mmWaveセンサー：ADAS、ロボティクス、およびセキュリティ向け

投稿日七月 11, 2022
更新日七月 1, 2024

現代の電子機器は、センサーやHMIシステムの広範な使用により、周囲の世界とより一体化しています。現在のmmWaveセンサーはIC形式とモジュール形式で提供されており、ロボティクス、UAV、ADAS、セキュリティなど多くのシステムにコンパクトなソリューションを提供します。mmWaveセンシングの最も認識されやすい応用分野は、レーダーと無線、特に5Gおよび今後の6Gシステムに分かれます。

これら2つの分野が最も認識されているとしても、mmWaveエンジニアやシステム設計者にとっての機会の領域はこれらに限られません。mmWaveセンサーは、ジェスチャー認識、居住者または物体検出、生命徴候測定、さらにはイメージングなど、他のタスクにも役立ちます。これらの応用分野では、mmWaveトランシーバーとセンサーが、システムエンジニアが製品を構築するために必要な技術的なエンエーブラーです。

mmWaveセンサーが必要なシステムを設計している場合、市場にはmmWaveシステムの多様な機能を可能にする複数のオプションがあります。

mmWaveセンサーと応用分野の例

5Gや自動車レーダーを超えるmmWave放射とセンシングの応用分野が複数あり、これらの分野の特定のシステムに特化したコンポーネントが利用可能です。他のコンポーネントはmmWaveシステムの一般的な使用に適しており、新しいシステム設計とアーキテクチャの研究に適したツールとなっています。

以下では、現在mmWaveセンサーが使用されている主要な商業化可能な分野と、新しい製品を構築する機会を見つけることができる場所について探ります。

自動車レーダー

最初の分野は、自動車の安全性のために複数のセンサー（光学、超音波、短距離/長距離レーダー）とともに使用される自動車運転支援システム（ADAS）です。24 GHzで動作するmmWaveセンサーは、盲点モニタリング、障害物検出、衝突回避などのアプリケーションにおいて、車両の短距離レーダーに使用されています。これらの短距離レーダーは、24 GHzのISMバンドまたは21.65 GHzから26.65 GHzの超広帯域（UWB）を使用してきました。しかし、UWBバンドは、米国およびヨーロッパの規制制約により2022年までに廃止される予定です。

現在の広視野レーダーと長距離焦点レーダーは、77 GHzのキャリアで動作し、後者は約250 mの範囲を提供することができます。商用レーダーモジュールは、周波数変調連続波（FMCW）チャープレーダーシグナルの送受信に中心給電パッチアンテナを使用しています。中心給電パッチアンテナの使用により、これらのレーダーに必要なビームステアリング、方向検出、広視野が提供されます。

ドローンとロボティクス

UAVやロボットは、周囲の世界を「見る」ためや環境内の外部オブジェクトを追跡するためにレーダーが必要です。ドローンや産業用ロボット、家庭用ロボットなどの他のロボットは、ISMバンドの24 GHzで動作することも、より高解像度のアプリケーションのために60 GHzで動作することもできます。自動車用レーダーと同様に、これらのシステムは複数のセンサーからのデータを融合し、mmWave信号とセンサーを最大限に活用するために高度な処理アルゴリズムが必要です。

セキュリティ

この分野はまだあまり知られていないが、レーダーは人数カウント、オブジェクト検出、オブジェクト追跡のためにセキュリティシステムに統合することができます。スマートインフラは、オブジェクト検出と追跡にmmWaveセンサーを使用できるより一般的な分野です。mmWaveレーダーとセンサーは、主にセキュリティでのアプリケーションを持つエッジコンピューティングシステムへの計算知覚の導入に不可欠でした。これらのレーダーは、コストと視野のために（例えば、カメラでのオブジェクト認識のような）光学的解決策が単純に失敗する場所で成功します。遠距離で正確な光学的オブジェクト認識を行うには、視野を犠牲にし、より高価な光学アセンブリが必要です。セキュリティカメラシステムのmmWaveレーダーとセンサーは、有用なオブジェクト追跡ソリューションを作り出します。

高解像度およびイメージングシステム

mmWave発信機と受信機はターゲットを検出するのに非常に有用ですが、これらのシステムは一般的にイメージングには効果的ではありませんでした。これにはいくつかの理由があり、主に高解像度ビームフォーミングの必要性があります。システム設計におけるビームフォーミングの難しい問題は、解像度と発信機の数との関係です。高解像度イメージングにはより多くの発信機が必要であり、これは望ましい伝播方向の間で放送信号間の位相遅延を設定するために複数の発信機間の同期を必要とします。

大量の発信機を横断してより多くの信号を同期させるためには、低周波数クロック、理想的には中間周波数（IF）オシレーターによって複数のトランシーバーチップが同期される必要があります。この同期オシレーターは特定のコンポーネントでのみ利用可能であり、このタイプのシステムは複数のコンポーネントからの波の放出を調整するためのカスケードシステムです。

以下に示すのは、単一のmmWaveセンサー内のTx/Rx同期を示す例のブロック図です。これらのブロック図の複数が並列に配置され、同じオシレーター（LO）とクロック（CLK）で同期されています。これにより、位相同期的に放出される発信機の多重性が得られます。

イメージングにおいてもう一つ重要な要素は、システムで生成される膨大なデータ量を扱うことです。これらのデータをシステムコントローラー（通常は適切なIPを備えたFPGA）に送信するには、非常に高いデータレートのプロトコルをルーティングする必要があります。レーダーイメージングシステムの最先端技術では、データ転送に10G以上のイーサネットを使用しています。

mmWaveセンサー対レーダーレシーバー

レーダートランシーバーとして販売されている製品とmmWaveセンサーの違いは何でしょうか？正直なところ、ターゲットとするアプリケーション領域、信号の生成と使用方法、mmWaveコンポーネントに統合されている機能の数を除けば、それほど違いはありません。今日のレーダーモジュールは、特定のアプリケーション用に特殊なレーダートランシーバーを使用します。ここで、自動車用レーダートランシーバーが素晴らしい例です。mmWaveセンサーは、物体やレベルの検出、人のカウントと追跡、またはその他のタスクなど、より一般的なアプリケーション向けに販売されます。

もう一つの主な違いは、機能統合のレベルです。非常に特定のアプリケーションを対象とするコンポーネントは、そのアプリケーションに必要な機能（ハードウェアアーキテクチャとファームウェアの両方の観点から）を含むでしょう。より特定のアプリケーションに一般的な目的のmmWaveセンサーを適合させようとすると、外部のMCUや他のコンポーネントを補う必要があるかもしれません。

いくつかの一般的な目的のmmWaveセンサー

Texas Instruments IWR1642

Texas InstrumentsのIWR1642 mmWaveセンサーは、レーダートランシーバーとしても機能する一般的な目的のmmWaveセンサーの一例です。方向制御が必要な場合に備えて、4つのRxチャネルと2つのTxチャネルが含まれています。すべての機能は、標準インターフェース（SPI、I2C、UART、GPIO）または生のADCデータアクセス用の2レーンLVDSインターフェースを介して外部MCUからプログラム可能です。このセンサーは76から81 GHzの動作を設計されており、セキュリティや産業監視などのアプリケーションに統合されたFMCW信号処理機能を提供します。

Texas Instruments IWR6843

Texas InstrumentsのIWR6843 mmWaveセンサーICは、前述のコンポーネントよりもさらに一般的な目的に適しています。このコンポーネントは、機能安全性アプリケーションやオートメーションなど、60から64 GHzの範囲のアプリケーションを対象としています。このmmWaveセンサーには、オブジェクトの識別と追跡のためのFFT機能、フィルタリング、CFAR処理のハードウェアアクセラレータとともに、高度な信号処理用のオンチップDSPブロックが含まれています。Texas Instrumentsから利用可能なこのコンポーネントに基づくプラグインアンテナモジュール（MPN: IWR6843ISK）もあります。

Infineon BGT24LTR11 InfineonのBGT24LTR11 mmWaveセンサーは、非常に小さなフットプリントで24 GHzアプリケーションを対象としています。このコンポーネントは1つのTxと1つのRxチャネルのみを使用するため、単一のコンポーネントでビームフォーミングによる方向制御はありません。しかし、余分なTx/Rxアンテナインターフェースを排除することで、他のmmWaveセンサーやレーダートランシーバーよりもはるかに小さなフットプリントを実現しており、これによりシンプルな発信器/検出器として使用できます。小さなフットプリント、方向性のなさ、低消費電力が24 GHzで求められるあらゆるアプリケーションにこのコンポーネントが役立ちます。

このタイプのコンポーネントに別のオプションとしては、カスケードによる高い安定性と高いコヒーレンスを持つ24 GHz信号のビームフォーミングを実装することがあります。これらのコンポーネントを使用したユニークなMIMOシステムも可能です。単一のRx/Txチャネルペア以外の、これらのコンポーネントの主な利点は、入力チューニング電圧ピンを通じた温度駆動周波数ドリフト補償です。これにより、PLL/MCUを使用して温度ドリフトを補償する必要がなくなります。

mmWave製品のための他のコンポーネント

mmWaveアプリケーションはまだ展開中であり、周波数はより高い限界に押し上げられています。上記のアプリケーションには、完全なシステムを構築するために他のさまざまなコンポーネントも必要です。設計者が必要とする他のコンポーネントには以下が含まれます：

mmWaveセンサーが必要であれ統合レーダートランシーバーが必要であれ、Octopartを使用すれば必要な部品を見つけ、最新のコンポーネント開発に追いつくことができます。高度な検索とフィルタリング機能をOctopartで使用すると、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、仕様にアクセスでき、それらはすべて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。次のRFシステム用のRFデバイスページをご覧ください。

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