MIMO 레이더 설계 및 부품 선택

작성 날짜: 십일월 30, 2021
업데이트 날짜: 칠월 1, 2024

오늘날의 상업용 레이더 시스템은 위상 배열 안테나를 사용하여 방향 제어와 빔포밍을 달성하며, 시스템 설계자가 고체 각도를 통해 객체를 추적할 수 있게 합니다. 이 기술은 새로운 것이 아니며, 위상 배열 안테나는 1979년 미국의 PAVE PAWS 능동 위상 배열 탄도 미사일 탐지 레이더 시스템이 알래스카에서 온라인 상태가 된 이후 사용되어 왔습니다. 그 이후로 유용한 주파수는 더 높아졌고, 레이더 모듈은 더 작아졌으며, 이러한 시스템의 정확도는 지속적으로 향상되었습니다.

오늘날, 레이더는 객체 탐지나 위치 측정을 넘어서는 목표를 가진 시스템에서 사용됩니다. 첩파 레이더는 동시에 위치와 속도 측정에 사용되며, 일부 신호 처리 기술을 사용하여 정확한 목표를 추출하고 그 위치를 추적합니다. 현재의 자동차는 상대적으로 작은 발자국을 가진 첩파 레이더 모듈을 사용하며, 모듈은 단거리 목표 추적을 위해 K 밴드(~24 GHz) 또는 장거리 목표 추적을 위해 W 밴드(~76-81 GHz)에서 작동합니다. 현재 시스템에서의 어려움은 광범위한 각도 스윕을 통한 객체 탐지를 제공하기 위해 여러 센서 모듈이 필요하지만, 이러한 모듈 간에 조율된 빔포밍이 없기 때문에 해상도가 낮다는 것입니다.

로보틱스와 드론과 같은 다른 분야는 이러한 또는 유사한 레이더 밴드를 사용하고 있으며, 과학 연구 및 이미징에서 특수 응용 분야가 있습니다. 지난 10년 동안 우리는 통신에서 레이더 시스템으로 다른 기술의 통합을 보았습니다: 다중 입력 다중 출력(MIMO) 안테나 설계 및 조정. 이제, 자동차 센서 스위트와 고급 운전자 보조 시스템(ADAS)에 의해 주도되는 레이더 시스템의 추가 진보, 포함하여 MIMO 레이더가 있습니다. 전자 설계자를 위해, 우리는 더 진보된 레이더를 지원하기 위해 필요한 시스템 아키텍처와 MIMO 레이더를 지원하기 위해 현재 사용 가능한 칩셋을 살펴볼 것입니다.

mmWave 레이더의 진보 및 MIMO 도입

mmWave 주파수에서 작동하는 레이더 모듈과 시스템은 현재 세 가지 주요 영역에서 널리 사용되고 있습니다:

자동차: 위에서 언급한 ADAS 시스템은 계속해서 중점을 두고 있으며, 주요 동기는 더 정확한 객체 추적을 가능하게 하는 것이지만, 레이더 측정을 통한 현장 이미징을 가능하게 하면서 전체 센서 수를 줄일 필요성도 있습니다.
로보틱스: 지난 5년 정도 동안 이 분야에 일부 초점이 맞춰졌으며, 그 기간 동안 우리는 공장 자동화, 소형 로봇의 속도 및 위치 제어, 레이더 포인트 클라우드에서의 이미지 분할과 같은 분야에 레이더 센서가 통합되는 것을 보았습니다.
항공우주: 여기서 레이더의 존재는 명백하지만, 이제 작은 자율 UAV 및 드론을 위한 레이더 모듈이 NASA에 의해 실시간 비행 테스트에 초점을 맞추고 있습니다. 이는 좁은 지역에서 자율 드론 항법에 유용하지 않은 GNSS/GPS에 대한 의존도를 줄입니다.

이 시스템들은 동시에 위치와 속도 추적을 가능하게 하고, 시야 내에서 여러 목표를 해석하기 위해 첩파 방송 신호를 사용합니다. 이는 단일 위상 배열에서 빔포밍을 사용한 다음, 시간에 걸쳐 목표 추출 및 추적을 위해 일부 표준 신호 처리 단계를 사용하여 수행됩니다.

오늘날 상용 레이더 모듈은 제가 글을 쓰는 시점에서는 MIMO를 사용하지 않습니다. 그러나 주요 부품 제조업체들은 MIMO 레이더와 연속 레이더를 지원하기 위해 mmWave 칩셋을 도입하고 있습니다. 상용 레이더 모듈, 평가 보드, 그리고 송수신기는 여전히 검증된 중앙 급전 패치 안테나 구조, COTS 레이더 송수신기, 그리고 일부 표준 신호 처리 알고리즘을 사용하고 있습니다. 이는 제 회사가 UAV 응용 프로그램을 위해 설계한 최신 레이더 모듈을 포함합니다.

오늘날 레이더를 위한 기본 위상 배열 안테나 구조입니다. 여기에 표시된 보드 섹션은 텍사스 인스트루먼트 AWR6843 평가 모듈에서 가져왔습니다. 이 설계는 안테나로의 저손실 신호 전파를 지원하기 위해 상단 레이어에 로저스 라미네이트를 사용하는 하이브리드 스택업을 사용합니다.

대상을 구별하고 추적하는 데 관련된 신호 처리 단계는 다소 복잡하며, 이러한 주제에 대한 많은 가이드가 신호 처리 교과서에 있습니다. 이 시스템에서 현재 접근 방식의 단점은 제한된 시야와 거친 해상도에 있습니다. 이러한 이유로 많은 시스템들이 목표 위치와 속도 측정을 위해 낮은 발산으로 엄격한 빔포밍을 사용하고, 여러 모듈을 사용하여 시야를 넓힙니다. 현재 자동차는 위에 표시된 구조를 사용하여 ADAS 시스템의 일부로 넓은 시야를 제공하기 위해 여러 단거리 및 장거리 레이더 모듈을 사용합니다.

이 시스템들이 단거리 레이더에 계속 의존하면서도 더 큰 자율성을 위해 설계될 수록, 이 제품들에 있는 센서 전체 세트는 더 높은 해상도를 가져야 합니다. MIMO 레이더는 아직 대규모로 상용화되지 않은 이 분야의 주요 발전 중 하나입니다.

더 많은 대상을 추적하기 위해 시야를 확장하기 위해 더 많은 모듈을 사용하는 대신 레이더 시스템에 MIMO를 통합하는 이유는 무엇일까요? 공정한 질문이며 MIMO 기술이 레이더 설계에서 유용한 이유가 명확하지 않을 수 있습니다. 분명히, 안테나 배열의 수를 늘리면 더 많은 대상을 추적할 수 있지만, 이 시스템들의 해상도는 여전히 부족합니다. MIMO 레이더는 복잡성을 크게 증가시키지 않고 이 문제를 해결합니다.

MIMO 레이더는 더 높은 각도 해상도를 제공합니다

위의 응용 프로그램을 위해 MIMO 레이더 시스템을 구축하는 데 몇 가지 설득력 있는 이유가 있습니다. MIMO를 사용하는 이유는 추적되는 대상의 수를 늘리는 데 초점을 맞추지 않고, 특히 시야 내에서의 각도 해상도에 대한 대상 추적의 해상도에 초점을 맞춥니다.

MIMO 시스템에서는 직교 신호를 방송하는 Tx 안테나 배열을 가지고 있습니다. Tx 안테나 세트는 위상 배열에서처럼 빔포밍을 생성하기 위해 조정되지 않습니다. 그러나 MIMO 레이더 시스템을 강화하고 싶다면, 각 Tx 배열이 직교 세트의 신호 중 하나로 방송하는 개별 위상 배열을 사용할 수 있습니다. 각 Tx 방출기가 배열이라면, 배열의 각 요소 사이의 표준 위상 제어를 사용하여 빔포밍이 이루어지며, Tx 배열의 각 방출기 사이의 위상이 지연되어 빔포밍과 조향을 제어합니다.

MIMO 레이더의 신호 체인은 위상 배열 레이더에서와 매우 유사합니다.

Rx 배열도 있으며, Tx 안테나에서 방출된 모든 신호를 수신하여 Tx 안테나에서 방출된 각 직교 신호를 분리하기 위해 다중화가 필요합니다. 각 Tx 방송에서 수신된 신호가 직교하기 때문에, 특정 방송 각도에 연결된 일련의 측정값을 가지게 됩니다. 이것이 더 높은 해상도를 제공하는 것입니다: Rx 배열에서 방해된 빔은 전형적인 위상 배열에서와 같은 신호 처리 단계를 사용하여 해석될 수 있으며, 여기서 수신 각도가 도플러 측정에서 속도 및 위치 매개변수와 함께 추출됩니다. 그러나 이제 특정 송신기에 연결된 여러 직교 신호를 감지하고 있습니다. 그런 다음 각 수신 신호를 특정 송신기에 다시 연결하는 것은 단순한 삼각법 계산이며, 매우 높은 정확도로 대상 위치를 추출할 수 있습니다.

또한 배열을 이차원으로 배치하여 PCB에 아지무스 및 극성 빔 해석을 제공하는 패치 안테나 세트를 제공할 수 있습니다. 이는 최첨단 ADAS 시스템을 위해 개발되고 있는 새로운 4D 레이더 모듈에 유용하며, 이를 사용하여 객체의 고도를 감지할 수 있습니다.

여기서 중요한 것은 직교 신호 세트(다중 주파수 또는 다중 치프)로 작동하는 M x N 방출기 배열을 사용하고 있다는 것입니다. 이것이 방송 해상도를 증가시키는 핵심입니다. 전형적인 FMCW 자동차 레이더의 해상도를 두 배로 늘리고 싶은 경우를 생각해 보십시오. 우리는 안테나 요소의 수를 단순히 두 배로 늘림으로써 이를 달성할 수 있습니다. 그러나 우리는 단지 1개의 Tx 안테나를 추가함으로써 같은 결과를 얻을 수 있습니다. 이것이 Rx 측과 Tx 측에서 해상도를 증가시키는 다중 안테나 간의 다중화입니다.

MIMO 레이더를 위한 구성 요소

현대 레이더는 동시에 위치와 속도 추적을 가능하게 하고 매우 정확한 대상 추출을 가능하게 하는 선형 치프 신호(FMCW 레이더로 알려짐)를 사용합니다. 여기서 선택해야 할 핵심 구성 요소는 시스템에서 사용되는 신호를 생성하고 해석하는 데 책임이 있는 신호 처리 블록과 송수신기 블록입니다. 각 Tx 방출기에 대한 신호 생성을 위해 소프트웨어 정의 라디오 접근 방식을 취하는 것도 가능합니다.

FMCW 레이더 펄스를 생성하는 방법은 여러분에게 달려 있지만, 시스템 설계를 돕기 위해 사용할 수 있는 COTS 구성 요소가 있습니다. 이 시스템들이 아직 고도로 통합되지 않았기 때문에, 여러분은 MIMO 레이더 시스템을 만들기 위해 여러 mmWave 구성 요소를 조합해야 합니다.

텍사스 인스트루먼트, AWR1642

텍사스 인스트루먼트의 AWR1642 레이더 송수신기는 자동차 응용 분야를 대상으로 하며 FMCW 레이더 시스템을 위한 그들의 표준 송수신기 구성 요소 중 하나입니다. 이 구성 요소는 여러 중심 급전 패치 안테나 어레이를 사용하여 신호를 방송하고 수신하는 공간적 다중화 방식으로 사용될 수 있습니다. MIMO 레이더는 각 Tx 섹션에서 다른 서브캐리어로 방송함으로써 구현됩니다.

AWR1642 송수신기의 블록 다이어그램, AWR1642 데이터시트에서

텍사스 인스트루먼트의 IWR6843 레이더 송수신기는 60에서 64 GHz에서 작동하는 산업 응용 프로그램 및 이미징 응용 프로그램을 대상으로 합니다. 이 새로운 송수신기는 시스템 설계자들에게 레이더 옵션을 확장하며, 여러 송수신기를 사용한 공간 다중화로 MIMO 레이더를 여전히 구현할 수 있습니다. 이 특정 구성 요소는 -93 dBc @ 1 MHz의 매우 낮은 위상 잡음, 12 dBm의 높은 Tx 전력, 통합된 PLL 및 통합된 ADC를 제공합니다. 구성은 표준 저속 디지털 인터페이스를 통해 구현됩니다. 기능적으로 이 구성 요소는 위에 표시된 자동차 송수신기와 매우 유사합니다.

MIMO 레이더 시스템과 함께하는 더 많은 혁신

앞서 언급했듯이, MIMO 레이더에서의 다가오는 분야 중 하나는 4D 레이더입니다. 이 시스템들은 mmWave 주파수에서 작동하는 수십 개의 방사 요소를 사용하며, Tx 빔은 극각과 방위각을 따라 스캔됩니다. 방위각 스캔은 대상의 수직 범위와 수직 운동을 감지하는 데 사용됩니다. 4D 레이더는 현재 가장 최신의 ADAS 시스템을 위해 개발되고 있지만, 이 레이더는 복잡한 환경에서 작동하는 로봇뿐만 아니라 매우 정밀한 객체 인식이 필요한 소형 드론에도 유용할 것입니다. 높은 각도 해상도와 방위각 스캔을 통해 시각 카메라와 광학 이미지 처리에 대한 의존성을 줄이고 전적으로 레이더에 의존할 수 있을지도 모릅니다.

이러한 분야를 지원하는 새로운 구성 요소는 송수신기, ADC, 신호 처리 블록 및 MCU가 동일한 다이에 제작된 고도로 통합된 SoC입니다. 이는 전체 시스템 크기를 줄이고 새로운 MIMO 레이더 시스템을 표준 위상 배열 레이더와 훨씬 더 경쟁력 있게 만들 것입니다.

MIMO 레이더 시스템을 지원하는 기타 구성 요소

MIMO 시스템은 개별 배열을 위한 송수신기 이상이 필요합니다. 현재 레이더 칩셋은 MIMO 응용 프로그램을 위해 고도로 통합되어 있지 않기 때문입니다. 통합이 부족하기 때문에, 설계자들은 MIMO 레이더 응용 프로그램을 지원하기 위해 여러 구성 요소를 더 큰 시스템으로 연결해야 합니다. 여러분이 필요할 수도 있는 몇 가지 다른 중요한 구성 요소는 다음과 같습니다:

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