这篇题为“Recent Progress of Silicon-based Millimeter-wave SoCs for Short-range Radar Imaging and Sensing”（硅基毫米波短距离雷达成像与传感片上系统最新进展）的文档发表在ieee transactions on circuits and systems—ii: express briefs, Vol. 69, No. 6, June 2022期刊上，是一篇综述性文章。它不属于对单篇原创研究的报告，而是对一个特定领域（硅基毫米波雷达片上系统）在特定时期（近年来）研究成果的系统性梳理、分析和总结。因此，它属于类型b：科学论文，但不是单篇原创研究报告（具体为综述论文，Review）。
以下是根据要求生成的针对中文读者的综合性学术报告。
IEEE Circuits and Systems II 2022年综述：硅基毫米波短距雷达SoC技术进展与应用全景
本文由来自天津大学微电子学院的Bing Liu、Kaixue Ma、Haipeng Fu、Keping Wang和Fanyi Meng等研究人员共同撰写，并于2022年6月发表在ieee transactions on circuits and systems—ii: express briefs期刊上。文章的核心主题是对用于短距离成像与传感应用的硅基毫米波雷达片上系统（System-on-Chip， SoC） 近年来的发展进行全面的综述和展望。论文旨在为研究者和工程师提供一个清晰的领域技术发展脉络，总结不同应用场景下的关键性能指标与架构选择，并指明未来的发展趋势。
论文的主要论点与论据支撑
第一，毫米波雷达在短距应用中的独特优势与系统核心需求。 文章开篇首先阐述了毫米波雷达在短距离成像与传感领域的不可替代性。相较于微波雷达，毫米波雷达具有更高的分辨率（因波长更短）和更紧凑的尺寸；相较于传统光学传感器（如相机、激光雷达），毫米波具备更好的穿透性（如穿透衣物、薄雾）和环境适应性（不受光照条件影响）。这些特性使其在汽车雷达、手势识别、生命体征监测、生物医学/安全成像等短距应用中大放异彩。与远程雷达（如军事、气象雷达）不同，短距应用更关注雷达的分辨率、灵敏度以及便携性（功耗、尺寸、集成度）。为了量化这些需求，文章深入剖析了两个关键性能指标：距离分辨率（Range Resolution）和横向（角度）分辨率（Lateral/Angular Resolution）。 * 论据支撑1： 文章引用雷达基本原理指出，距离分辨率与调制带宽成反比。因此，提高距离分辨率最直接有效的方法是增加调制带宽。毫米波/太赫兹频段因其丰富的可用带宽，为实现高距离分辨率雷达提供了可能。文中图2通过展示已报道硅基雷达收发机的中心工作频率与距离分辨率的关系，直观印证了这一趋势：高分辨率通常需要高工作频率（以获得更宽的可用带宽）。 * 论据支撑2： 对于横向分辨率的提升，文章分析了三种主要技术路径的优劣。一是使用聚焦透镜/反射镜进行波束聚焦，该方法广泛用于现有成像测量系统，但存在对准困难、机动性差等缺点。二是采用多输入多输出天线阵列（MIMO Antenna Arrays）和相控阵波束成形，提供了更大的灵活性，但以增加系统通道数、芯片面积和成本为代价。文中以一款采用12个发射通道和16个接收通道的MIMO雷达为例，它实现了1°的优异角度分辨率，但芯片面积达到14 mm²。三是合成孔径雷达（SAR）和逆合成孔径雷达（ISAR）算法，它们在阵列尺寸和横向分辨率之间提供了折中，但对通道间的相位一致性和射频前端的灵敏度提出了更高要求。
第二，硅基工艺已成为毫米波雷达芯片的主流选择，工作频段呈现集中化与高频化趋势。 文章通过数据分析，有力地论证了硅基工艺（包括体硅CMOS、硅锗BiCMOS和绝缘体上硅SOI）在毫米波雷达芯片制造中的主导地位。 * 论据支撑1： 图1(a)展示了从2001年至2021年IEEE出版物中关于硅基和砷化镓（GaAs）基雷达电路与系统的数量对比。数据显示，基于GaAs工艺的报道数量基本保持平稳，而基于硅工艺的报道数量增长了约20倍。自2003年起，硅基工艺在雷达电路领域日益流行。 * 论据支撑2： 图1(b)进一步聚焦于不同硅基工艺的雷达收发机出版物数量。直到2017年，基于CMOS和SiGe BiCMOS工艺的收发机报道数量几乎同步增长。但从2018年开始，CMOS工艺成为雷达收发机绝对主导的工艺选择。这一趋势得益于CMOS工艺在成本、集成度（便于实现包含射频、模拟、数字模块的完整SoC）以及不断改善的高频性能方面的综合优势。 * 论据支撑3： 关于工作频率，文章指出，中心工作频率的选择主要受应用场景、所需分辨率、频谱法规、传播特性及成本等因素影响。例如，76-81 GHz频段全球范围内主要用于汽车雷达；60 GHz和122 GHz是全球免许可的工业、科学和医疗频段。当需要更高距离分辨率时，会选择具有更宽可用带宽的更高毫米波频段，如94 GHz、140 GHz、220 GHz等大气窗口频段。图2清晰地显示了已报道硅基雷达收发机的中心工作频率主要集中在60 GHz、76-81 GHz、94 GHz、D波段（约110-170 GHz）和220 GHz附近。
第三，雷达收发机架构多样，各有适用场景，多模态与融合架构是未来方向。 文章系统性地梳理和比较了不同类型的雷达收发机架构。 * 论据支撑1： 根据发射信号类型，雷达架构可分为连续波雷达和脉冲雷达。连续波雷达中，多普勒雷达和调频连续波雷达是典型代表。多普勒雷达结构简单，但无法处理多个目标或获取绝对距离信息。FMCW雷达通过分析反射信号的频率偏移，可以同时获得目标的距离和速度信息，因此被广泛研究。相位调制连续波雷达和脉冲雷达也各有特点，后者通常具有很高的距离分辨率。 * 论据支撑2： 文章重点强调了多模态雷达和雷达-通信融合模式系统作为未来重要趋势。多模态雷达通过本振可切换的调制波形和可重构的调制器，在一块芯片上支持多种雷达模式，具有强大的适应性和多功能性，能应对复杂应用场景。文中列举了一个60 GHz雷达发射机例子，它通过配置功率混频器和相关波形基带电路，支持连续波/FMCW、相位调制连续波和脉冲雷达信号。另一种新兴的多模态应用是雷达与通信模式的切换，文中引用了一个工作在122-168 GHz的收发机设计，它通过共享射频前端、切换不同的中频和基带信号路径来实现两种模式的切换。
第四，不同短距应用场景下的硅基毫米波雷达SoC实例与性能评述。 这是论文的核心部分，文章分门别类地回顾了近年来在各个应用领域涌现的优秀硅基毫米波雷达SoC，详细介绍了其拓扑结构、关键性能参数和技术特点。 * 汽车雷达： 重点关注76-81 GHz频段。发展趋势是提高距离/角度分辨率以及通过全集成SoC降低成本。例如，采用28纳米CMOS工艺的2发射-2接收相位调制连续波雷达SoC可实现7.5厘米距离分辨率和5°角度分辨率。通过将阵列规模扩大到192个虚拟接收机（12发射，16接收），MIMO雷达可将角度分辨率提升至1°。另一趋势是实现射频/模拟前端与数字处理控制模块的单芯片集成，例如一款45纳米CMOS工艺的76-81 GHz雷达收发机，集成了FMCW频率合成器、3个带移相的发射通道、4个带集成ADC的接收通道以及ARM微控制器。其第二代产品支持多芯片级联，可实现高达192个虚拟天线的线性阵列，在MIMO模式下提供低于2°的角度分辨率。 * 手势识别： 以Google和英飞凌合作的Soli项目为典型案例。第一代Soli雷达采用SiGe双极工艺，工作在60 GHz，包含6个通道，功耗990 mW。最新一代采用0.13微米BiCMOS技术，通道数减至4个，封装尺寸和峰值功耗（降至400 mW）大幅减小，并在智能省电模式下实现了5米检测距离和仅5 mW的功耗。文章也提到，对于便携式应用，采用相控阵技术是提高能量效率的关键，例如一个94 GHz FMCW雷达收发机采用4发射-4接收相控阵架构，每个发射单元功耗仅为106 mW。 * 生命体征监测： 非接触式毫米波监测雷达比传统接触式传感器更灵活、鲁棒。多普勒雷达因其结构紧凑、成本低成为优选。文中介绍了多个60 GHz CMOS全集成多普勒雷达实例，成功在0.3米至2米距离检测到人的心跳和呼吸波形。为了克服多普勒雷达在多目标感知上的短板，FMCW雷达也成为有前景的选择。例如，一款采用28纳米CMOS的145 GHz FMCW雷达，实现了13 GHz带宽，在5.2米距离上利用4x4 MIMO系统捕捉到了人的呼吸和心跳信号。 * 安全与生物医学传感： 高分辨率毫米波雷达因其足够的穿透深度和非侵入性成像机制，在安检和生物医学成像中具有吸引力。实现方式主要包括两种：一是采用大规模天线阵列直接实现高横向分辨率，但系统面积和成本高昂（文中举例了一个由数千个芯片组构成的2平方米孔径人员成像仪）；二是对于单单元雷达，通过结合机械扫描（使用聚焦透镜和步进电机）和FMCW的测距能力，可以实现2D/3D图像重建。文中回顾了多款工作在高频段（如168 GHz、210-270 GHz）的成像雷达，它们采用SiGe BiCMOS工艺，实现了毫米级的距离分辨率和3D成像能力。此外，采用合成孔径雷达或逆合成孔径雷达算法，可以在移除聚焦透镜的情况下通过雷达或目标的运动进行图像重建。 * 工业检测与成像： 工业应用（如机器人、缺陷检测）对分辨率提出了更高要求。除了追求更宽带宽（如采用频率梳架构实现100 GHz带宽），相位处理方法被重点介绍为一种有效提高成像雷达系统可达距离分辨率的途径。该方法通过检测目标反射信号的相位延迟来测量往返时间，可以与其他雷达类型（如FMCW）结合。文中引用了一个250 GHz FMCW雷达的例子，它采用自差动结构和相位处理方法，在55纳米SiGe BiCMOS工艺上实现了66.7 GHz带宽和54微米的最小距离分辨率，将此前FMCW雷达的距离分辨率纪录提高了28倍。另一个144 GHz相位成像雷达采用子载波逐次逼近拓扑缓解了相位雷达固有的距离模糊问题。在亚毫米波频段（如420 GHz），相位方法同样具有吸引力，可实现微米量级的理论距离分辨率。
第五，未来发展趋势与展望。 在结论部分，文章基于前述综述，总结了硅基毫米波雷达SoC未来的几个主要发展趋势： 1. 超低功耗与极小尺寸： 这对于便携式或可植入式应用至关重要。 2. 更高集成密度： 通过全集成SoC或片上大规模阵列实现。 3. 开发新型多模态/融合架构： 在单芯片上支持多种雷达模式或雷达与通信融合模式，以覆盖更广泛的应用。 4. 结合多种技术以进一步提升分辨率或检测灵敏度。
论文的学术价值与现实意义
本文的学术价值和现实意义在于： 1. 系统性梳理： 首次在IEEE电路与系统领域权威期刊上，对硅基毫米波短距雷达SoC这一快速发展的交叉学科方向进行了全面、系统的技术综述，涵盖了从工艺选择、频率规划、架构比较到具体应用实例的完整链条。 2. 脉络清晰： 文章通过大量图表（如出版物统计、性能分布图）和数据对比，清晰揭示了技术发展的历史脉络、当前热点和未来趋势，为研究者提供了宝贵的“领域地图”。 3. 指导性强： 对不同应用场景（汽车、消费电子、医疗、工业）下的雷达设计挑战、解决方案和性能标杆进行了详细评述，对工程师进行产品定义和研发具有直接的参考价值。 4. 前瞻性洞察： 明确指出多模态、融合架构、相位处理等前沿方向，并强调了集成度、功耗、成本等产业化关键因素，对整个领域的健康发展具有引导作用。
这篇综述不仅是过去几年研究成果的结晶，更是未来技术创新的风向标，对于促进硅基毫米波雷达技术在更广泛的短距成像与传感应用中落地，最终惠及日常生活，具有重要的推动作用。