Sensores mmWave para ADAS, Robótica y Seguridad

La electrónica de hoy en día se está integrando más con el mundo que nos rodea gracias al uso ubicuo de sensores y sistemas HMI. La suite actual de sensores mmWave viene en forma de IC y en forma de módulo, y ambos proporcionan soluciones compactas para muchos sistemas, incluyendo robótica, UAVs, ADAS y seguridad. La aplicación más reconocible de la detección mmWave se divide en dos áreas: radar y wireless, específicamente sistemas 5G y los próximos sistemas 6G.

Aunque estas dos áreas son las más reconocibles, no son las únicas áreas de oportunidad para los ingenieros de mmWave y diseñadores de sistemas. Los sensores mmWave son útiles para otras tareas como el reconocimiento de gestos, detección de ocupantes u objetos, mediciones de signos vitales e incluso imágenes. En estas áreas de aplicación, los transceptores y sensores mmWave son los habilitadores tecnológicos que los ingenieros de sistemas necesitan para construir sus productos.

Si estás diseñando sistemas que necesitan un sensor mmWave, encontrarás múltiples opciones en el mercado que permiten una funcionalidad diversa para los sistemas mmWave.

Ejemplo de Sensores mmWave y Áreas de Aplicación

Hay múltiples áreas de aplicación para la radiación y detección mmWave más allá de 5G y radar de automóviles, y algunos componentes están disponibles que están adaptados a sistemas específicos en estas áreas. Otros componentes son para uso general en sistemas mmWave, lo que los convierte en herramientas decentes para la investigación en nuevo diseño y arquitectura de sistemas.

A continuación, exploraré algunas de las principales áreas comercializables donde los sensores mmWave se están utilizando hoy en día, así como dónde alguien podría encontrar oportunidades para construir nuevos productos.

Radar Automotriz

La primera área está en los sistemas de asistencia al conductor automotriz (ADAS), donde el radar se utiliza junto con múltiples sensores (ópticos, ultrasónicos y radar de corto/largo alcance) para la seguridad del automóvil. Los sensores mmWave que operan a 24 GHz se utilizan para radar de corto alcance en vehículos para aplicaciones como monitoreo de punto ciego, detección de obstáculos y prevención de colisiones. Estos radares de corto alcance han estado utilizando la banda ISM a 24 GHz o la banda ultra ancha (UWB) de 21.65 a 26.65 GHz. Sin embargo, la banda UWB se volverá obsoleta para 2022 gracias a las restricciones regulatorias de EE. UU. y Europa.

Los radares de hoy en día de amplio campo de visión y los radares enfocados de largo alcance operan con portadoras de 77 GHz, este último puede proporcionar un alcance de hasta aproximadamente 250 m. Los módulos de radar comerciales utilizan antenas patch alimentadas por el centro para la transmisión y recepción de señales de radar chirriadas de onda continua modulada en frecuencia (FMCW). El uso de una antena patch alimentada por el centro proporciona la dirección del haz necesaria, detección direccional y campo de visión amplio requerido para estos radares.

Drones y Robótica

Los UAVs y los robots necesitan radar para "ver" el mundo que los rodea y rastrear objetos externos en el entorno. Los drones y otros robots, como los industriales o domésticos, pueden operar a 24 GHz en la banda ISM, o pueden operar a 60 GHz para aplicaciones de mayor resolución. Al igual que con el radar automotriz, estos sistemas necesitan fusionar datos de múltiples sensores con algoritmos de procesamiento sofisticados para hacer el mayor uso de señales y sensores de onda milimétrica (mmWave).

Seguridad

Esta área es una que aún es menos conocida, pero el radar puede integrarse en sistemas de seguridad para el conteo de personas, detección de objetos y seguimiento de objetos. La infraestructura inteligente es un área más general donde los sensores mmWave pueden usarse para la detección y seguimiento de objetos. Los radares y sensores mmWave han sido instrumentales para llevar la percepción computacional a los sistemas de computación periférica con una aplicación principal en seguridad. Estos radares tienen éxito donde algo como una solución óptica (es decir, reconocimiento de objetos con una cámara) falla simplemente debido al costo y al campo de visión; el reconocimiento óptico preciso de objetos a tal distancia requiere sacrificar el campo de visión, y requiere un ensamblaje óptico más costoso. Los radares y sensores mmWave en sistemas de cámaras de seguridad crean una solución útil para el seguimiento de objetos.

Sistemas de Alta Resolución e Imagen

Mientras que los emisores y receptores mmWave son muy útiles para detectar objetivos, estos sistemas típicamente no han sido efectivos para la imagen. Hay varias razones para esto, principalmente la necesidad de formación de haces de alta resolución. El problema desafiante con la formación de haces en términos de diseño de sistemas es la relación entre la resolución y el número de emisores. La imagen de alta resolución requiere más emisores, lo que a su vez requiere sincronización entre múltiples emisores para establecer un retraso de fase entre las señales de transmisión para la dirección de propagación deseada.

Para sincronizar más señales a través de un gran número de emisores, necesitaría tener múltiples chips transceptores siendo sincronizados por un reloj de frecuencia más baja, idealmente un oscilador de frecuencia intermedia (IF). Este oscilador de sincronización solo estará disponible en ciertos componentes; este tipo de sistema es un sistema en cascada debido a la orquestación de la emisión de ondas de múltiples componentes.

Un diagrama de bloques de ejemplo que muestra la sincronización Tx/Rx en un solo sensor mmWave se muestra a continuación. Múltiples de estos diagramas de bloques se colocan en paralelo y se sincronizan con el mismo oscilador (LO) y reloj (CLK). Esto te da la multiplicidad de emisores que están emitiendo de manera fase sincrónica.

El otro factor importante en la imagenología es lidiar con la enorme cantidad de datos que se generan en el sistema. Transmitir estos datos de vuelta a un controlador del sistema (usualmente un FPGA con IP apropiado) requiere encaminar algunos protocolos de tasas de datos muy altas; el estado del arte en el sistema de imagenología por radar utiliza Ethernet de 10G o superior para la transferencia de datos.

Sensor mmWave vs. Receptor de Radar

¿Cuál es la diferencia entre los productos comercializados como transceptores de radar y sensores mmWave? Francamente, no hay mucha diferencia aparte del área de aplicación que apuntan, cómo se generan y utilizan las señales, y el número de características que se integran en un componente mmWave. Los módulos de radar de hoy utilizarán un transceptor de radar especializado para su aplicación particular, donde los transceptores de radar automotriz son un gran ejemplo. Los sensores mmWave se comercializarán para aplicaciones más generales como detección de objetos y niveles, conteo y seguimiento de personas, u otras tareas.

La otra principal diferencia es el nivel de integración de características. Los componentes dirigidos a aplicaciones muy específicas incluirán aquellas características necesarias para la aplicación (tanto en términos de arquitectura de hardware como de firmware). Intentar encajar un sensor mmWave de propósito general en una aplicación más específica puede requerir la suplementación con un MCU externo u otro componente.

Algunos Sensores mmWave de Propósito General

Texas Instruments IWR1642

El sensor mmWave IWR1642 de Texas Instruments es un ejemplo de un sensor mmWave de propósito general que también puede funcionar como un transceptor de radar. Incluye 4 canales Rx y 2 canales Tx para control direccional si es necesario. Todas las características son programables a través de un MCU externo sobre interfaces estándar (SPI, I2C, UART, GPIO) o una interfaz LVDS de 2 líneas para acceso a datos ADC crudos. Este sensor está diseñado para operar de 76 a 81 GHz y proporciona capacidades integradas de procesamiento de señales FMCW para aplicaciones como seguridad y monitoreo industrial.

Texas Instruments IWR6843

El IC sensor mmWave IWR6843 de Texas Instruments es incluso más de propósito general que el componente anterior. Este componente apunta a aplicaciones en el rango de 60 a 64 GHz, como aplicaciones de seguridad funcional y automatización. Este sensor mmWave incluye un bloque DSP en chip para procesamiento avanzado de señales y acelerador de hardware para funciones FFT, filtrado y procesamiento CFAR para identificación y seguimiento de objetos. También hay disponible un módulo de antena plugin basado en este componente de Texas Instruments (MPN: IWR6843ISK).

Infineon BGT24LTR11 El sensor mmWave BGT24LTR11 de Infineon está dirigido a aplicaciones de 24 GHz en un formato muy pequeño. Este componente solo utiliza 1 canal Tx y 1 canal Rx, por lo que no hay control direccional a través de la formación de haces con un solo componente. Sin embargo, eliminar interfaces de antena Tx/Rx adicionales proporciona una huella mucho más pequeña que otros sensores mmWave o transceptores de radar, por lo que podría usarse para un emisor/detector simple. Cualquier aplicación que requiera una huella pequeña, sin direccionalidad y bajo consumo de energía a 24 GHz puede beneficiarse de este componente.

La otra opción para este tipo de componente es implementar la formación de haces de una señal de 24 GHz altamente estable y coherente a través de la cascada. También son posibles sistemas MIMO únicos con estos componentes. Aparte del par de canales Rx/Tx único, la principal ventaja de estos componentes es su compensación de deriva de frecuencia impulsada por temperatura a través de un pin de voltaje de sintonización de entrada. Esto elimina la necesidad de un PLL/MCU para compensar la deriva de temperatura.

Otros Componentes para Productos mmWave

Las aplicaciones mmWave todavía se están desarrollando y las frecuencias se están llevando a límites más altos. Las aplicaciones mencionadas anteriormente también necesitan una gama de otros componentes para construir un sistema completo. Algunos otros componentes que los diseñadores podrían necesitar incluyen:

• ICs de gestión de energía para asegurar la estabilidad de la potencia RF

• MCU/FPGA para la integración del sensor y el procesamiento de datos

• ADCs para la adquisición de datos del sensor

Ya sea que necesite un sensor mmWave o un transceptor de radar integrado, puede encontrar las partes que necesita y mantenerse al día con todos los nuevos desarrollos de componentes cuando utiliza el conjunto completo de características avanzadas de búsqueda y filtración en Octopart. Cuando utiliza el motor de búsqueda de electrónica de Octopart, tendrá acceso a datos actualizados de precios de distribuidores, inventario de partes y especificaciones, y todo es libremente accesible en una interfaz fácil de usar. Eche un vistazo a nuestra página de dispositivos RF componentes para su próximo sistema RF.

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