MIMOレーダーの設計と部品選択

投稿日 2021/11/30, 火曜日
更新日 2024/07/1, 月曜日

現代の商用レーダーシステムは、位相配列アンテナを用いて方向制御とビームフォーミングを実現し、システム設計者が立体角上で物体を追跡できるようにしています。この技術は新しいものではありません。位相配列アンテナは、1979年にアラスカで米国のPAVE PAWSアクティブ位相配列弾道ミサイル検出レーダーシステムがオンラインになって以来、使用されてきました。その時以来、使用される周波数は高くなり、レーダーモジュールは小さくなり、これらのシステムの精度は着実に向上してきました。

現在、レーダーは物体検出や位置測定を超えた目的でシステムに使用されています。チャープレーダーは、位置と速度の同時測定に使用され、いくつかの信号処理技術が正確なターゲットを抽出し、その位置を追跡するために使用されます。現在の自動車は、比較的小さなフットプリントを持つチャープレーダーモジュールを使用しており、短距離ターゲット追跡用にKバンド（約24 GHz）または長距離ターゲット追跡用にWバンド（約76-81 GHz）で動作します。現在のシステムでの難しさは、広い角度範囲での物体検出を提供するために複数のセンサーモジュールが必要であることと、これらのモジュール間でビームフォーミングが調整されていないため、解像度が低いことです。

ロボティクスやドローンのような他の分野も、これらまたは類似のレーダーバンドを利用しており、科学研究やイメージングにおける特殊なアプリケーションもあります。過去10年間で、テレコムからレーダーシステムにもう一つの技術が統合されました：多入力多出力（MIMO）アンテナ設計とオーケストレーション。現在、自動車センサースイートと先進運転支援システム（ADAS）によって推進されるレーダーシステムのさらなる進歩、MIMOレーダーを含む、があります。電子設計者にとって、より高度なレーダーをサポートするために必要なシステムアーキテクチャと、MIMOレーダーをサポートするための現在のチップセットを見ていきます。

mmWaveレーダーの進歩とMIMOの導入

mmWave周波数で動作するレーダーモジュールとシステムは、現在、主に3つの分野で広く使用されています：

自動車：上記でADASシステムについて言及しましたが、これは引き続き焦点となります。主な動機はより正確な物体追跡を可能にすることですが、レーダー測定によるインシチュイメージングを可能にしながら、センサーの総数を減らす必要性もあります。
ロボティクス：この分野には過去5年ほどの間にいくつかの焦点が当てられており、その期間にわたって、工場の自動化、小型ロボットの速度と位置制御、レーダーポイントクラウドからの画像分割などの分野にレーダーセンサーが統合されてきました。
航空宇宙：ここでのレーダーの存在は明らかですが、現在、小型の自律型UAVやドローン用のレーダーモジュールが注目され、NASAによる実際の飛行テストが行われています。これは、狭いエリアでの自律型ドローンナビゲーションには役立たないGNSS/GPSによるナビゲーションへの依存を減らします。

これらのシステムは、チャープ放送信号を使用して位置と速度の追跡を同時に可能にし、視野内の複数のターゲットを解釈します。これは、単一の位相配列でのビームフォーミングに続いて、標準的な信号処理手順を使用して、時間をかけてターゲットの抽出と追跡を行います。

現在市販されているレーダーモジュールは、少なくとも私がこの記事を書いている時点では、MIMOを使用していません。しかし、主要なコンポーネントメーカーは、MIMOレーダーやカスケードレーダーを含むFMCWレーダーのユニークなアプリケーションをサポートするためのmmWaveチップセットを導入しています。商用レーダーモジュール、評価ボード、トランシーバーは、依然として実績のある中心給電パッチアンテナアーキテクチャ、COTSレーダートランシーバー、およびいくつかの標準的な信号処理アルゴリズムを使用しています。これには、私の会社がUAVアプリケーション用に設計した最新のレーダーモジュールも含まれます。

今日のレーダー用の基本的な位相配列アンテナアーキテクチャ。ここに示されているボードセクションは、テキサス・インスツルメンツAWR6843評価モジュールからのものです。この設計は、アンテナへの低損失信号伝播をサポートするために、上層にロジャース積層材を使用したハイブリッドスタックアップを使用しています。

ターゲットを区別し、追跡するための信号処理ステップはやや複雑であり、これらのトピックに関する多くのガイドが信号処理の教科書にあります。これらのシステムでは、現在のアプローチの欠点は、限定された視野と粗い解像度にあります。このため、多くのシステムは、ターゲットの位置と速度の測定のために狭いビームフォーミングを使用し、複数のモジュールを使用して視野を広げています。現在の自動車は、上記のアーキテクチャを使用した複数の短距離および長距離レーダーモジュールを使用して、ADASシステムの一部として広い視野を提供しています。

これらのシステムが短距離レーダーに依存し続ける限り、かつ、より大きな自律性のために設計されている限り、これらの製品のセンサースイート全体は、より高い解像度を持つように改善される必要があります。MIMOレーダーは、まだ大々的に商業化されていないこの分野の主要な進歩の一つです。

視野を拡大してより多くのターゲットを追跡するために、なぜMIMOをレーダーシステムに統合するのか？それは公平な質問であり、MIMO技術がレーダーデザインでどのように役立つかは明らかではないかもしれません。明らかに、アンテナアレイの数を増やすことでより多くのターゲットの追跡が可能になりますが、これらのシステムの解像度は依然として不足しています。MIMOレーダーは、複雑さを大幅に増加させることなくこの問題を解決します。

MIMOレーダーはより高い角度解像度を提供します

上記のアプリケーションのためにMIMOレーダーシステムを構築するにはいくつかの説得力のある理由があります。MIMOを使用する理由は、追跡されるターゲットの数を増やすことに焦点を当てているのではなく、特に視野内での角度解像度におけるターゲット追跡の解像度に関係しています。

MIMOシステムでは、直交信号を放送するTxアンテナの配列があります。Txアンテナのセットは、位相配列で行うようなビームフォーミングを生成するために調整されていません。しかし、MIMOレーダーシステムを強化したい場合は、各Txエミッターに個別の位相配列を使用できます。ここで、各Tx配列は直交セットの信号の1つを放送します。各Txエミッターが配列である場合、ビームフォーミングは標準的な配列内の各要素間の位相制御を使用して達成されます。ここで、Tx配列内の各エミッター間の位相は、ビームフォーミングとステアリングを制御するために遅延されます。

MIMOレーダーの信号チェーンは、位相配列レーダーのそれと非常に似ています。

Rx配列もあり、Txアンテナからのすべての信号を受信し、Txアンテナから放出された各直交信号を分離するために多重化が必要です。各Tx放送から受信された信号が直交しているため、特定の放送角度にリンクされた一連の測定値が得られます。これが高解像度を提供するものです：Rx配列で干渉されたビームは、典型的な位相配列での同じ信号処理ステップを使用して解釈され、受信角度がドップラー測定から速度および位置パラメータとともに抽出されます。しかし、現在は特定の送信機にリンクされた複数の直交信号を感知しています。それから、受信した各信号を特定の送信機にリンクさせ、非常に高い精度で目標位置を抽出するための単純な三角測量計算になります。

また、配列を二次元で配置し、PCB上に一連のパッチアンテナを提供することで、方位角と極角のビーム解釈を提供できます。これは、最先端のADASシステム用に開発されている新しい4Dレーダーモジュールにとって有用であり、物体の高さを感知するために使用できます。

ここで重要なのは、直交信号のセット（複数の周波数または複数のチャープ）で動作するM×Nのエミッター配列を使用していることであり、これが放送解像度の向上の鍵となります。典型的なFMCW自動車レーダーの解像度を倍増させたい場合を考えてみましょう。これは、アンテナ要素の数を単純に倍増させることで実現できます。しかし、1つのTxアンテナを追加するだけでも同じ結果を得ることができます。この複数のアンテナ間の多重化が、Rx側とTx側の解像度を向上させます。

MIMOレーダーのコンポーネント

現代のレーダーは、同時に位置と速度を追跡し、非常に正確な目標抽出を可能にする線形にチャープされた信号（FMCWレーダーとして知られている）を使用します。ここで選択する重要なコンポーネントは、システムで使用される信号を生成および解釈する責任を持つ信号処理ブロックとトランシーバーブロックです。また、各Txエミッターの信号生成にソフトウェア定義ラジオアプローチを採用することも可能です。

FMCWレーダーパルスの生成方法はお任せしますが、システム設計を支援するために使用できるCOTSコンポーネントがあります。これらのシステムはまだ高度に統合されていないため、MIMOレーダーシステムを作成するために複数のmmWaveコンポーネントを組み合わせる必要があります。

テキサス・インスツルメンツ、AWR1642

テキサス・インスツルメンツのAWR1642レーダートランシーバーは自動車アプリケーションを対象としており、FMCWレーダーシステム用の標準トランシーバーコンポーネントの1つです。このコンポーネントは、複数の中心給電パッチアンテナアレイを使用して信号を送受信する空間多重方式で使用できます。MIMOレーダーは、各Txセクションから異なるサブキャリアで放送することによって実装されます。

AWR1642トランシーバーのブロック図、AWR1642データシートより

テキサス・インスツルメンツのIWR6843レーダートランシーバーは、60〜64 GHzで動作する産業用アプリケーションおよびイメージングアプリケーションを対象としています。この新しいトランシーバーは、システム設計者にとってレーダーオプションを拡大し、複数のトランシーバーを使用した空間多重化によってMIMOレーダーを実装することができます。この特定のコンポーネントは、-93 dBc @ 1 MHzの非常に低い位相ノイズ、12 dBmの高いTxパワー、統合PLL、および統合ADCを提供します。構成は標準の低速デジタルインターフェースを介して実装されます。機能的には、上記の自動車用トランシーバーとほぼ同じです。

MIMOレーダーシステムにおけるさらなるイノベーション

以前に述べたように、MIMOレーダーの今後の分野の1つは4Dレーダーです。これらのシステムは、mmWave周波数で動作する数十の放射要素を使用し、Txビームは極角と方位角でスキャンされます。方位角スキャンは、ターゲットの垂直範囲と垂直運動を検出するために使用されます。4Dレーダーは現在、最新のADASシステム向けに開発されていますが、これらのレーダーは複雑な環境で動作するロボティクスや、非常に正確な物体認識が必要な小型ドローンにも役立ちます。高い角度分解能と方位角スキャンにより、視覚カメラや光学画像処理への依存を減らし、完全にレーダーに依存することが可能になるかもしれません。

これらの分野をサポートする新しいコンポーネントは、トランシーバー、ADC、信号処理ブロック、およびMCUが同じダイ上に製造された高度に統合されたSoCです。これにより、全体的なシステムサイズが削減され、新しいMIMOレーダーシステムを標準の位相配列レーダーとより競争力のあるものにするのに役立ちます。

MIMOレーダーシステムをサポートするその他のコンポーネント

MIMOシステムには、個々のアレイ用のトランシーバー以上のものが必要です。現在のレーダーチップセットはMIMOアプリケーション用に高度に統合されていないためです。統合が不足しているため、設計者はMIMOレーダーアプリケーションをサポートするために複数のコンポーネントをより大きなシステムにリンクする必要があります。必要になるかもしれないその他の重要なコンポーネントには以下が含まれます：

MIMOレーダーデザイン用の新しいトランシーバーが利用可能になるにつれて、これらの重要なコンポーネントをOctopartの高度な検索およびフィルタリング機能を使用して見つけることができます。Octopartの電子部品検索エンジン機能により、更新されたディストリビューターの価格データ、部品在庫、部品仕様、CADデータにアクセスでき、すべてがユーザーフレンドリーなインターフェースで自由に利用可能です。統合回路のページをご覧ください必要なコンポーネントを見つけてください。

最新の記事を読むために、ニュースレターにサインアップしてください。