射頻、微波和毫米波技術不斷地發展及進步，運用相關技術所進行的全身掃描器也普遍受到關注。為此本文探討了全身掃描器的系統整合業者應如何做出正確的技術設計和合作夥伴選擇，進而提供商業上可行的解決方案。
相較於幾十年前，大家所生活的世界已經發生了翻天覆地的變化。國際社會上地緣政治格局的變化，以及全球恐怖主義威脅的加劇，使得個人安全方面的需求激增。對安全的需求不再僅僅局限於關鍵的基礎設施，而是越來越趨於普遍。世界各地的政府、安全機構和企業都開始認識到這新趨勢，並紛紛運用各種技術來解決這些新的安全挑戰。
全身掃描是一種常用的安全工具(圖1)，可以協助克服這些挑戰和解決潛在威脅。這種設備非常重要，其也被廣泛地運用在機場、火車站和政府大樓中。它們對進出建築物的人員進行掃描，以查明是否藏有武器、爆炸物和其他違禁物品。
圖1 典型的毫米波人體掃描器
雖然人體掃描器幾乎是不可或缺的，但它也存在著幾個大缺點。現今，大多數的人體掃描解決方案所須掃描時間較長，而這會導致人流的堵塞。許多掃描器的解析度不足以檢測當今的威脅，或者會太過於干擾日常活動的進行。此外，即便它們能夠滿足上述所有預期，費用也通常過於昂貴，因此無法大規模投入商業使用。
目前，在射頻(RF)、微波(Microwave)和毫米波(mmWave)技術方面的進展正在改變這一個狀況，透過新的半導體解決方案，可以實現新一代的人體掃描解決方案，以定義其功能範圍。本文即將討論人體掃描技術的發展，以及目前可用於開發下一代人體掃描器的解決方案(圖2)。
圖2 用於檢測威脅的人體掃描技術的發展
人體掃描解決方案發展歷史簡述
早在自動化人體掃描系統出現之前，人們主要是透過人工搜身來進行檢查。當然，正如人們所預料，這需要很長的時間、會侵犯個人隱私，而且並不一定能夠最準確地檢測出威脅。
隨著威脅日益複雜和技術不斷進步，人工搜身已經被金屬探測器所取代。金屬探測器會自動掃描人流，讓人們可以無須停止步伐而直接走過安全門。只有被檢測到身上帶有金屬物體時，才須要停下來接受人工搜身。當時的假設是，至少大部分威脅都是由金屬造成的。在那個時代，這種假設，還有金屬探測器的預期解析度水準有其合理性。除了這些固定的金屬探測器外，還會採用可攜式手持金屬探測器加以輔助，讓工作人員能夠在不接觸人們身體的前提下，更近距離地進行掃描。
最終，隨著各種隱藏的物體變得更加隱蔽，傳統的金屬探測器開始難以勝任。現在，隨著三維(3D)列印等技術的出現，人們可以透過非金屬材料製造武器，因此金屬探測器已經不再是最好的檢測方法，各種機構也須要導入更準確的掃描方法。
此後，X光技術成為首選。X光掃描器的速度很快，可以穿透活體，提供人體和隱藏物體的超高解析度圖像。這項技術的缺點在於，被掃描的人員會受到高強度輻射，引發了公眾對人身健康和個人隱私極大關注。由於其固有的穿透特性，X光可以揭露大多數人都不願意分享的大量資訊，由此引發了眾怒。這些機器的最初版本要求檢查人員人工判斷隱藏物體的圖像，而帶來了侵犯隱私這個主要的弊端。此外，由於這些機器使用主動輻射，不管X光公司如何聲明，都引發許多人對長期健康的極大關注。
有鑑於上述原因，X光被修改為X光後向散射解決方案，後者不會穿透目標，而是從目標表面進行反射。從健康角度來看，這種解決方案相對更好，儘管人們仍對這種技術的健康和隱私影響抱持同樣的擔憂。如今，後向散射技術被全球多地採用。
與此同時，射頻、微波和毫米波技術也取得了進步。掃描公司目前正在採用這項技術開發掃描器，其特點是速度快、解析度高、不侵犯個人隱私，而且不利用任何輻射。這些掃描器的工作頻率一般在10GHz到40GHz之間，有時還可高達60GHz到80GHz。
隨著射頻和微波技術日益普及，這些掃描器的價格越來越低，體積越來越小巧，因此在各種市場中被廣泛投入商業使用。一般來說，相較於之前的產品，這些掃描器都不僅安全可靠，而且更能保護隱私。毫米波掃描正逐漸成為當今和未來人體掃描器的首選技術。
毫米波人體掃描器市場
毫米波人體掃描帶來巨大的市場機會，不僅限於安全和威脅檢測應用，還包括其他商業應用。根據Global Industry Analyst 2015年所發表的報告指出，全身掃描器市場預計到2021年時將成長到17億美元，年複合成長率為41.5%。根據MarketsandMarkets的另一份報告指出，到2021年時，單單機場人體掃描市場的價值預計就將達到1.18億美元，年複合成長率為8.4%，而這還未考慮非機場和商業市場的巨大成長機會。
毫米波技術也同樣被應用於其他產業，例如在商業領域，商場、音樂廳和體育場使用低成本人體掃描器確保安全。類似地，在消費性領域，該技術可用在零售商店，將傳統的試衣間更換為現代的掃描和試穿系統。醫療健康業界也正在考慮使用毫米波來取代老式的主動式輻射全身掃描，以進行各種治療。
隨著全球都在從X光、後向散射和金屬探測器技術轉換到毫米波全身掃描器，市場提供了巨大的機會。為了保持市場占有率，該領域的業界領導者不僅須要製造人體掃描器，還需要優化它們，使其具有更高的圖像解析度和更快的性能，同時對功能進行改進，例如在行進中掃描，無須人員止步。
總體來說，用於全身掃描系統的毫米波技術在政府、商業和消費領域的應用前景一片光明，一些新創公司已經開始採用微波和毫米波解決方案來開發下一代人體掃描器。
毫米波人體掃描器技術發展
如圖3所示，總體來看，主動式毫米波人體掃描器的設計包括天線元件、射頻分段(為簡單說明，故將射頻、微波和毫米波統稱為射頻)、混合訊號段和數位域。
圖3 高水準毫米波人體掃描器結構示意圖
天線元件的物理結構包含用於發射和接收訊號的小型天線結構。這些元件背後的射頻部分均由高性能半導體硬體(晶片組)組成，它們將發射訊號傳輸至天線元件，並將反射回來的訊號透過天線接收。射頻部分的設計至關重要，可以確保掃描器在最短的時間內獲取有關目標的最多資訊，而不遺漏關鍵細節。
混合訊號部分，包括高速類比數位轉換器(ADC)和數位類比轉換器(DAC)。這些ADC和DAC將類比射頻資訊轉換成掃描器的電腦可以處理的數位位元，以傳輸射頻訊號。
最後，數位部分是用於影像處理、掃描和威脅識別的大部分軟體演算法所在的位置。數位部分的需求，通常決定著射頻和混合訊號部分的需求(如通道數、頻率、所需頻寬和採樣速率)。大多數開發毫米波掃描器的公司都嚴格地控制其掃描器的數位/軟體部分，以及天線設計。這就是他們讓自己的掃描器性能脫穎而出的地方：開發專用軟體演算法和天線設計，從而以最小尺寸提供最佳解析度和最快速的掃描速度。
射頻部分與混合訊號部分是整個解決方案的關鍵部分，但大多數掃描器的整體設計都是相似的。圖3和圖5分別顯示了射頻段的發射和接收部分。
如圖3所示，發射和接收訊號鏈由相同的頻率源(頻率產生模組)驅動。頻率源產生5GHz到10GHz的訊號，這些訊號經過倍頻鏈，放大和倍增兩次，在掃描器的射頻操作頻段內產生20GHz到40GHz的訊號。該20GHz到40GHz的訊號隨後經過傳輸鏈，根據系統的配置，該訊號可能被再次放大，並被濾波，以消除在前面階段增添的任何雜散。
由於大多數掃描器都在寬廣的頻率範圍內工作，它們需要一個能夠在整個頻率範圍內進行濾波的濾波器。傳統上，單一寬頻濾波器很難構建，或者建置成本很高。因此，製造商會使用一個濾波器組，透過切換開關將多個窄頻濾波器組合起來。這些窄頻濾波器可一起作為一個寬頻濾波器使用。
藉由使用可調濾波器，能夠簡化這種傳統架構。透過改變調諧電壓，濾波器可以連續調諧到所需的頻率。與訊號鏈搭配使用時，可調頻濾波器能夠替代多個濾波器組，或放寬對於濾波器組的要求。
發射訊號被濾波之後，會透過一個切換開關矩陣傳輸到多個發射通道。根據每個系統整合業者的性能要求和天線設計，訊號鏈可能由幾十個到幾百個發射和接收通道組成。通道的數量，通常會影響系統的性能和成本。切換開關矩陣是由多個切換開關組成，用於接收發射訊號並將其分布到多個發射天線元件中。
傳統上，這種切換開關矩陣是透過在單軸雙切(SPDT)配置中使用PIN二極體和砷化鎵(GaAs)切換開關所實現的，特別是在高達40GHz的高頻下。對於PIN二極體，每個切換開關都需要大量的外部元件來控制高偏置電壓和電流。隨著通道數量增加，這些周邊電路會變得更加複雜。同樣地，採用GaAs對應元件的設計，需要採用多個切換開關，以便為高通道數構建開關樹。
亞德諾(ADI)採用40GHz SP4T絕緣體上矽(SOI)切換開關簡化了這種設計，例如ADRF5046。借助SP4T，設計人員可以最多使用四個切換開關位置，而不是每個切換開關支援兩個切換開關位置。例如，對於一個簡單的十二通道系統，三個SP4T切換開關可以替代多達七個SPDT切換開關。
對於具備更高通道數的系統，隨著系統複雜性呈指數成長，SP4T SOI切換開關的優勢更加明顯。除了減少切換開關IC的數量外，減少外部元件的數量和降低偏置功率同樣重要。ADRF5046的設計採用SOI製程，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互補式金屬氧化物半導體(CMOS)控制訊號。圖4顯示的便是使用老式PIN二極體與新式SOI切換開關的開關實現方式之間的差異。
圖4 PIN(頂部)與SOI切換開關(底部)的實現方式比較
最後，發射訊號是從發射天線元件發射出去。根據系統架構，單一或多個發射天線可以在任何給定的時間處於工作狀態。對於大多數系統，通常有一個發射天線在任何給定的時間處於工作狀態。系統可以透過多根發射天線連續線性掃描訊號(圖5)，每次發射的間隔都非常短，只有幾微秒(μs)。
圖5 透用毫米波成像發射(Tx)訊號鏈
在接收端，多個接收元件同時處於工作狀態(圖6)。接收元件會搜尋來自目標的反射訊號。它透過多個通道捕獲反射的接收訊號，然後讓訊號通過每個通道的低雜訊放大器(LNA)，在不產生額外雜訊的情況下放大訊號。然後使用與發射端類似的切換開關矩陣以合併來自多個通道的放大訊號。數位衰減器則被用於進行增益調節，而SOI製程中的ADRF5730可以滿足快速開關建立要求。接收到的訊號隨後經過下變頻和進一步的放大級。
圖6 透用毫米波成像接收(Rx)訊號鏈
傳統上，系統整合業者是採用超外差結構將高頻訊號分多個階段下變頻至中頻。不過，有了寬頻混頻器，如HMC8192(20GHz至42GHz I/Q混頻器)，整合業者只需一步即可將高達42GHz的頻率下變頻至低中頻或基頻。這個混頻器的本振驅動和發射級使用相同頻率源模組。然後，寬頻I/Q混頻器的中頻(IF)被饋送到單端轉差分放大器，隨後與高速ADC進行連接。這種高速ADC將訊號數位化，並為運行多種軟體演算法來檢測圖像的電腦提供數位輸入。
如前述的圖示，可以為毫米波人體掃描器提供從位元到天線、和從天線到位元的完整訊號鏈解決方案。借助廣泛的射頻、微波和毫米波元件產品系列，整合業者一定可以找到滿足其性能和價格預期的合適元件。要提供從位元到天線的完整天線解決方案，須要具備必要的產品系列、經驗和技術支援，這讓製造商無須單獨選擇、評估每個元件，並可為它們議價，從而能夠節省大量的時間、金錢和精力。
從射頻分段的角度來看，人體掃描器的精度(解析度)和速度在很大程度上取決於幾個關鍵因素：
首先，「頻率範圍」決定了掃描器的穿透特性和可用頻寬。通常頻率越高，穿透性越強(在某些情況下)，可用頻寬越大。頻寬越高，解析度也越好，因為每個頻率通道可以傳輸更多與目標有關的資料。由於波長較短，更高頻率的系統需要的天線也更小，因此多通道系統會採用多根高頻小天線。不過，基於半導體設計的複雜性、封裝問題以及整合業者缺乏高頻設計方面的專業知識，要面向大規模商業應用構建基於極高頻(>60GHz)的人體掃描器設計，成本非常高昂，或者過程非常複雜。因此，目前大多數系統通常設計成使用10GHz到40GHz的頻率。
其次，「通道的數量」決定了可以從多個不同來源獲取關於目標的資訊。更高通道數通常能夠提供更高的目標解析度和更好的天線空間多樣性。增加通道數量，需要複製每個通道的硬體內容，這會顯著增加射頻部分的尺寸和成本。更高通道數還意味著系統必須採用多個高速ADC，這會進一步增加混合訊號域的成本。
最後，訊號鏈的「動態範圍」決定了人體掃描系統的靈敏度。動態範圍越高，系統對小目標和隱蔽目標的檢測能力越強。為提高系統的動態範圍，整合業者通常會選擇線性度極好且雜訊係數低的元件。
掌握關鍵成功因素 系統整合/製造商均受益
除了掃描系統的技術性能外，毫米波人體掃描器系統整合業者或製造商的成功還取決於許多因素。除了掃描器準確檢測小型、隱蔽和危險物體的能力外，該系統還須要快速運行才能在高流量區域使用，必須具有成本效益才能進行大規模部署，以及提供競爭優勢才能確保業務可行性。因此，人體掃描器製造商的成功取決於以下幾個因素(圖7)：
圖7 人體掃描器製造商的關鍵成功標準
人體掃描器能否明確區分潛在危險的物體和無關緊要的物體，掃描精度是關鍵。第一代毫米波掃描器問題頻出，誤報率非常高。而這就導致需要採用其他手段來重新評估風險，浪費了許多時間和精力，並影響心情。提高解析度和降低誤報率的要求通常很難兩全。掃描器的解析度越高，誤報的可能性也越高。因此，大多數系統整合業者都努力在解析度和誤報率之間尋求適當的平衡。根據經驗，10GHz到40GHz的範圍可以提供這種寬頻覆蓋，而品類眾多的低雜訊元件，有的則可以提供高動態範圍。正確的硬體架構和元件選擇，可以提高系統的解析度。然後，系統整合業者會開發高階的軟體演算法，更智慧地解析這種高解析度圖像，確保在首次掃描時即正確識別真正的威脅。
毫米波人體掃描市場預計將快速增長，吸引著許多新加入者，因此上市時間是成功的關鍵，而要確保能夠縮短產品上市時間，系統整合業者須要採用幾家關鍵供應商提供的更多整合式和模組化的元件。如此一來，他們就更不需要分別選擇、評估每個分立式元件，以及在訊號鏈中實施它們。相反地，透過使用更多整合式和寬頻元件，公司可以在硬體設計上花更少的時間，而將更多的時間用在軟體差異化上。
為了使毫米波掃描器得到廣泛的應用，需要大幅縮小這些掃描器的尺寸。基於美學或空間不足的原因，下一代掃描器的尺寸需要變得更小。此外，隨著對解析度的需求不斷提高，下一代掃描器將需要更多的通道，這意味著硬體和天線數量會越來越多。為了在提高解析度的同時保持小尺寸，系統整合業者需要與半導體提供商密切合作，開發出高度整合的晶片組。
為了確保毫米波掃描器不成為只維持一代的產品，而是可以隨著時間的推移不斷發展，系統整合業者須要採用平台設計方法。這意味著整合業者選擇的元件應該為他們提供一條路徑，使其能夠在多代全身掃描解決方案中使用相同的硬體架構。如此，每當整合業者希望提升解決方案，以提高性能、速度或降低成本時，他們無須重新設計訊號鏈中的每個元件。
為此，他們可以做出正確的長期選擇，例如利用寬頻元件而不是窄頻元件。這樣，即使整合業者修改了頻率計畫或打算利用更高的頻率來獲得更高的頻寬，也不必尋找新的元件。同樣的寬頻元件，就可以滿足新系統的需求。
同樣地，透過使用同一家供應商的多個元件，整合業者可以與該供應商合作，將多個功能整合到單一晶片或單個封裝中。
儘量使成本更低 讓解決方案更普及
最後，成本是確保掃描解決方案具備業務可行性的重要因素。要讓全身掃描器廣泛應用於除機場以外的商業應用場合，系統整合業者必須大幅降低價格，而這為其成本結構帶來了巨大壓力。
一方面，他們需要增加通道數量，使用更寬頻段和更高頻率的元件，進而增加了系統成本，但另一方面，市場需要更低的成本結構。因此，整合業者必須尋找更新穎、更有創意的方法來降低成本。以下是整合業者降低系統總成本並實現毛利潤最大化的一些潛在方法(圖8)：
圖8 降低全身掃描器成本的方法
整合商可以利用將多個功能整合到一起的元件，顯著減少構建訊號鏈所需的元件數量。元件越少，須要組裝的元件數量越少，這意味著組裝速度更快，印刷電路板(PCB)尺寸更小，須要支援的設計也更簡單。從長遠來看，這意味著構建成本更低，為掃描系統提供技術支援的能力也更強。
透過使用全封裝元件，即使在高頻率下，整合商也不必採用特殊的組裝方法來組裝裸片。如此整合業者就無須採用成本高昂的組裝技術(例如用於裸片的晶片和電線)，而是可以使用更簡單的表面黏著技術(SMT)封裝焊接。目前，僅有幾家公司可以提供經過驗證的、高達86GHz的封裝解決方案，整合業者應該精挑細選一家可提供一系列SMT封裝產品的長期設計合作夥伴。
系統整合業者應儘量減少構建整體解決方案所需的供應商數量，如此整合業者便可獲得更大的議價(買方)權，同時在多個平台上利用同一家供應商帶來的規模經濟優勢，因此整合業者應該選擇能為他們提供合適的解決方案和未來路徑的正確業界合作夥伴。
如前所述，對於大多數開發全身掃描器的系統整合商而言，核心專業知識是用於成像和檢測的軟體演算法。這些軟體演算法支援以高解析度檢測小型物體，同時減少誤報率。大多數情況下，半導體硬體需求都是由軟體需求推動的。因此，為了最大限度地發揮各公司的核心功能優勢，並確保加快上市時間，系統整合商應考慮將硬體開發外包給擁有硬體專業知識的公司。這樣一來，整合業者就能夠專注於自己的核心功能，讓硬體專家利用最新的技術進步開發最先進的硬體平台。
隨著毫米波技術越來越注重系統和解決方案，半導體公司可憑藉其完整的訊號鏈解決方案提供獨特的優勢。透過外包系統設計，整合商能夠專注於自己的核心競爭力，而且由於繞開了非核心功能，同時利用了與一家供應商合作的規模經濟優勢，還可以降低成本。
綜上所述，微波和毫米波全身掃描器正在成為全球安全和檢測系統的重要部分。透過利用最新的技術，做出正確的設計選擇，並建立最佳的策略夥伴關係，系統整合業者可以讓其解決方案脫穎而出。
(本文作者為亞德諾射頻與微波部RFMG市場開發經理及射頻和微波控制產品部市場行銷和產品經理)