Conception de radar MIMO et sélection des composants

Créé: Novembre 30, 2021
Mise à jour: Juillet 1, 2024

Les systèmes radar commerciaux d'aujourd'hui réalisent le contrôle directionnel et la formation de faisceaux avec des antennes à réseau phasé, donnant à un concepteur de systèmes la capacité de suivre des objets sur un angle solide. Cette technologie n'est pas nouvelle, les antennes à réseau phasé sont utilisées depuis 1979 lorsque le système radar de détection de missiles balistiques à réseau phasé actif US PAVE PAWS a été mis en ligne en Alaska. Depuis cette époque, les fréquences utiles sont devenues plus élevées, les modules radar sont devenus plus petits, et la précision de ces systèmes a constamment augmenté.

Aujourd'hui, le radar est utilisé dans des systèmes avec des objectifs au-delà de la détection d'objets ou des mesures de position. Le radar à modulation de fréquence est utilisé pour les mesures simultanées de position et de vitesse, avec certaines techniques de traitement du signal utilisées pour extraire des cibles précises et suivre leurs positions. Les automobiles d'aujourd'hui utilisent actuellement des modules radar à modulation de fréquence avec une empreinte relativement petite, avec des modules fonctionnant dans la bande K pour le suivi de cibles à courte portée (~24 GHz) ou dans la bande W pour le suivi de cibles à longue portée (~76-81 GHz). La difficulté dans les systèmes actuels réside dans le besoin de plusieurs modules de capteurs pour fournir une détection d'objets sur de larges balayages angulaires, pourtant la résolution est faible car il n'y a pas de formation de faisceau orchestrée entre ces modules.

D'autres domaines comme la robotique et les drones utilisent ces bandes radar ou des bandes similaires, et il existe des applications spécialisées dans la recherche scientifique et l'imagerie. Au cours des 10 dernières années, nous avons vu l'intégration d'une autre technique issue des télécoms dans les systèmes radar : la conception et l'orchestration d'antennes à entrées multiples et à sorties multiples (MIMO). Désormais, les progrès dans les systèmes radar, y compris le radar MIMO, sont stimulés par les suites de capteurs automobiles et les systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS). Pour les concepteurs électroniques, nous examinerons l'architecture système nécessaire pour soutenir des radars plus avancés et certains chipsets actuels disponibles pour soutenir le radar MIMO.

Progrès dans le radar mmWave et introduction du MIMO

Les modules et systèmes radar fonctionnant à des fréquences mmWave sont actuellement largement utilisés dans trois domaines principaux :

Automobile : J'ai mentionné les systèmes ADAS ci-dessus, qui continueront de rester au centre des préoccupations. La motivation principale est de permettre un suivi d'objets plus précis, mais il y a aussi le besoin de réduire potentiellement le nombre total de capteurs tout en permettant l'imagerie in situ avec des mesures radar.
Robotique : Il y a eu une certaine concentration sur ce domaine au cours des 5 dernières années environ, et au cours de cette période, nous avons vu des capteurs radar intégrés dans des domaines comme l'automatisation des usines, le contrôle de la vitesse et de la position pour les petits robots, et la segmentation d'image à partir de nuages de points radar.
Aérospatial : La présence du radar est évidente ici, mais maintenant les modules radar pour les petits UAV autonomes et les drones sont mis en avant avec des tests de vol en direct conduits par la NASA. Cela réduit la dépendance au GNSS/GPS pour la navigation, ce qui n'est pas utile pour la navigation de drones autonomes dans des zones confinées.

Ces systèmes utilisent des signaux diffusés à modulation de fréquence pour permettre le suivi simultané de la position et de la vitesse, ainsi que pour interpréter plusieurs cibles dans le champ de vision. Cela se fait en utilisant la formation de faisceau dans un seul réseau phasé, suivi de l'utilisation de certaines étapes de traitement du signal standard pour l'extraction et le suivi des cibles au fil du temps.

Les modules radar disponibles commercialement aujourd'hui n'utilisent pas le MIMO, du moins pas à ma connaissance au moment de la rédaction. Cependant, les principaux fabricants de composants introduisent des chipsets mmWave pour soutenir des applications uniques du radar FMCW, y compris le radar MIMO et le radar en cascade. Les modules radar commerciaux, les cartes d'évaluation et les émetteurs-récepteurs utilisent encore l'architecture d'antenne patch alimentée au centre éprouvée, un émetteur-récepteur radar COTS et certains algorithmes de traitement de signal standard. Cela inclut les derniers modules radar que ma société a conçus pour les applications UAV.

Architecture d'antenne en réseau à commande de phase de base pour le radar d'aujourd'hui. La section de la carte montrée ici provient du module d'évaluation Texas Instruments AWR6843. Cette conception utilise un empilement hybride avec un stratifié Rogers sur la couche supérieure pour supporter la propagation de signal à faible perte vers les antennes.

Les étapes de traitement du signal impliquées dans la distinction et le suivi des cibles sont quelque peu complexes, et il existe de nombreux guides dans les manuels de traitement du signal sur ces sujets. Dans ces systèmes, l'inconvénient de l'approche actuelle réside dans le champ de vision limité et la résolution approximative. Pour cette raison, de nombreux systèmes utilisent un formage de faisceau serré avec une faible divergence pour des mesures de position et de vitesse ciblées, et ils élargissent simplement le champ de vision en utilisant plusieurs modules. Les automobiles actuelles utilisent plusieurs modules radar à courte et longue portée avec l'architecture montrée ci-dessus pour fournir un large champ de vision dans le cadre du système ADAS, comme montré ci-dessous.

Tant que ces systèmes continueront à dépendre du radar à courte portée tout en étant conçus pour une plus grande autonomie, alors l'ensemble des capteurs sur ces produits devra être amélioré pour avoir une résolution plus élevée. Le radar MIMO est l'une des principales avancées dans ce domaine qui n'a pas encore été largement commercialisée.

Pourquoi intégrer le MIMO dans un système radar lorsque nous pouvons simplement utiliser plus de modules pour élargir le champ de vision afin de suivre plus de cibles ? C'est une question légitime et il n'est pas évident de voir comment les techniques MIMO sont utiles dans la conception radar. Évidemment, augmenter le nombre de réseaux d'antennes permet de suivre plus de cibles, mais la résolution dans ces systèmes fait toujours défaut. Le radar MIMO résout ce problème sans augmentations majeures de complexité.

Le radar MIMO offre une résolution angulaire plus élevée

Il y a des raisons convaincantes de développer des systèmes radar MIMO pour les applications ci-dessus. La raison d'utiliser le MIMO n'est pas centrée sur l'augmentation du nombre de cibles suivies, mais sur la résolution du suivi des cibles, spécifiquement en termes de résolution angulaire dans le champ de vision.

Dans un système MIMO, vous disposez d'un ensemble d'antennes Tx qui diffusent des signaux orthogonaux. L'ensemble des antennes Tx n'est pas orchestré pour produire une formation de faisceaux comme vous le feriez dans un réseau à commande de phase. Cependant, si vous souhaitez booster votre système radar MIMO, vous pouvez utiliser des réseaux à commande de phase individuels pour les émetteurs Tx, où chaque réseau Tx diffuse l'un des signaux de votre ensemble orthogonal. Si chaque émetteur Tx est un réseau, alors la formation de faisceaux est accomplie en utilisant un contrôle de phase standard entre chaque élément du réseau, où la phase entre chaque émetteur dans un réseau Tx est retardée pour contrôler la formation de faisceaux et l'orientation.

La chaîne de signal dans le radar MIMO est très similaire à celle dans le radar à réseau à commande de phase. Il y a aussi un réseau Rx, qui reçoit tous les signaux des antennes Tx, nécessitant un multiplexage pour séparer chaque signal orthogonal émis par les antennes Tx. Comme les signaux reçus de chaque diffusion Tx sont orthogonaux, vous avez un ensemble de mesures liées à un angle de diffusion spécifique. C'est ce qui donne la résolution supérieure : le faisceau interféré au niveau du réseau Rx peut être interprété en utilisant les mêmes étapes de traitement du signal que dans un réseau à commande de phase typique, où l'angle de réception est extrait avec les paramètres de vitesse et de position à partir d'une mesure Doppler. Cependant, vous captez maintenant plusieurs signaux orthogonaux liés à un émetteur spécifique. C'est alors un simple calcul de trigonométrie pour relier chaque signal reçu à l'émetteur spécifique et extraire la position de la cible avec une très haute précision. Vous pouvez également disposer les réseaux en deux dimensions, offrant un ensemble d'antennes patch sur le PCB qui fournit une interprétation des faisceaux azimutaux et polaires. Cela est utile pour les nouveaux modules radar 4D qui sont développés pour les systèmes ADAS de pointe, qui peuvent ensuite être utilisés pour détecter l'élévation des objets. Ce qu'il est important de réaliser ici, c'est que nous utilisons un ensemble d'émetteurs M par N qui fonctionnent avec un ensemble de signaux orthogonaux (plusieurs fréquences, ou plusieurs balayages), ce qui est clé pour l'augmentation de la résolution de diffusion. Considérez le cas où nous voulons prendre un radar automobile FMCW typique et doubler sa résolution. Nous pourrions le faire en doublant simplement le nombre d'éléments d'antenne. Cependant, nous pourrions obtenir le même résultat en ajoutant juste 1 antenne Tx supplémentaire. C'est ce multiplexage entre plusieurs antennes qui augmente la résolution du côté Rx et du côté Tx.

Composants pour Radar MIMO

Les radars modernes utilisent des signaux balayés linéairement (connus sous le nom de radar FMCW) pour permettre un suivi simultané de la position et de la vitesse, ainsi qu'une extraction de cible très précise. Le bloc de traitement du signal et le bloc émetteur-récepteur sont les composants critiques à sélectionner ici car ils seront responsables de la génération et de l'interprétation des signaux utilisés dans le système. Il est également possible d'adopter une approche de radio logicielle pour la génération de signaux pour chaque émetteur Tx.

La manière dont vous choisissez de générer des impulsions radar FMCW vous appartient, mais il existe des composants COTS que vous pouvez utiliser pour aider à concevoir votre système. Étant donné que ces systèmes ne sont pas encore hautement intégrés, vous devrez assembler plusieurs composants mmWave pour créer des systèmes radar MIMO.

Texas Instruments, AWR1642

Le transceiver radar AWR1642 de Texas Instruments cible les applications automobiles et est l'un de leurs composants transceiver standard pour les systèmes radar FMCW. Ce composant peut être utilisé de manière multiplexée spatialement, où plusieurs réseaux d'antennes patch alimentés au centre sont utilisés pour émettre et recevoir des signaux. Le radar MIMO est ensuite mis en œuvre en diffusant avec différents sous-porteurs depuis chaque section Tx.

Schéma de bloc pour le transceiver AWR1642, tiré de la fiche technique AWR1642

Le transceiver radar IWR6843 de Texas Instruments cible les applications industrielles et les applications d'imagerie fonctionnant de 60 à 64 GHz. Ce transceiver plus récent élargit les options de radar pour les concepteurs de systèmes, et le radar MIMO peut toujours être mis en œuvre avec un multiplexage spatial avec plusieurs transceivers. Ce composant particulier fournit un bruit de phase extrêmement faible de -93 dBc à 1 MHz, une puissance Tx élevée de 12 dBm, un PLL intégré et un ADC intégré. La configuration est mise en œuvre via des interfaces numériques basse vitesse standard. Fonctionnellement, le composant est très similaire au transceiver automobile montré ci-dessus.

Plus d'innovation avec les systèmes radar MIMO

Comme je l'ai mentionné plus tôt, l'un des domaines émergents dans le radar MIMO est le radar 4D. Ces systèmes utilisent des dizaines d'éléments rayonnants fonctionnant à des fréquences mmWave, où les faisceaux Tx sont balayés sur des angles polaires et azimutaux. Le balayage azimutal est utilisé pour détecter l'étendue verticale d'une cible et le mouvement vertical. Le radar 4D est actuellement en cours de développement pour les systèmes ADAS les plus récents, mais ces radars seront également utiles pour la robotique opérant dans des environnements complexes, ainsi que pour les petits drones qui nécessitent une reconnaissance d'objet très précise. Avec une haute résolution angulaire et un balayage azimutal, il pourrait être possible de réduire la dépendance aux caméras visuelles et au traitement d'image optique et de s'appuyer totalement sur le radar.

Les nouveaux composants pour soutenir ces domaines sont des SoC hautement intégrés, où le transceiver, l'ADC, le bloc de traitement du signal et le MCU sont fabriqués sur le même die. Cela aidera à réduire la taille totale du système et rendra les nouveaux systèmes radar MIMO beaucoup plus compétitifs par rapport aux radars à réseau phasé standard.

Autres composants pour soutenir les systèmes radar MIMO

Les systèmes MIMO nécessitent plus que des transceivers pour des réseaux individuels car les chipsets radar actuels ne sont pas hautement intégrés pour les applications MIMO. En raison du manque d'intégration, les concepteurs doivent relier plusieurs composants dans un système plus large pour soutenir les applications radar MIMO. Certains autres composants importants dont vous pourriez avoir besoin incluent :

À mesure que de nouveaux émetteurs-récepteurs pour les conceptions de radar MIMO deviennent disponibles, vous pourrez trouver ces composants importants et d'autres en utilisant les fonctionnalités de recherche avancée et de filtrage sur Octopart. Le moteur de recherche électronique d'Octopart vous donne accès aux données de prix des distributeurs mises à jour, aux inventaires de pièces, aux spécifications des pièces, et aux données CAO, et tout est librement accessible dans une interface conviviale. Jetez un œil à notre page de circuits intégrés pour trouver les composants dont vous avez besoin.

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