Capteurs mmWave pour ADAS, robotique et sécurité

Créé: Juillet 11, 2022
Mise à jour: Juillet 1, 2024

Capteurs mmWave et domaines d'application

Les appareils électroniques d'aujourd'hui deviennent de plus en plus intégrés au monde qui les entoure grâce à l'utilisation omniprésente de capteurs et de systèmes d'interface homme-machine (HMI). La gamme actuelle de capteurs mmWave se présente sous forme de circuits intégrés (IC) et de modules, et les deux offrent des solutions compactes pour de nombreux systèmes, y compris la robotique, les UAVs, les systèmes d'aide à la conduite avancée (ADAS) et la sécurité. L'application la plus reconnaissable de la détection mmWave se divise en deux domaines : le radar et le sans-fil, spécifiquement les systèmes 5G et les futurs systèmes 6G.

Bien que ces deux domaines soient les plus reconnaissables, ils ne sont pas les seuls domaines d'opportunité pour les ingénieurs et les concepteurs de systèmes mmWave. Les capteurs mmWave sont utiles pour d'autres tâches comme la reconnaissance gestuelle, la détection d'occupants ou d'objets, la mesure des signes vitaux, et même l'imagerie. Dans ces domaines d'application, les transmetteurs et capteurs mmWave sont les facilitateurs technologiques dont les ingénieurs systèmes ont besoin pour construire leurs produits.

Si vous concevez des systèmes nécessitant un capteur mmWave, vous trouverez sur le marché plusieurs options permettant une fonctionnalité diverse pour les systèmes mmWave.

Exemples de capteurs mmWave et domaines d'application

Il existe de multiples domaines d'application pour les radiations et la détection mmWave au-delà de la 5G et du radar automobile, et certains composants sont disponibles qui sont adaptés à des systèmes spécifiques dans ces domaines. D'autres composants sont destinés à une utilisation générale dans les systèmes mmWave, ce qui en fait d'excellents outils pour la recherche dans la conception et l'architecture de nouveaux systèmes.

Ci-dessous, j'explorerai certains des principaux domaines commercialisables où les capteurs mmWave sont utilisés aujourd'hui, ainsi que les opportunités potentielles de développement de nouveaux produits.

Radar Automobile

Le premier domaine concerne les systèmes d'aide à la conduite automobile (ADAS), où le radar est utilisé aux côtés de multiples capteurs (optiques, ultrasoniques et radar à courte/longue portée) pour la sécurité automobile. Les capteurs mmWave opérant à 24 GHz sont utilisés pour le radar à courte portée dans les véhicules pour des applications telles que la surveillance des angles morts, la détection d'obstacles et l'évitement de collisions. Ces radars à courte portée ont utilisé la bande ISM à 24 GHz ou la bande ultra-large (UWB) de 21,65 à 26,65 GHz. Cependant, la bande UWB deviendra obsolète d'ici 2022 en raison des contraintes réglementaires américaines et européennes.

Radar à large champ de vision et radars à longue portée

Les radars à large champ de vision et les radars à longue portée d'aujourd'hui fonctionnent avec des porteuses de 77 GHz, ces derniers pouvant fournir une portée jusqu'à environ 250 m. Les modules radar commerciaux utilisent des antennes patch alimentées au centre pour la transmission et la réception de signaux radar à ondes continues modulées en fréquence (FMCW). L'utilisation d'une antenne patch alimentée au centre offre l'orientation du faisceau, la détection directionnelle et le large champ de vision nécessaires pour ces radars.

Drones et Robotique

Les UAVs et les robots ont tous deux besoin de radar pour « voir » le monde autour d'eux et suivre les objets externes dans l'environnement. Les drones et autres robots, tels que les robots industriels ou domestiques, peuvent fonctionner à 24 GHz dans la bande ISM, ou ils peuvent opérer à 60 GHz pour des applications de plus haute résolution. Tout comme avec le radar automobile, ces systèmes doivent fusionner les données de plusieurs capteurs avec des algorithmes de traitement sophistiqués pour tirer le meilleur parti des signaux et capteurs mmWave.

Sécurité

Ce domaine est encore moins connu, mais le radar peut être intégré dans les systèmes de sécurité pour le comptage de personnes, la détection d'objets et le suivi d'objets. L'infrastructure intelligente est un domaine plus général où les capteurs mmWave peuvent être utilisés pour la détection et le suivi d'objets. Les radars et capteurs mmWave ont été essentiels pour amener la perception computationnelle vers les systèmes de calcul en périphérie avec une application principale dans la sécurité. Ces radars réussissent là où une solution optique (c'est-à-dire, la reconnaissance d'objets avec une caméra) échoue simplement en raison du coût et du champ de vision ; une reconnaissance optique précise des objets à une telle distance nécessite de sacrifier le champ de vision, et cela nécessite un ensemble optique plus coûteux. Les radars et capteurs mmWave dans les systèmes de caméras de sécurité créent une solution utile de suivi d'objets.

Systèmes à haute résolution et d'imagerie

Bien que les émetteurs et récepteurs mmWave soient très utiles pour détecter les cibles, ces systèmes n'ont généralement pas été efficaces pour l'imagerie. Il y a plusieurs raisons à cela, principalement le besoin d'une formation de faisceau de haute résolution. Le problème difficile avec la formation de faisceau en termes de conception de systèmes est la relation entre la résolution et le nombre d'émetteurs. Une imagerie de haute résolution nécessite plus d'émetteurs, ce qui à son tour nécessite une synchronisation entre plusieurs émetteurs pour établir un délai de phase entre les signaux de diffusion pour la direction de propagation souhaitée.

Pour obtenir plus de signaux synchronisés à travers un grand nombre d'émetteurs, vous auriez besoin d'avoir plusieurs puces émetteur-récepteur synchronisées par une horloge de fréquence inférieure, idéalement un oscillateur de fréquence intermédiaire (IF). Cet oscillateur de synchronisation ne sera disponible que sur certains composants ; ce type de système est un système en cascade en raison de l'orchestration de l'émission d'ondes à partir de plusieurs composants.

Un exemple de schéma de bloc montrant la synchronisation Tx/Rx dans un seul capteur mmWave est montré ci-dessous. Plusieurs de ces schémas de bloc sont placés en parallèle et sont synchronisés avec le même oscillateur (LO) et horloge (CLK). Cela vous donne la multiplicité d'émetteurs qui émettent de manière synchrone en phase.

L'autre facteur important dans l'imagerie est de gérer la quantité massive de données que vous générez dans le système. Transmettre ces données à un contrôleur de système (généralement un FPGA avec IP approprié) nécessite le routage de certains protocoles à très haut débit de données ; l'état de l'art dans le système d'imagerie radar utilise Ethernet de 10G ou plus pour le transfert de données.

Capteur mmWave vs. Récepteur Radar

Quelle est la différence entre les produits commercialisés comme transceivers radar et les capteurs mmWave ? Franchement, il n'y a pas beaucoup de différence à part le domaine d'application qu'ils ciblent, comment les signaux sont générés et utilisés, et le nombre de fonctionnalités qui sont intégrées dans un composant mmWave. Les modules radar d'aujourd'hui utiliseront un transceiver radar spécialisé pour leur application particulière, où les transceivers radar automobiles sont un excellent exemple. Les capteurs mmWave seront commercialisés pour des applications plus générales comme la détection d'objets et de niveau, le comptage et le suivi des personnes, ou d'autres tâches.

L'autre principale différence est le niveau d'intégration des fonctionnalités. Les composants ciblant des applications très spécifiques incluront ces fonctionnalités nécessaires pour l'application (tant en termes d'architecture matérielle que de firmware). Essayer d'adapter un capteur mmWave à usage général dans une application plus spécifique peut nécessiter un complément avec un MCU externe ou un autre composant.

Quelques capteurs mmWave à usage général

Texas Instruments IWR1642

Le capteur mmWave IWR1642 de Texas Instruments est un exemple de capteur mmWave à usage général qui peut également fonctionner comme un transceiver radar. Il comprend 4 canaux Rx et 2 canaux Tx pour le contrôle directionnel si nécessaire. Toutes les fonctionnalités sont programmables via un MCU externe sur des interfaces standard (SPI, I2C, UART, GPIO) ou une interface LVDS à 2 voies pour l'accès aux données ADC brutes. Ce capteur est conçu pour fonctionner de 76 à 81 GHz et fournit des capacités de traitement de signal FMCW intégrées pour des applications comme la sécurité et la surveillance industrielle.

Texas Instruments IWR6843

Le composant IC capteur mmWave IWR6843 de Texas Instruments est encore plus à usage général que le composant précédent. Ce composant cible des applications dans la gamme de 60 à 64 GHz, telles que les applications de sécurité fonctionnelle et l'automatisation. Ce capteur mmWave comprend un bloc DSP sur puce pour le traitement avancé du signal et un accélérateur matériel pour les fonctions FFT, le filtrage et le traitement CFAR pour l'identification et le suivi des objets. Il existe également un module d'antenne plugin basé sur ce composant disponible chez Texas Instruments (MPN : IWR6843ISK).

Infineon BGT24LTR11Le capteur mmWave BGT24LTR11 d'Infineon cible les applications à 24 GHz dans un très petit format. Ce composant utilise seulement 1 canal Tx et 1 canal Rx, il n'y a donc pas de contrôle directionnel par formation de faisceau avec un seul composant. Cependant, l'élimination des interfaces d'antenne Tx/Rx supplémentaires offre un format beaucoup plus petit que d'autres capteurs mmWave ou transceivers radar, ce qui pourrait être utilisé pour un simple émetteur/détecteur. Toute application nécessitant un petit format, pas de directionnalité et une faible consommation d'énergie à 24 GHz peut bénéficier de ce composant.

L'autre option pour ce type de composant est d'implémenter la formation de faisceau d'un signal 24 GHz hautement stable et cohérent par cascading. Des systèmes MIMO uniques sont également possibles avec ces composants. Outre la paire de canaux Rx/Tx unique, le principal avantage de ces composants est leur compensation de dérive de fréquence due à la température par une broche de tension de réglage d'entrée. Cela élimine le besoin d'un PLL/MCU pour compenser la dérive de température.

Autres composants pour les produits mmWave

Les applications mmWave sont encore en développement et les fréquences sont poussées vers des limites supérieures. Les applications mentionnées ci-dessus nécessitent également une gamme d'autres composants pour construire un système complet. Certains autres composants que les concepteurs pourraient avoir besoin incluent :

Que vous ayez besoin d'un capteur mmWave ou d'un transceiver radar intégré, vous pouvez trouver les pièces dont vous avez besoin et rester à jour avec tous les nouveaux développements de composants lorsque vous utilisez l'ensemble complet de fonctionnalités de recherche avancée et de filtrage sur Octopart. Lorsque vous utilisez le moteur de recherche électronique d'Octopart, vous aurez accès aux données de prix des distributeurs mises à jour, à l'inventaire des pièces et aux spécifications, et tout est librement accessible dans une interface conviviale. Jetez un œil à notre page de composants pour dispositifs RF pour votre prochain système RF.

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