mmWave-Sensoren für ADAS, Robotik und Sicherheit

Erstellt: Juli 11, 2022
Aktualisiert am: Juli 1, 2024

Die Elektronik von heute wird dank der allgegenwärtigen Verwendung von Sensoren und HMI-Systemen immer stärker mit der Welt um sie herum integriert. Die heutige Palette von mmWave-Sensoren ist in IC-Form und Modulform erhältlich, und beide bieten kompakte Lösungen für viele Systeme, einschließlich Robotik, UAVs, ADAS und Sicherheit. Die bekannteste Anwendung von mmWave-Sensing fällt in zwei Bereiche: Radar und drahtlos, speziell 5G und die kommenden 6G-Systeme.

Obwohl diese beiden Bereiche am bekanntesten sind, sind sie nicht die einzigen Bereiche mit Möglichkeiten für mmWave-Ingenieure und Systemdesigner. mmWave-Sensoren sind nützlich für andere Aufgaben wie Gestenerkennung, Erkennung von Insassen oder Objekten, Messung von Vitalzeichen und sogar Bildgebung. In diesen Anwendungsbereichen sind mmWave-Transceiver und Sensoren die technologischen Ermöglicher, die Systemingenieure benötigen, um ihre Produkte zu bauen.

Wenn Sie Systeme entwerfen, die einen mmWave-Sensor benötigen, finden Sie auf dem Markt mehrere Optionen, die eine vielfältige Funktionalität für mmWave-Systeme ermöglichen.

Beispiel mmWave-Sensoren und Anwendungsbereiche

Es gibt mehrere Anwendungsbereiche für mmWave-Strahlung und -Sensing über 5G und Autoreadar hinaus, und einige Komponenten sind verfügbar, die auf spezifische Systeme in diesen Bereichen zugeschnitten sind. Andere Komponenten sind für die allgemeine Verwendung bei mmWave-Systemen gedacht, was sie zu guten Werkzeugen für die Forschung in neues Systemdesign und Architektur macht.

Im Folgenden werde ich einige der wichtigsten kommerzialisierbaren Bereiche erkunden, in denen mmWave-Sensoren heute verwendet werden, sowie wo jemand Möglichkeiten finden könnte, neue Produkte zu entwickeln.

Automobilradar

Der erste Bereich ist in Fahrerassistenzsystemen (ADAS) für Automobile, wo Radar neben mehreren Sensoren (optisch, ultraschall und kurz-/langstrecken Radar) für die Sicherheit von Automobilen verwendet wird. mmWave-Sensoren, die bei 24 GHz arbeiten, werden für Kurzstreckenradar in Fahrzeugen für Anwendungen wie Totwinkelüberwachung, Hinderniserkennung und Kollisionsvermeidung verwendet. Diese Kurzstreckenradare haben das ISM-Band bei 24 GHz oder das Ultrabreitband (UWB) von 21,65 bis 26,65 GHz verwendet. Allerdings wird das UWB-Band bis 2022 aufgrund von regulatorischen Beschränkungen in den USA und Europa obsolet werden.

Die heutigen Radare mit weitem Sichtfeld und langstreckenfokussierte Radare arbeiten mit 77 GHz Trägern, von denen letztere eine Reichweite von etwa 250 m bieten können. Kommerzielle Radarmodule verwenden zentral gespeiste Patch-Antennen für die Übertragung und den Empfang von frequenzmodulierten Dauerstrich-Radarsignalen (FMCW). Die Verwendung einer zentral gespeisten Patch-Antenne ermöglicht die erforderliche Strahlschwenkung, Richtungserkennung und weites Sichtfeld, die für diese Radare benötigt werden.

Drohnen und Robotik

UAVs und Roboter benötigen beide Radar, um die Welt um sie herum zu „sehen“ und externe Objekte in der Umgebung zu verfolgen. Drohnen und andere Roboter, wie Industrie- oder Haushaltsroboter, können im ISM-Band bei 24 GHz arbeiten oder bei 60 GHz für Anwendungen mit höherer Auflösung. Genau wie bei Automobilradar müssen diese Systeme Daten von mehreren Sensoren fusionieren mit ausgeklügelten Verarbeitungsalgorithmen, um mmWave-Signale und Sensoren optimal zu nutzen.

Sicherheit

Dieser Bereich ist noch weniger bekannt, aber Radar kann in Sicherheitssysteme für Personen zählung, Objekterkennung und Objektverfolgung integriert werden. Smarte Infrastruktur ist ein allgemeinerer Bereich, in dem die mmWave-Sensoren für Objekterkennung und -verfolgung verwendet werden können. mmWave-Radare und Sensoren waren entscheidend dafür, die Wahrnehmung durch Computer auf Edge-Computing-Systeme mit einem primären Anwendungsbereich in der Sicherheit auszudehnen. Diese Radare sind erfolgreich, wo eine optische Lösung (d.h. Objekterkennung mit einer Kamera) einfach aufgrund von Kosten und Sichtfeld scheitert; genaue optische Objekterkennung aus solch einer Entfernung erfordert ein Opfer beim Sichtfeld und benötigt eine teurere optische Baugruppe. mmWave-Radar und Sensoren in Sicherheitskamerasystemen schaffen eine nützliche Lösung zur Objektverfolgung.

Hochauflösende und Bildgebungssysteme

Obwohl mmWave-Sender und -Empfänger sehr nützlich für die Erkennung von Zielen sind, waren diese Systeme typischerweise nicht effektiv für die Bildgebung. Es gibt mehrere Gründe dafür, hauptsächlich die Notwendigkeit einer hochauflösenden Strahlformung. Das herausfordernde Problem bei der Strahlformung in Bezug auf das Systemdesign ist die Beziehung zwischen Auflösung und Anzahl der Sender. Eine höhere Auflösung der Bildgebung erfordert mehr Sender, was wiederum eine Synchronisation unter mehreren Sendern erfordert, um eine Phasenverzögerung zwischen den Sendesignalen für die gewünschte Ausbreitungsrichtung einzustellen.

Um mehr Signale über eine große Anzahl von Sendern zu synchronisieren, benötigen Sie mehrere Transceiver-Chips, die durch eine niedrigere Frequenzuhr, idealerweise einen Zwischenfrequenz-(IF-)Oszillator, synchronisiert werden. Dieser Synchronisationsoszillator ist nur bei bestimmten Komponenten verfügbar; dieses System ist ein Kaskadensystem aufgrund der Orchestrierung der Wellenemission von mehreren Komponenten.

Ein Beispielblockdiagramm, das die Tx/Rx-Synchronisation in einem einzelnen mmWave-Sensor zeigt, ist unten dargestellt. Mehrere dieser Blockdiagramme werden parallel platziert und sind mit demselben Oszillator (LO) und Takt (CLK) synchronisiert. Dies gibt Ihnen die Vielfalt der Sender, die in einer phasensynchronen Weise emittieren.

Ein anderer wichtiger Faktor bei der Bildgebung ist der Umgang mit der riesigen Menge an Daten, die im System erzeugt werden. Die Übertragung dieser Daten zurück an einen Systemcontroller (üblicherweise ein FPGA mit entsprechendem IP) erfordert die Routung einiger sehr hoher Datenübertragungsprotokolle; der Stand der Technik bei Radarbildgebungssystemen verwendet 10G oder höheres Ethernet für die Datenübertragung.

mmWave-Sensor vs. Radar-Empfänger

Was ist der Unterschied zwischen Produkten, die als Radar-Transceiver und mmWave-Sensoren vermarktet werden? Ehrlich gesagt gibt es nicht viel Unterschied, abgesehen vom Anwendungsbereich, den sie anvisieren, wie Signale erzeugt und verwendet werden und der Anzahl der Funktionen, die in eine mmWave-Komponente integriert sind. Heutige Radarmodule verwenden einen speziellen Radar-Transceiver für ihre spezielle Anwendung, wobei Automobilradar-Transceiver ein großartiges Beispiel sind. mmWave-Sensoren werden für allgemeinere Anwendungen wie Objekt- und Füllstandserkennung, Personen Zählung und Verfolgung oder andere Aufgaben vermarktet.

Der andere Hauptunterschied ist das Niveau der Funktionsintegration. Komponenten, die auf sehr spezifische Anwendungen abzielen, werden diese Funktionen enthalten, die für die Anwendung benötigt werden (sowohl in Bezug auf die Hardwarearchitektur als auch die Firmware). Der Versuch, einen allgemeinen mmWave-Sensor in eine spezifischere Anwendung einzupassen, kann die Ergänzung durch einen externen MCU oder eine andere Komponente erfordern.

Einige allgemeine mmWave-Sensoren

Texas Instruments IWR1642

Der IWR1642 mmWave-Sensor von Texas Instruments ist ein Beispiel für einen allgemeinen mmWave-Sensor, der auch als Radar-Transceiver funktionieren kann. Er umfasst 4 Rx-Kanäle und 2 Tx-Kanäle für die Richtungssteuerung, falls benötigt. Alle Funktionen sind programmierbar über einen externen MCU über Standard-Schnittstellen (SPI, I2C, UART, GPIO) oder eine 2-Lane-LVDS-Schnittstelle für den Zugriff auf rohe ADC-Daten. Dieser Sensor ist für den Betrieb von 76 bis 81 GHz ausgelegt und bietet integrierte FMCW-Signalverarbeitungsfähigkeiten für Anwendungen wie Sicherheit und industrielle Überwachung.

Texas Instruments IWR6843

Der IWR6843 mmWave-Sensor-IC von Texas Instruments ist noch allgemeiner als das vorherige Bauteil. Dieses Bauteil zielt auf Anwendungen im Bereich von 60 bis 64 GHz ab, wie funktionale Sicherheitsanwendungen und Automatisierung. Dieser mmWave-Sensor umfasst einen On-Chip-DSP-Block für fortgeschrittene Signalverarbeitung und einen Hardware-Beschleuniger für FFT-Funktionen, Filterung und CFAR-Verarbeitung zur Objektidentifikation und -verfolgung. Es gibt auch ein auf diesem Bauteil basierendes Plugin-Antennenmodul von Texas Instruments (MPN: IWR6843ISK).

Infineon BGT24LTR11 Der BGT24LTR11 mmWave-Sensor von Infineon zielt auf 24-GHz-Anwendungen in einem sehr kleinen Formfaktor ab. Dieses Bauteil verwendet nur 1 Tx- und 1 Rx-Kanal, daher gibt es keine Richtungskontrolle durch Strahlformung mit einer einzelnen Komponente. Das Weglassen zusätzlicher Tx/Rx-Antennenschnittstellen bietet jedoch einen viel kleineren Formfaktor als andere mmWave-Sensoren oder Radar-Transceiver, sodass dies für einen einfachen Sender/Empfänger verwendet werden könnte. Jede Anwendung, die einen kleinen Formfaktor, keine Richtungsabhängigkeit und einen geringen Stromverbrauch bei 24 GHz erfordert, kann von dieser Komponente profitieren.

Die andere Option für diese Art von Komponente ist die Implementierung von Strahlformung eines hochstabilen, hochkohärenten 24-GHz-Signals durch Kaskadierung. Einzigartige MIMO-Systeme sind ebenfalls mit diesen Komponenten möglich. Abgesehen vom einzelnen Rx/Tx-Kanalpaar besteht der Hauptvorteil dieser Komponenten in ihrer temperaturgesteuerten Frequenzdriftkompensation durch einen Eingangsstimmungsspannungsstift. Dies eliminiert die Notwendigkeit eines PLL/MCU zur Kompensation der Temperaturdrift.

Andere Komponenten für mmWave-Produkte

mmWave-Anwendungen entwickeln sich noch und Frequenzen werden auf höhere Grenzen gedrückt. Die oben aufgeführten Anwendungen benötigen auch eine Reihe anderer Komponenten, um ein vollständiges System aufzubauen. Einige andere Komponenten, die Designer benötigen könnten, umfassen:

Ob Sie einen mmWave-Sensor oder einen integrierten Radar-Transceiver benötigen, Sie können die benötigten Teile finden und mit allen neuesten Komponentenentwicklungen Schritt halten, wenn Sie den vollständigen Satz von fortgeschrittenen Such- und Filterfunktionen in Octopart verwenden. Wenn Sie die Elektronik-Suchmaschine von Octopart nutzen, haben Sie Zugang zu aktualisierten Distributorenpreisdaten, Teilebeständen und Spezifikationen, und das alles frei zugänglich in einer benutzerfreundlichen Schnittstelle. Werfen Sie einen Blick auf unsere RF-Geräteseite Komponenten für Ihr nächstes RF-System.

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