Diseño de Radar MIMO y Selección de Componentes

Creado: Noviembre 30, 2021
Actualizado: Julio 1, 2024

Los sistemas comerciales de radar actuales logran control direccional y formación de haces con antenas de arreglo en fase, brindando a los diseñadores de sistemas la capacidad de rastrear objetos sobre un ángulo sólido. Esta tecnología no es nueva, las antenas de arreglo en fase se han utilizado desde 1979 cuando el sistema de radar de detección de misiles balísticos activos PAVE PAWS de EE. UU. se puso en línea en Alaska. Desde ese momento, las frecuencias útiles se han elevado, los módulos de radar se han hecho más pequeños y la precisión de estos sistemas ha aumentado constantemente.

Hoy en día, el radar se utiliza en sistemas con objetivos más allá de la detección de objetos o mediciones de posición. El radar chirpeado se utiliza para mediciones simultáneas de posición y velocidad, con algunas técnicas de procesamiento de señales utilizadas para extraer objetivos precisos y rastrear sus posiciones. Los automóviles actuales utilizan módulos de radar chirpeado con una huella relativamente pequeña, con módulos que operan en la banda K para seguimiento de objetivos a corto alcance (~24 GHz) o en la banda W para seguimiento de objetivos a largo alcance (~76-81 GHz). La dificultad en los sistemas actuales radica en la necesidad de múltiples módulos de sensores para proporcionar detección de objetos sobre barridos angulares amplios, sin embargo, la resolución es baja ya que no hay formación de haces orquestada entre estos módulos.

Otras áreas como la robótica y los drones están haciendo uso de estas o bandas de radar similares, y hay aplicaciones especializadas en investigación científica e imagenología. En los últimos 10 años, hemos visto la integración de otra técnica de telecomunicaciones en los sistemas de radar: diseño y orquestación de antenas de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO). Ahora, el progreso adicional en los sistemas de radar, incluido el radar MIMO, está siendo impulsado por conjuntos de sensores automotrices y sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS). Para los diseñadores electrónicos, examinaremos la arquitectura del sistema necesaria para admitir radares más avanzados y algunos chipsets actuales disponibles para soportar radar MIMO.

Progreso en Radar de onda milimétrica y Introducción de MIMO

Los módulos y sistemas de radar que operan en frecuencias de onda milimétrica (mmWave) actualmente disfrutan de un uso generalizado en tres áreas principales:

Automotriz: Mencioné los sistemas ADAS anteriormente, los cuales continuarán siendo el foco de atención. La motivación principal es permitir un seguimiento de objetos más preciso, pero también existe la necesidad de reducir potencialmente el conteo total de sensores mientras se habilita la imagenología in situ con mediciones de radar.
Robótica: Ha habido cierto enfoque en esta área durante los últimos 5 años aproximadamente, y durante ese período de tiempo, hemos visto sensores de radar integrados en áreas como la automatización de fábricas, control de velocidad y posición para pequeños robots, y segmentación de imágenes a partir de nubes de puntos de radar.
Aeroespacial: La presencia de radar es obvia aquí, pero ahora los módulos de radar para pequeños UAVs autónomos y drones están cobrando protagonismo con pruebas de vuelo en vivo realizadas por la NASA. Esto reduce la dependencia del GNSS/GPS para la navegación, algo que no es útil para la navegación autónoma de drones en áreas confinadas.

Estos sistemas utilizan señales de difusión chirpeadas para permitir el seguimiento simultáneo de posición y velocidad, así como para interpretar múltiples objetivos dentro del campo de visión. Esto se hace utilizando formación de haces en un solo arreglo en fase, seguido por el uso de algunos pasos estándar de procesamiento de señales para la extracción y seguimiento de objetivos a lo largo del tiempo.

Los módulos de radar disponibles comercialmente hoy en día no utilizan MIMO, al menos no que yo sepa en el momento de escribir esto. Sin embargo, los principales fabricantes de componentes están introduciendo conjuntos de chips de onda milimétrica para apoyar aplicaciones únicas de radar FMCW, incluyendo radar MIMO y radar en cascada. Los módulos de radar comerciales, las placas de evaluación y los transceptores todavía están utilizando la probada y verdadera arquitectura de antena de parche alimentada por el centro, un transceptor de radar COTS y algunos algoritmos de procesamiento de señales estándar. Esto incluye los últimos módulos de radar que mi empresa ha diseñado para aplicaciones UAV.

Arquitectura básica de antena de arreglo en fase para el radar de hoy. La sección de la placa mostrada aquí es del módulo de evaluación Texas Instruments AWR6843. Este diseño utiliza un apilado híbrido con un laminado de Rogers en la capa superior para soportar la propagación de señales de baja pérdida hacia las antenas.

Los pasos de procesamiento de señales involucrados en distinguir y rastrear objetivos son algo complejos, y hay muchas guías en los libros de texto de procesamiento de señales sobre estos temas. En estos sistemas, la desventaja del enfoque actual está en el campo de visión limitado y la resolución aproximada. Por esta razón, muchos sistemas utilizan formación de haces ajustada con baja divergencia para mediciones de posición y velocidad dirigidas, y simplemente amplían el campo de visión utilizando múltiples módulos. Los automóviles actuales utilizan múltiples módulos de radar de corto y largo alcance con la arquitectura mostrada arriba para proporcionar un amplio campo de visión como parte del sistema ADAS, como se muestra a continuación.

Mientras estos sistemas continúen dependiendo del radar de corto alcance y al mismo tiempo estén diseñados para una mayor autonomía, entonces el conjunto completo de sensores en estos productos necesitará ser mejorado para tener una resolución más alta. El radar MIMO es uno de los principales avances en esta área que aún no se ha comercializado ampliamente.

¿Por qué integrar MIMO en un sistema de radar cuando podemos simplemente usar más módulos para expandir el campo de visión y rastrear más objetivos? Es una pregunta justa y podría no parecer obvio cómo las técnicas MIMO son útiles en el diseño de radar. Obviamente, aumentar el número de arreglos de antenas permite el rastreo de más objetivos, pero la resolución en estos sistemas todavía es insuficiente. El radar MIMO resuelve este problema sin aumentos mayores en complejidad.

El Radar MIMO Proporciona Mayor Resolución Angular

Hay algunas razones convincentes para desarrollar sistemas de radar MIMO para las aplicaciones mencionadas. La razón para usar MIMO no se centra en aumentar el número de objetivos rastreados, sino en la resolución del seguimiento de objetivos, específicamente en la resolución angular dentro del campo de visión.

En un sistema MIMO, tienes un arreglo de antenas Tx que transmiten señales ortogonales. El conjunto de antenas Tx no está orquestado para producir formación de haces como lo harías en un arreglo en fase. Sin embargo, si quieres potenciar tu sistema de radar MIMO, puedes usar arreglos en fase individuales para los emisores Tx, donde cada arreglo Tx transmite con una de las señales de tu conjunto ortogonal. Si cada emisor Tx es un arreglo, entonces la formación de haces se logra utilizando el control de fase estándar entre cada elemento en el arreglo, donde la fase entre cada emisor en un arreglo Tx se retrasa para controlar la formación de haces y la dirección.

La cadena de señales en el radar MIMO es muy similar a la del radar de arreglo en fase.

También hay un arreglo Rx, que recibe todas las señales de las antenas Tx, requiriendo multiplexación para separar cada señal ortogonal emitida por las antenas Tx. Dado que las señales recibidas de cada transmisión Tx son ortogonales, tienes un conjunto de mediciones cada una vinculada a un ángulo de transmisión específico. Esto es lo que proporciona la mayor resolución: el haz interferido en el arreglo Rx puede interpretarse utilizando los mismos pasos de procesamiento de señales que en un arreglo en fase típico, donde el ángulo de recepción se extrae junto con los parámetros de velocidad y posición de una medición Doppler. Sin embargo, ahora estás detectando múltiples señales ortogonales que están vinculadas a un transmisor específico. Luego, es un simple cálculo de trigonometría vincular cada señal recibida de vuelta al transmisor específico y extraer la posición del objetivo con muy alta precisión.

También puedes organizar los arreglos en dos dimensiones, dando un conjunto de antenas de parche en el PCB que proporciona interpretación de haces azimutales y polares. Esto es útil para los nuevos módulos de radar 4D que se están desarrollando para sistemas ADAS de última generación, que luego pueden usarse para detectar la elevación de objetos.

Lo importante que hay que darse cuenta aquí es que estamos utilizando un arreglo de emisores de M por N que operan con un conjunto de señales ortogonales (múltiples frecuencias o múltiples chirridos), lo cual es clave para el aumento de la resolución de transmisión. Considera el caso en que queremos tomar un radar automotriz FMCW típico y duplicar su resolución. Podríamos hacer esto simplemente duplicando el número de elementos de antena. Sin embargo, podríamos obtener el mismo resultado simplemente añadiendo 1 antena Tx más. Es esta multiplexación entre múltiples antenas lo que aumenta la resolución en el lado Rx y el lado Tx.

Componentes para Radar MIMO

Los radares modernos utilizan señales chirriadas linealmente (conocidas como radar FMCW) para permitir el seguimiento simultáneo de posición y velocidad, así como la extracción de objetivos altamente precisa. El bloque de procesamiento de señales y el bloque transceptor son los componentes críticos a seleccionar aquí ya que serán responsables de generar e interpretar las señales utilizadas en el sistema. También es posible adoptar un enfoque de radio definida por software para la generación de señales para cada emisor Tx.

La forma en que elijas generar pulsos de radar FMCW depende de ti, pero hay componentes COTS que puedes usar para ayudar a diseñar tu sistema. Dado que estos sistemas aún no están altamente integrados, tendrás que ensamblar múltiples componentes de ondas milimétricas para crear sistemas de radar MIMO.

Texas Instruments, AWR1642

El transceptor de radar AWR1642 de Texas Instruments está dirigido a aplicaciones automotrices y es uno de sus componentes transceptores estándar para sistemas de radar FMCW. Este componente puede usarse de manera espacialmente multiplexada, donde se utilizan múltiples arreglos de antenas patch alimentadas centralmente para transmitir y recibir señales. El radar MIMO se implementa entonces transmitiendo con diferentes subportadoras desde cada sección de Tx.

Diagrama de bloques para el transceptor AWR1642, del datasheet de AWR1642

El transceptor de radar IWR6843 de Texas Instruments está dirigido a aplicaciones industriales y de imagen operando a 60 a 64 GHz. Este transceptor más nuevo expande las opciones de radar para los diseñadores de sistemas, y el radar MIMO aún puede implementarse con multiplexación espacial con múltiples transceptores. Este componente en particular proporciona un ruido de fase extremadamente bajo de -93 dBc a 1 MHz, alta potencia de Tx de 12 dBm, un PLL integrado y un ADC integrado. La configuración se implementa a través de interfaces digitales de baja velocidad estándar. Funcionalmente, el componente es muy similar al transceptor automotriz mostrado arriba.

Más innovación con sistemas de radar MIMO

Como mencioné anteriormente, una de las áreas próximas en radar MIMO es el radar 4D. Estos sistemas utilizan docenas de elementos radiantes operando a frecuencias de ondas milimétricas, donde los haces de Tx se escanean sobre ángulos polares y azimutales. El escaneo azimutal se utiliza para detectar la extensión vertical de un objetivo y el movimiento vertical. El radar 4D actualmente se está desarrollando para los sistemas ADAS más nuevos, pero estos radares también serán útiles para la robótica que opera en entornos complejos, así como para drones pequeños que requieren reconocimiento de objetos muy preciso. Con alta resolución angular y escaneo azimutal, podría ser posible reducir la dependencia de cámaras visuales y procesamiento de imágenes ópticas y depender totalmente del radar.

Los nuevos componentes para respaldar estas áreas son SoCs altamente integrados, donde el transceptor, ADC, bloque de procesamiento de señales y MCU se fabrican en el mismo dado. Esto ayudará a reducir el tamaño total del sistema y hacer que los nuevos sistemas de radar MIMO sean mucho más competitivos con los radares de arreglo en fase estándar.

Otros componentes para respaldar sistemas de radar MIMO

Los sistemas MIMO necesitan más que transceptores para arreglos individuales porque los conjuntos de chips de radar actuales no están altamente integrados para aplicaciones MIMO. Debido a la falta de integración, los diseñadores necesitan vincular múltiples componentes en un sistema más grande para respaldar aplicaciones de radar MIMO. Algunos otros componentes importantes que podrías necesitar incluyen:

A medida que se dispongan de nuevos transceptores para diseños de radar MIMO, podrás encontrar estos y otros componentes importantes utilizando las funciones avanzadas de búsqueda y filtrado en Octopart. Las características del motor de búsqueda de electrónica en Octopart te dan acceso a datos actualizados de precios de distribuidores, inventario de partes, especificaciones de partes y datos CAD, y todo está libremente accesible en una interfaz amigable para el usuario. Echa un vistazo a nuestra página de circuitos integrados para encontrar los componentes que necesitas.

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