時提高分辨率，系統(tǒng)集成商需要與ADI公司等半導體供應商密切合作，開發(fā)高度集成的芯片組。如今，很少有公司擁有開發(fā)高達100 GHz的產(chǎn)品的專業(yè)知識，以封裝形式提供，然后將多個功能集成到同一部件中。 ADI公司在這種高頻集成（例如，E波段發(fā)射和接收SiP）和多通道設計（例如，24 GHz、4通道雷達解決方案）方面處于行業(yè)領先地位，這些設計一直以如此高的頻率引領市場， 集成和打包部件。

平臺方法

為了確保毫米波掃描儀不僅僅是一代產(chǎn)品，而且可以隨著時間的推移而發(fā)展，系統(tǒng)集成商需要采用平臺設計方法。這意味著集成商應選擇能夠為他們提供將相同硬件架構(gòu)用于多代全身掃描解決方案的途徑的部件。這樣，每當集成商想要改進解決方案以提高性能、速度或成本時，他們就不需要重新設計信號鏈中的每個組件。

他們可以通過做出正確的長期選擇來做到這一點，例如使用寬帶器件而不是窄帶器件。這樣，即使積分商修改頻率計劃或計劃利用更高的頻率獲得更高的帶寬，也不需要尋找新的器件。相同的寬帶部件可以滿足新系統(tǒng)的需求。

同樣，通過將同一供應商用于多個零件，集成商可以與供應商合作，將多種功能集成到單個芯片或單個封裝中。ADI公司提供業(yè)界最廣泛的寬帶器件產(chǎn)品組合，因此為不斷發(fā)展硬件架構(gòu)提供了獨特的機會，無需每次都重新設計。

低成本解決方案

最后，成本是確保任何掃描解決方案的業(yè)務可行性的重要因素。為了使全身掃描儀廣泛用于機場以外的商業(yè)應用，系統(tǒng)集成商需要支持更低的價格點。這給他們的成本結(jié)構(gòu)帶來了巨大的壓力。一方面，它們需要增加通道數(shù)量，使用更寬的頻段和更高的頻率部件，這增加了系統(tǒng)成本，但另一方面，市場要求更低的成本結(jié)構(gòu)。因此，集成商需要尋找更新、更具創(chuàng)造性的方法來降低成本。以下是集成商降低總系統(tǒng)成本和最大化毛利率的幾種潛在方法：

更高的集成度：通過使用將多種功能集成到同一器件中的器件，集成商可以顯著減少構(gòu)建信號鏈所需的元件數(shù)量。更少的組件意味著更少的組裝部件，這意味著更快的組裝、更小的 PCB 尺寸和更簡單的設計支持。從長遠來看，這意味著更低的構(gòu)建成本和更好的掃描系統(tǒng)技術支持能力。

所有包裝部件：通過使用所有封裝部件，即使在高頻下，集成商也不需要特殊的組裝方法來組裝芯片部件。這消除了對昂貴的組裝技術的需求，例如芯片和線材的芯片零件，相反，集成商可以使用更簡單的SMT封裝焊接。如今，很少有半導體公司擁有提供高頻封裝部件的專業(yè)知識。ADI公司是為數(shù)不多的擁有高達86 GHz的成熟封裝解決方案的公司之一。 集成商應仔細選擇提供一系列SMT封裝產(chǎn)品的長期設計合作伙伴。

首選供應商安排：系統(tǒng)集成商應嘗試減少構(gòu)建整體解決方案所需的供應商數(shù)量。通過這樣做，集成商可以獲得更大的談判（買方）權(quán)力，同時利用跨多個平臺的同一供應商的規(guī)模經(jīng)濟。因此，集成商應該選擇合適的行業(yè)合作伙伴，為他們提供正確的解決方案和未來途徑。

外包非核心活動：如前所述，大多數(shù)開發(fā)全身掃描儀的系統(tǒng)集成商的核心專業(yè)知識是用于圖像和檢測的軟件算法。軟件算法以高分辨率驅(qū)動小物體的檢測，同時降低誤報率。大多數(shù)時候，半導體硬件需求是由軟件需求驅(qū)動的。因此，為了最大限度地發(fā)揮每家公司的核心功能并確保更快的上市時間，系統(tǒng)集成商應考慮將硬件開發(fā)外包給擁有硬件專業(yè)知識的公司。通過這種方式，集成商可以專注于他們的核心功能，并讓硬件專家使用最新的技術進步開發(fā)最先進的硬件平臺。

隨著毫米波技術越來越注重系統(tǒng)和解決方案，ADI公司等半導體公司憑借其完整的信號鏈解決方案提供了獨特的優(yōu)勢。通過外包系統(tǒng)設計，集成商可以專注于其核心競爭力，并通過消除非核心功能來降低成本，同時利用與一個供應商的規(guī)模經(jīng)濟。

總之，微波和毫米波全身掃描儀正在成為全球安全和檢測系統(tǒng)的重要組成部分。通過利用最新的技術進步，做出正確的設計選擇，并建立最佳的戰(zhàn)略合作伙伴關系，系統(tǒng)集成商有機會區(qū)分他們的解決方案。

審核編輯：郭婷