Progettazione e Selezione dei Componenti per Radar MIMO

Creato: novembre 30, 2021
Aggiornato: luglio 1, 2024

I sistemi radar commerciali odierni ottengono il controllo direzionale e la formazione del fascio con antenne a schiera di fase, dando a un progettista di sistemi la capacità di tracciare oggetti su un angolo solido. Questa tecnologia non è nuova, le antenne a schiera di fase sono state utilizzate dal 1979 quando il sistema radar di rilevamento missilistico a schiera di fase attiva US PAVE PAWS è entrato in funzione in Alaska. Da allora, le frequenze utili sono diventate più alte, i moduli radar sono diventati più piccoli e l'accuratezza di questi sistemi è costantemente aumentata.

Oggi, il radar è utilizzato in sistemi con obiettivi che vanno oltre il rilevamento di oggetti o le misurazioni di posizione. Il radar chirpato è utilizzato per misurazioni simultanee di posizione e velocità, con alcune tecniche di elaborazione del segnale utilizzate per estrarre bersagli accurati e tracciare le loro posizioni. Le automobili odierne utilizzano attualmente moduli radar chirpati con un'ingombro relativamente piccolo, con moduli che operano nella banda K per il tracciamento di bersagli a corto raggio (~24 GHz) o nella banda W per il tracciamento di bersagli a lungo raggio (~76-81 GHz). La difficoltà nei sistemi attuali è nella necessità di disporre di più moduli sensori per fornire il rilevamento di oggetti su ampie varredature angolari, eppure la risoluzione è bassa poiché non c'è una formazione del fascio orchestrata tra questi moduli.

Altri settori come la robotica e i droni stanno facendo uso di queste o simili bande radar, e ci sono applicazioni specialistiche nella ricerca scientifica e nell'imaging. Negli ultimi 10 anni, abbiamo visto l'integrazione di un'altra tecnica dalla telecomunicazione nei sistemi radar: il design e l'orchestrazione di antenne multiple-input multiple-output (MIMO). Ora, ulteriori progressi nei sistemi radar, inclusi i radar MIMO, sono guidati da suite di sensori automobilistici e sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS). Per i progettisti di elettronica, esamineremo l'architettura di sistema necessaria per supportare radar più avanzati e alcuni chipset attuali disponibili per supportare il radar MIMO.

Progressi nel Radar mmWave e Introduzione del MIMO

I moduli e i sistemi radar che operano a frequenze mmWave sono attualmente ampiamente utilizzati in tre aree principali:

Automotive: Ho menzionato sopra i sistemi ADAS, che continueranno a rimanere al centro dell'attenzione. La motivazione principale è consentire un tracciamento di oggetti più accurato, ma c'è anche la necessità di ridurre potenzialmente il conteggio totale dei sensori consentendo l'imaging in situ con misurazioni radar.
Robotica: C'è stata una certa attenzione su quest'area negli ultimi 5 anni o giù di lì, e in quel periodo di tempo, abbiamo visto sensori radar integrati in aree come l'automazione di fabbrica, il controllo di velocità e posizione per piccoli robot e la segmentazione di immagini da nuvole di punti radar.
Aerospaziale: La presenza del radar è ovvia qui, ma ora i moduli radar per piccoli UAV autonomi e droni stanno entrando in focus con test di volo dal vivo condotti dalla NASA. Questo riduce la dipendenza da GNSS/GPS per la navigazione, qualcosa che non è utile per la navigazione di droni autonomi in aree confinate.

Questi sistemi utilizzano segnali trasmessi chirpati per consentire il tracciamento simultaneo di posizione e velocità, oltre a interpretare più bersagli all'interno del campo visivo. Ciò viene fatto utilizzando la formazione del fascio in una singola schiera di fase, seguita dall'uso di alcuni passaggi standard di elaborazione del segnale per l'estrazione e il tracciamento dei bersagli nel tempo.

I moduli radar commercialmente disponibili oggi non utilizzano MIMO, almeno non che io sappia al momento della scrittura. Tuttavia, i principali produttori di componenti stanno introducendo chipset mmWave per supportare applicazioni uniche del radar FMCW, inclusi radar MIMO e radar in cascata. I moduli radar commerciali, le schede di valutazione e i trasmettitori continuano ad utilizzare l'architettura dell'antenna patch alimentata al centro, un trasmettitore radar COTS e alcuni algoritmi standard di elaborazione del segnale. Questo include gli ultimi moduli radar che la mia azienda ha progettato per applicazioni UAV.

Architettura di base dell'antenna a schiera di fase per i radar di oggi. La sezione della scheda mostrata qui è del modulo di valutazione Texas Instruments AWR6843. Questo design utilizza un impilamento ibrido con un laminato Rogers sullo strato superiore per supportare la propagazione del segnale a bassa perdita verso le antenne.

I passaggi di elaborazione del segnale coinvolti nel distinguere e tracciare gli obiettivi sono piuttosto complessi, e ci sono molte guide nei libri di testo sull'elaborazione del segnale su questi argomenti. In questi sistemi, lo svantaggio dell'approccio attuale è nel campo visivo limitato e nella risoluzione approssimativa. Per questo motivo, molti sistemi utilizzano una formazione di fasci stretta con bassa divergenza per misurazioni mirate di posizione e velocità, e semplicemente ampliano il campo visivo utilizzando più moduli. Le automobili attuali utilizzano più moduli radar a corto e lungo raggio con l'architettura mostrata sopra per fornire un ampio campo visivo come parte del sistema ADAS, come mostrato di seguito.

Finché questi sistemi continueranno a fare affidamento sul radar a corto raggio pur essendo progettati per una maggiore autonomia, allora l'intero insieme di sensori su questi prodotti dovrà essere migliorato per avere una risoluzione più alta. Il radar MIMO è uno dei principali progressi in questo settore che deve ancora essere ampiamente commercializzato.

Perché integrare MIMO in un sistema radar quando possiamo semplicemente usare più moduli per espandere il campo visivo per tracciare più obiettivi? È una domanda lecita e potrebbe non sembrare ovvio come le tecniche MIMO siano utili nella progettazione radar. Ovviamente, aumentare il numero di array di antenne consente di tracciare più obiettivi, ma la risoluzione in questi sistemi è ancora carente. Il radar MIMO risolve questo problema senza grandi aumenti di complessità.

Il Radar MIMO Fornisce una Maggiore Risoluzione Angolare

Ci sono alcune ragioni convincenti per sviluppare sistemi radar MIMO per le applicazioni sopra menzionate. Il motivo per usare MIMO non è focalizzato sull'aumento del numero di obiettivi tracciati, ma sulla risoluzione del tracciamento degli obiettivi, specificamente nella risoluzione angolare all'interno del campo visivo.

In un sistema MIMO, si dispone di un array di antenne Tx che trasmettono segnali ortogonali. L'insieme delle antenne Tx non è orchestrato per produrre beamforming come si farebbe in un array in fase. Tuttavia, se si desidera potenziare il proprio sistema radar MIMO, è possibile utilizzare singoli array in fase per gli emettitori Tx, dove ogni array Tx trasmette con uno dei segnali del set ortogonale. Se ogni emettitore Tx è un array, allora il beamforming è realizzato utilizzando il controllo standard della fase tra ogni elemento nell'array, dove la fase tra ogni emettitore in un array Tx è ritardata per controllare il beamforming e la direzione.

La catena di segnale nel radar MIMO è molto simile a quella nel radar a array in fase.

C'è anche un array Rx, che riceve tutti i segnali dalle antenne Tx, richiedendo il multiplexing per separare ogni segnale ortogonale emesso dalle antenne Tx. Poiché i segnali ricevuti da ogni trasmissione Tx sono ortogonali, si ha un insieme di misurazioni ciascuna collegata a un specifico angolo di trasmissione. Questo è ciò che fornisce la risoluzione più elevata: il fascio interferito all'array Rx può essere interpretato utilizzando gli stessi passaggi di elaborazione del segnale come in un tipico array in fase, dove l'angolo di ricezione è estratto insieme ai parametri di velocità e posizione da una misurazione Doppler. Tuttavia, ora si stanno rilevando più segnali ortogonali che sono collegati a un trasmettitore specifico. È quindi un semplice calcolo di trigonometria collegare ogni segnale ricevuto al trasmettitore specifico ed estrarre la posizione del bersaglio con elevata precisione.

È possibile anche disporre gli array in due dimensioni, fornendo un insieme di antenne patch sul PCB che fornisce interpretazione del fascio azimutale e polare. Questo è utile per i nuovi moduli radar 4D che vengono sviluppati per i sistemi ADAS all'avanguardia, che possono quindi essere utilizzati per rilevare l'elevazione degli oggetti.

È importante rendersi conto che stiamo utilizzando un array di emettitori M per N che operano con un insieme di segnali ortogonali (molteplici frequenze o molteplici chirp), che è la chiave per l'aumento della risoluzione di trasmissione. Consideriamo il caso in cui vogliamo prendere un tipico radar automobilistico FMCW e raddoppiarne la risoluzione. Potremmo farlo semplicemente raddoppiando il numero di elementi dell'antenna. Tuttavia, potremmo ottenere lo stesso risultato aggiungendo solo 1 ulteriore antenna Tx. È questo multiplexing tra più antenne che aumenta la risoluzione sul lato Rx e sul lato Tx.

Componenti per il Radar MIMO

I radar moderni utilizzano segnali chirpati linearmente (noti come radar FMCW) per consentire il tracciamento simultaneo di posizione e velocità, così come l'estrazione di bersagli altamente accurata. Il blocco di elaborazione del segnale e il blocco trasmettitore sono i componenti critici da selezionare qui poiché saranno responsabili della generazione e interpretazione dei segnali utilizzati nel sistema. È anche possibile adottare un approccio di radio definita dal software per la generazione del segnale per ogni emettitore Tx.

La scelta di come generare impulsi radar FMCW dipende da te, ma ci sono componenti COTS che puoi utilizzare per aiutarti a progettare il tuo sistema. Poiché questi sistemi non sono ancora altamente integrati, dovrai assemblare più componenti mmWave per creare sistemi radar MIMO.

Texas Instruments, AWR1642

Il trasmettitore radar AWR1642 di Texas Instruments è destinato alle applicazioni automobilistiche ed è uno dei loro componenti trasmettitori standard per i sistemi radar FMCW. Questo componente può essere utilizzato in modo spazialmente multiplexato, dove vengono utilizzati più array di antenne patch alimentate centralmente per trasmettere e ricevere segnali. Il radar MIMO viene quindi implementato trasmettendo con diversi sottoträgeri da ogni sezione Tx.

Diagramma a blocchi per il trasmettitore AWR1642, dal datasheet AWR1642

Il trasmettitore radar IWR6843 di Texas Instruments è destinato alle applicazioni industriali e alle applicazioni di imaging che operano a 60-64 GHz. Questo trasmettitore più recente espande le opzioni radar per i progettisti di sistemi, e il radar MIMO può ancora essere implementato con multiplexing spaziale con più trasmettitori. Questo particolare componente fornisce un rumore di fase estremamente basso di -93 dBc a 1 MHz, alta potenza Tx di 12 dBm, un PLL integrato e un ADC integrato. La configurazione viene implementata tramite interfacce digitali standard a bassa velocità. Funzionalmente, il componente è molto simile al trasmettitore automobilistico mostrato sopra.

Maggiore innovazione con i sistemi radar MIMO

Come ho accennato in precedenza, uno dei prossimi ambiti nel radar MIMO è il radar 4D. Questi sistemi utilizzano dozzine di elementi radianti che operano a frequenze mmWave, dove i fasci Tx vengono scanditi su angoli polari e azimutali. La scansione azimutale viene utilizzata per rilevare l'ampiezza verticale di un bersaglio e il movimento verticale. Il radar 4D è attualmente in fase di sviluppo per i più recenti sistemi ADAS, ma questi radar saranno utili anche per la robotica che opera in ambienti complessi, così come per piccoli droni che richiedono un riconoscimento degli oggetti molto preciso. Con un'alta risoluzione angolare e la scansione azimutale, potrebbe essere possibile ridurre la dipendenza da telecamere visive ed elaborazione di immagini ottiche e affidarsi totalmente al radar.

I nuovi componenti per supportare queste aree sono SoC altamente integrati, dove il trasmettitore, l'ADC, il blocco di elaborazione del segnale e l'MCU sono fabbricati sullo stesso die. Questo aiuterà a ridurre le dimensioni totali del sistema e a rendere i nuovi sistemi radar MIMO molto più competitivi rispetto ai radar a array in fase standard.

Altri componenti per supportare i sistemi radar MIMO

I sistemi MIMO necessitano di più che trasmettitori per singoli array poiché gli attuali chipset radar non sono altamente integrati per le applicazioni MIMO. A causa della mancanza di integrazione, i progettisti devono collegare più componenti in un sistema più grande per supportare le applicazioni radar MIMO. Alcuni altri componenti importanti di cui potresti avere bisogno includono:

Con la disponibilità di nuovi trasmettitori per i progetti radar MIMO, potrai trovare questi e altri componenti importanti utilizzando le funzionalità avanzate di ricerca e filtraggio in Octopart. Le funzionalità del motore di ricerca elettronico in Octopart ti danno accesso a dati aggiornati sui prezzi dei distributori, inventario dei pezzi, specifiche dei pezzi e dati CAD, ed è tutto liberamente accessibile in un'interfaccia user-friendly. Dai un'occhiata alla nostra pagina sui circuiti integrati per trovare i componenti di cui hai bisogno.

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