國際社會地緣政治格局的變化和全球恐怖主義威脅的加劇使得個人安全方面的需求激增，從一組數(shù)據便可看出。根據 Global Industry Analyst, Inc.發(fā)布的報告，全身掃描儀市場預計到2021年將增長到17億美元，年復合增長率為41.5%。根據MarketsandMarkets的另一份報告，到2021年，單單機場人體掃描市場的價值預計就將達到1.18億美元，年復合增長率為8.4%。這還未考慮非機場和商業(yè)市場的巨大增長機會。
從磁石門到毫米波，人體掃描儀發(fā)展歷程
其實早在2000多年前安防便引起了人們的重視，秦始皇時期出現(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人在朝貢時暗中攜帶兵器。這個方法被沿用至今，于是金屬探測儀問世。后來隨著時間的推移，人們發(fā)現(xiàn)僅僅是探測金屬并不能保證安全。2002年，一架客機在大連海域失事，全機人員無一幸免，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，并且有機物無機物混合物都會以不同的顏色顯示。不過其弊端也很明顯，由于其固有的穿透特性，被掃描的人員會受到高強度輻射并且會侵犯隱私，至此惹了眾怒。隨后X射線后向散射解決方案登上舞臺，從健康的角度來講好了很多，它并不會穿透目標，僅從目標表面進行反射。但是X光帶來的陰影過于濃重，導致人們依舊對其感到擔憂。不過沒有更好的選擇，后向散射技術被全球多地采用。
時至今日，隨著射頻、微波和毫米波技術的進步，掃描設備公司成功采用這項技術研制出了速度快、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，有時還高達60GHz到80GHz。相比之前的掃描儀，它的價格越來越低，體積也越來越小巧，掃描時間夠快，不會造成擁堵。逐漸，毫米波掃描成為當今和未來人體掃描儀的首選技術已是大勢所趨。對此，作為業(yè)界領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鏈解決方案。
克服傳統(tǒng)“弊病”， 簡化方案更勝一籌
目前市面上大多數(shù)掃描儀都在寬頻率范圍內工作，為了使其具有更高的圖像分辨率和更快的性能，同時對功能進行改進，它們需要一個能夠在整個頻率范圍內進行濾波的濾波器。但是單個寬帶濾波器很難構建，或者實施起來成本很高。因此，制造商考慮使用一個濾波器組，通過開關將多個窄帶濾波器組合起來，多個開關組成開關矩陣接收發(fā)射信號并將其分布到多個發(fā)射天線元件中。
傳統(tǒng)上，這種開關矩陣是通過在SPDT配置中使用PIN二極管和GaAs開關實現(xiàn)的，特別是在高達40GHz的高頻下。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。同樣地，采用GaAs對應元件的設計需要采用多個開關，以便為高通道數(shù)構建開關樹。隨著通道數(shù)量增加，這些電路會變得更加復雜。
對此，ADI采用40 GHz SP4T SOI（絕緣體上的硅）開關ADRF5046簡化了這種設計，ADRF5046 是一款利用硅工藝制造的反射式單刀四擲 (SP4T) 開關，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，設計師可以最多使用四個開關位置，而不是每個開關支持兩個開關位置。
舉個栗子，對于一個簡單的12通道系統(tǒng)，3個SP4T開關可以替代多達7個SPDT開關。對于具備更高通道數(shù)的系統(tǒng)，隨著系統(tǒng)復雜性呈指數(shù)增長，SP4T SOI開關的優(yōu)勢更加明顯。除了減少開關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的設計采用SOI工藝，所以可以在低電源電壓下，以可忽略的偏置電流運行，且無需任何外部元件，即可接入標準CMOS控制信號。
老式PIN二極管與新的SOI開關的開關實現(xiàn)方式之間的差異。
不僅是發(fā)射端的開關矩陣，在接收端ADI也推出了新的解決方案，其中使用SOI工藝的ADRF5730用于實施增益調節(jié)，這是一款6 位數(shù)字衰減器，以 0.5 dB 步長提供 31.5 dB 的衰減控制范圍。以滿足快速開關建立要求，讓接收到的信號隨后經過下變頻和進一步的放大級。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42GHz的頻率下變頻至低中頻或基帶。這個混頻器的本振驅動和發(fā)射級使用相同頻率源模塊。然后，寬帶I/Q混頻器的IF被饋送到單端轉差分放大器，隨后與高速ADC進行連接。這種高速ADC將信號數(shù)字化，并為運行多種軟件算法來檢測圖像的計算機提供數(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構將高頻信號分多個階段下變頻至中頻。
本文總結：
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鏈解決方案需要具備必要的產品系列、經驗和技術支持，而ADI提供的解決方案讓制造商無需單獨選擇、評估每個器件，并為它們議價，從而能夠節(jié)省大量的時間、金錢和精力。借助ADI廣泛的射頻、微波和毫米波器件產品系列，集成商一定可以找到滿足其性能和價格預期的合適器件。不僅如此，以ADI公司為代表的半導體公司正在為實現(xiàn)下一代毫米波全身掃描儀全力以赴，與系統(tǒng)集成商精誠合作，旨在共同開發(fā)更準確、快速且更具商業(yè)可行性的全身掃描系統(tǒng)，構建一個全新生態(tài)系統(tǒng)。