毫米波人体扫描仪市场：过去、现在和未来

作者：Abhishek Kapoor，Bilge Bayrakci

全身扫描仪已成为全球安全和威胁检测工具包的重要组成部分。随着射频、微波和毫米波技术的进步，利用该技术的全身扫描仪也开始流行起来。全身扫描解决方案的整体接受度在很大程度上取决于其性能、设计和商业可行性。本文讨论了如何通过做出正确的技术设计和合作伙伴关系选择，这些全身扫描仪的系统集成商可以更有信心为这个快速增长的市场提供商业上可行的解决方案。

介绍

与几十年前相比，我们生活在一个非常不同的世界。全球社会不断变化的地缘政治格局和全球恐怖主义威胁的加剧增加了对人身安全的需求。对安全的需求不再仅限于关键基础设施，而是更加普遍。世界各地的政府、安全机构和企业正在认识到这一新现实，并利用技术来解决这些新的安全挑战。全身扫描是常用的安全工具之一，可帮助克服这些挑战并阻止潜在威胁。该设备很重要，在机场、火车站和政府大楼中非常常用。他们扫描进出建筑物的人是否有隐藏的武器、爆炸物和其他违禁物品。虽然人体扫描仪几乎是必要的，但它们有几个主要的缺点。如今，大多数人体扫描解决方案都需要很长时间才能扫描一个人，这会导致充血。它们中的许多分辨率不足以检测现代威胁，或者对于日常活动流程来说过于突兀。而且，如果它们满足上述所有期望，它们通常太昂贵而无法大规模商业部署。

ADI公司在RF、微波和毫米波技术方面的进步正在改变这一现实。借助新的半导体解决方案，公司可以实现下一代人体扫描解决方案，从而定义可能的极限。本文讨论了人体扫描技术的演变以及当今可用于开发下一代人体扫描仪的解决方案。

人体扫描解决方案的历史

早在引入自动人体扫描系统之前，人们主要通过手动搜查进行筛查。当然，正如人们所期望的那样，这需要很长时间，超出了个人隐私，并且并不总是检测威胁的最准确方法。随着威胁变得越来越复杂，技术也随之赶上，手动检测被金属探测器所取代。金属探测器自动控制人流，并允许他们不停地通过安全门。只有当在人身上检测到金属物体时，他或她才会被阻止并手动搜身。假设大多数（如果不是全部）威胁都是由金属制成的。在那个时代，金属探测器的假设和预期的分辨率水平发挥了很好的作用。这些固定式金属探测器进一步补充了便携式手持式金属探测器，使警察能够在不接触他或她的情况下更仔细地扫描他或她。

最终，随着隐藏物体的种类变得更加谨慎，传统的金属探测器变得不够用。现在，随着3D打印等技术的出现，人们可以使用非金属材料制造武器，因此金属探测器不再是最好的检测方法。因此，机构需要更准确的扫描形式。

这就是X射线技术成为首选技术的地方。X射线扫描仪速度快，可以穿透活体，提供身体和隐藏物体的极高分辨率图像。该技术的缺点是被扫描的人受到高强度辐射，这引起了公众对健康和个人隐私的极大关注。X射线由于其固有的穿透特性，揭示了许多大多数人不愿意分享的信息，这引起了很多愤怒。这些机器的初始版本需要筛选人员手动判断隐藏物体的图像，这使得个人隐私成为主要缺点。此外，由于这些机器使用主动辐射，无论X射线公司声称如何，许多人都有重大的长期健康问题。

因此，对X射线进行了修改，以提供X射线反向散射解决方案，该解决方案不会穿透目标，而是从目标表面反射。从健康的角度来看，它们相对较好，尽管人们对这项技术仍然有类似的健康和隐私问题。如今，反向散射技术已在全球许多地方使用。

与此同时，射频、微波和毫米波技术也在进步。扫描公司现在正在利用这项技术开发快速扫描仪，提供高分辨率扫描而不会超出个人隐私，并且不使用任何辐射。这些扫描仪通常在 10 GHz 至 40 GHz 范围内工作，有时也高达 60 GHz 至 80 GHz 范围。随着射频和微波技术变得越来越普遍，这些扫描仪变得越来越便宜和更小，从而允许在各个市场进行广泛的商业应用。通常，这些扫描仪比以前的选项安全、可靠且对隐私更友好。毫米波扫描正逐渐成为当今和未来人体扫描仪的首选技术。

毫米波人体扫描市场概要

毫米波人体扫描提供了巨大的市场机会，不仅用于安全和威胁检测，还用于其他商业应用。根据 2015 年发布的全球行业分析师报告，到 2021 年，全身扫描仪市场预计将以 41.5% 的复合年增长率增长到 17 亿美元。根据MarketsandMarkets的另一份报告，到2021年，机场人体扫描市场本身预计将达到1.18亿美元，复合年增长率为8.4%。这还没有考虑到非机场和商业市场的巨大增长机会。

毫米波技术的使用在商业领域等行业中具有相似之处，在这些行业中，低成本的人体扫描仪被用于购物中心、音乐厅和体育场的安全。同样，在消费者世界中，同样的技术可以在零售店中使用，用现代扫描和试衣系统取代传统的试衣间。与使用旧的主动辐射全身扫描方法不同，医疗保健行业也在考虑使用毫米波进行各种治疗。

随着全球从X射线，反向散射和金属探测器技术到毫米波人体扫描仪的转变，市场提供了巨大的机会。为了保持市场份额，该领域的行业领导者不仅需要制造人体扫描仪，还需要对其进行优化，以获得更好的图像分辨率和更快的性能，并改进功能，例如永远不需要人停下来的步行扫描。

总体而言，毫米波技术在政府、商业和消费者领域的全身系统前景广阔。ADI公司已经看到几家初创公司利用微波和毫米波解决方案开发下一代人体扫描仪。

毫米波人体扫描仪—技术解决方案

如图3所示，在高层次上，有源毫米波人体扫描仪的设计由天线元件、RF子部分（RF、微波和毫米波为简单起见统称为RF）、混合信号部分和数字域组成。

图3.高级毫米波人体扫描仪框图。

天线元件由具有发送和接收信号的小型天线结构的物理结构组成。这些元件后面的RF子部分由所有高性能半导体硬件（芯片组）组成，这些硬件将发射信号传输到天线元件，并从天线接收反射信号。射频子部分的设计对于确保扫描仪在最短的时间内捕获有关目标的最大信息而不丢失关键细节至关重要。

混合信号部分包含高速模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）。这些ADC和DAC将模拟RF信息转换为数字位，扫描仪的计算机可以处理这些数字位来传输RF信号。

最后，数字部分是用于图像处理、扫描和威胁识别的大部分软件算法所在的位置。数字部分的要求通常会驱动RF和混合信号部分的要求（例如通道数、频率、所需带宽和采样速率）。大多数开发毫米波扫描仪的公司都严格控制扫描仪的数字/软件部分和天线设计。这就是他们通过开发专有软件算法和天线设计来区分扫描仪性能的地方，这些算法和天线设计可在最小的占地面积内提供最佳分辨率和最快的扫描速度。

RF子部分和混合信号域是整个解决方案的关键部分，但大多数扫描仪的整体设计是相似的。图3和图5分别显示了RF小节的发射和接收部分。

如图所示，发射和接收信号链由同一频率源（频率发生模块）驱动。频率源产生 5 GHz 至 10 GHz 信号，该信号通过乘法器链，在乘法器链中被放大和乘以两次，以在扫描仪的射频工作频段内产生 20 GHz 至 40 GHz 信号。然后，该20 GHz至40 GHz信号通过发射链，根据系统配置，信号可能会再次放大并滤波，以消除在前几级中添加的任何杂散。由于大多数扫描仪在宽带上运行，因此它们需要一个可以在整个频率范围内过滤的滤波器。传统上，单个宽带滤波器难以构建或实现成本低效。因此，制造商使用带有多个窄带滤波器的滤波器组，然后使用开关组合这些滤波器。这些窄带滤波器共同作为一个宽带滤波器工作。

ADI公司可以通过使用可调谐滤波器来简化这种传统架构。通过改变调谐电压，滤波器可以连续调谐到所需的频率。ADI公司的可调谐带通滤波器可取代多个滤波器组，或在信号链中一起使用时放宽滤波器组要求。

然后，滤波后的发射信号通过开关矩阵到达多个发射通道。根据每个系统集成商的性能要求和天线设计，信号链可能包含几十个到几百个发射和接收通道。通道数通常会影响系统的性能和成本。开关矩阵由多个开关组成，这些开关接收发射信号并将其分配到多个发射天线元件。

传统上，这种开关矩阵，特别是在高达 40 GHz 的高频下，是在 SPDT 配置中使用 PIN 二极管和砷化镓开关实现的。对于PIN二极管，每个开关都需要大量的外部元件来控制高偏置电压和电流。随着通道数量的增加，这些外围电路变得更加复杂。同样，采用GaAs等效器件的设计需要许多开关，以便构建高通道数的开关树。

ADI公司通过其40 GHz SP4T SOI（绝缘体上硅）开关（如ADRF5046）简化了这种设计。SP4T 不是每个开关支持两个开关位置，而是允许设计人员拥有多达四个开关位置。例如，对于简单的 12 通道系统，三个 SP4T 交换机可以取代多达七个 SPDT 交换机。对于通道数较多的系统，随着系统复杂性呈指数级增长，SP4T SOI交换机的优势甚至更大。除了减少开关IC的数量外，减少外部元件的数量和偏置功率也同样重要。ADRF5046采用SOI工艺设计，采用低电源电压运行，偏置电流水平可忽略不计，无需任何外部元件即可连接标准CMOS控制信号。图4显示了使用旧版PIN二极管的开关实现方式与新款SOI开关之间的差异。

最后，发射信号从发射天线元件发射出去。根据系统架构，单个或多个发射天线可能在任何给定时间处于活动状态。对于大多数系统，通常在任何给定时间都有一个发射天线处于活动状态。该系统可以连续线性扫描通过多个发射天线的信号，每次传输之间的时间间隔非常小（大约几微秒）。

在接收端，多个接收元素同时处于活动状态。接收元件查找来自目标的反射信号。它通过多个通道捕获反射的接收信号，并将其通过每个通道的低噪声放大器（LNA），以放大信号而不会增加噪声。然后使用类似于发射侧的开关矩阵合并来自多个通道的放大信号。数字衰减器用于增益调整，SOI工艺中的ADRF5730可满足快速开关建立要求。接收到的信号然后经过下变频和进一步放大阶段。传统上，系统集成商使用超外差架构在多个阶段将高频信号下变频至IF。不过，随着HMC8192（20 GHz至42 GHz I/Q混频器）等宽带混频器的推出，集成商只需一级即可从高达42 GHz下变频至低中频或基带。该混频级由驱动发射级的同一频率源模块驱动。然后，宽带I/Q混频器的IF馈送到单差分放大器，然后连接到高速ADC。这种高速ADC将信号数字化，并向运行各种软件算法以检测图像的计算机提供数字输入。

如上图所示，ADI公司可以为毫米波人体扫描仪提供完整的信号链解决方案，从天线到位再返回。凭借广泛的射频、微波和毫米波器件产品组合，集成商可以放心地找到满足其性能和价格期望的合适器件。ADI是业内唯一一家拥有产品组合、经验和技术支持的公司，可提供完整的比特到天线解决方案。这为制造商节省了大量的时间、金钱和精力，因为不需要单独选择、评估和协商每个零件的价格。

从RF小节的角度来看，人体扫描仪的精度（分辨率）和速度在很大程度上取决于几个关键因素：

频率范围决定了扫描仪的穿透特性和可用带宽。更高的频率通常意味着更高的穿透力和更大的可用带宽。更高的带宽意味着更好的分辨率，因为每个频率通道中可以传输更多关于目标的数据。由于波长较短，更高频率的系统也需要更小的天线。因此，对于具有许多通道的系统，使用几个高频小型天线。遗憾的是，由于半导体设计、封装的复杂性以及集成商在高频设计方面的专业知识有限，依赖于极高频（》60 GHz）的人体扫描仪设计对于大规模商业应用来说可能非常昂贵或复杂。因此，当今大多数系统通常设计为使用10 GHz至40 GHz频率。

通道数转化为可以从多个不同来源携带的有关目标的集体信息量。较高的通道数通常可提供更高的目标分辨率和更好的天线空间多样性。增加通道数量需要复制每个通道的硬件内容，这会显著增加RF子部分的尺寸和成本。更多的通道数也意味着系统将需要多个高速ADC，这意味着混合信号域的成本将进一步增加。

信号链的动态范围决定了人体扫描仪系统的灵敏度。动态范围越高，系统检测小而隐蔽物体的能力就越强。为了改善系统的动态范围，集成商通常会选择线性度非常好、噪声系数低的器件。

关键成功因素

毫米波人体扫描仪的系统集成商或制造商的成功取决于许多因素，而不仅仅是扫描系统的技术性能。除了扫描仪能够准确检测小型、隐蔽和危险物体外，系统还需要快速运行以允许在高流量区域使用，需要经济高效以允许大规模部署，并且需要为业务可行性提供竞争优势。因此，人体扫描仪制造商的成功取决于以下因素：

扫描精度

这对于人体扫描仪清楚地区分潜在危险和无关紧要的物体至关重要。第一代毫米波扫描仪充满了问题，误报率非常高。这导致浪费了大量时间、精力和挫败感，以通过其他方式重新评估风险。提高分辨率和降低误报通常是相互冲突的要求。随着扫描仪分辨率的提高，误报的可能性也会增加。因此，大多数系统集成商都在努力找到分辨率和误报率之间的适当平衡。根据经验，10 GHz至40 GHz范围可提供这种宽带覆盖范围和广泛的低噪声器件选择，如ADI的器件，以提供高动态范围。正确的硬件架构和器件选择可提高系统的分辨率。然后，系统集成商开发先进的软件算法，以更智能地解释此高分辨率图像，从而在第一次扫描中正确识别真正的威胁。

缩短上市时间

毫米波人体扫描市场预计将快速增长，吸引许多新进入者，因此上市时间是成功的关键，系统集成商需要能够通过使用来自少数关键供应商的更多集成和模块化部件来缩短上市时间。这减少了他们单独选择、评估和实现信号链中每个分立器件的需求。相反，通过使用集成度更高的宽带部件，公司可以花更少的时间在硬件设计上，而花更多的时间在软件差异化上。ADI公司是业内唯一一家提供完整信号链解决方案以满足从直流到100 GHz的所有设计需求的公司。一些毫米波系统设计公司依靠该产品组合来缩短上市时间。

小尺寸

为了使毫米波扫描仪得到广泛使用，需要大幅减小这些扫描仪的外形尺寸。出于美观原因或空间不足，下一代扫描仪需要更小。此外，随着对分辨率需求的增加，下一代扫描仪将需要更多的通道，这意味着更多的硬件和天线。为了在提供小尺寸的同时提高分辨率，系统集成商需要与ADI公司等半导体供应商密切合作，开发高度集成的芯片组。如今，很少有公司拥有开发高达100 GHz的产品的专业知识，以封装形式提供，然后将多个功能集成到同一部件中。 ADI公司在这种高频集成（例如，E波段发射和接收SiP）和多通道设计（例如，24 GHz、4通道雷达解决方案）方面处于行业领先地位，这些设计一直以如此高的频率引领市场， 集成和打包部件。

平台方法

为了确保毫米波扫描仪不仅仅是一代产品，而且可以随着时间的推移而发展，系统集成商需要采用平台设计方法。这意味着集成商应选择能够为他们提供将相同硬件架构用于多代全身扫描解决方案的途径的部件。这样，每当集成商想要改进解决方案以提高性能、速度或成本时，他们就不需要重新设计信号链中的每个组件。

他们可以通过做出正确的长期选择来做到这一点，例如使用宽带器件而不是窄带器件。这样，即使积分商修改频率计划或计划利用更高的频率获得更高的带宽，也不需要寻找新的器件。相同的宽带部件可以满足新系统的需求。

同样，通过将同一供应商用于多个零件，集成商可以与供应商合作，将多种功能集成到单个芯片或单个封装中。ADI公司提供业界最广泛的宽带器件产品组合，因此为不断发展硬件架构提供了独特的机会，无需每次都重新设计。

低成本解决方案

最后，成本是确保任何扫描解决方案的业务可行性的重要因素。为了使全身扫描仪广泛用于机场以外的商业应用，系统集成商需要支持更低的价格点。这给他们的成本结构带来了巨大的压力。一方面，它们需要增加通道数量，使用更宽的频段和更高的频率部件，这增加了系统成本，但另一方面，市场要求更低的成本结构。因此，集成商需要寻找更新、更具创造性的方法来降低成本。以下是集成商降低总系统成本和最大化毛利率的几种潜在方法：

更高的集成度：通过使用将多种功能集成到同一器件中的器件，集成商可以显著减少构建信号链所需的元件数量。更少的组件意味着更少的组装部件，这意味着更快的组装、更小的 PCB 尺寸和更简单的设计支持。从长远来看，这意味着更低的构建成本和更好的扫描系统技术支持能力。

所有包装部件：通过使用所有封装部件，即使在高频下，集成商也不需要特殊的组装方法来组装芯片部件。这消除了对昂贵的组装技术的需求，例如芯片和线材的芯片零件，相反，集成商可以使用更简单的SMT封装焊接。如今，很少有半导体公司拥有提供高频封装部件的专业知识。ADI公司是为数不多的拥有高达86 GHz的成熟封装解决方案的公司之一。 集成商应仔细选择提供一系列SMT封装产品的长期设计合作伙伴。

首选供应商安排：系统集成商应尝试减少构建整体解决方案所需的供应商数量。通过这样做，集成商可以获得更大的谈判（买方）权力，同时利用跨多个平台的同一供应商的规模经济。因此，集成商应该选择合适的行业合作伙伴，为他们提供正确的解决方案和未来途径。

外包非核心活动：如前所述，大多数开发全身扫描仪的系统集成商的核心专业知识是用于图像和检测的软件算法。软件算法以高分辨率驱动小物体的检测，同时降低误报率。大多数时候，半导体硬件需求是由软件需求驱动的。因此，为了最大限度地发挥每家公司的核心功能并确保更快的上市时间，系统集成商应考虑将硬件开发外包给拥有硬件专业知识的公司。通过这种方式，集成商可以专注于他们的核心功能，并让硬件专家使用最新的技术进步开发最先进的硬件平台。

随着毫米波技术越来越注重系统和解决方案，ADI公司等半导体公司凭借其完整的信号链解决方案提供了独特的优势。通过外包系统设计，集成商可以专注于其核心竞争力，并通过消除非核心功能来降低成本，同时利用与一个供应商的规模经济。

总之，微波和毫米波全身扫描仪正在成为全球安全和检测系统的重要组成部分。通过利用最新的技术进步，做出正确的设计选择，并建立最佳的战略合作伙伴关系，系统集成商有机会区分他们的解决方案。

审核编辑：郭婷