mmWave 센서: ADAS, 로봇공학 및 보안을 위한

작성 날짜: 칠월 11, 2022
업데이트 날짜: 칠월 1, 2024

오늘날의 전자기기는 센서와 HMI 시스템의 보편적 사용 덕분에 주변 세계와 더욱 통합되고 있습니다. 오늘날의 mmWave 센서는 IC 형태와 모듈 형태로 제공되며, 로봇공학, UAV, ADAS, 보안 등 많은 시스템에 대해 컴팩트한 솔루션을 제공합니다. mmWave 센싱의 가장 인식 가능한 응용 분야는 레이더와 무선, 특히 5G 및 다가오는 6G 시스템에 속합니다.

이 두 분야가 가장 잘 알려져 있지만, mmWave 엔지니어와 시스템 디자이너에게 기회의 영역은 이것만이 아닙니다. mmWave 센서는 제스처 인식, 탑승자 또는 객체 감지, 생명 징후 측정, 심지어 이미징과 같은 다른 작업에도 유용합니다. 이러한 응용 분야에서 mmWave 송수신기와 센서는 시스템 엔지니어가 제품을 구축하는 데 필요한 기술적 가능성을 제공합니다.

mmWave 센서가 필요한 시스템을 설계하고 있다면, mmWave 시스템에 다양한 기능을 가능하게 하는 시장에서 여러 옵션을 찾을 수 있습니다.

mmWave 센서 및 응용 분야 예시

5G 및 자동차 레이더를 넘어 mmWave 방사 및 감지에는 여러 응용 분야가 있으며, 이러한 분야의 특정 시스템에 맞춰진 구성 요소가 있습니다. 다른 구성 요소는 mmWave 시스템에서 일반적인 사용을 위한 것으로, 새로운 시스템 디자인 및 아키텍처에 대한 연구에 적합한 도구입니다.

아래에서는 오늘날 mmWave 센서가 사용되고 있는 주요 상업화 가능한 분야와 새로운 제품을 구축할 기회를 찾을 수 있는 곳을 살펴보겠습니다.

자동차 레이더

첫 번째 영역은 자동차 운전자 보조 시스템(ADAS)으로, 여기서 레이더는 다중 센서(광학, 초음파, 단거리/장거리 레이더)와 함께 자동차 안전을 위해 사용됩니다. 차량 내 단거리 레이더에는 24 GHz에서 작동하는 mmWave 센서가 사용되며, 사각지대 모니터링, 장애물 감지, 충돌 회피와 같은 응용 프로그램에 사용됩니다. 이러한 단거리 레이더는 24 GHz의 ISM 대역 또는 21.65에서 26.65 GHz의 초광대역(UWB)을 사용해 왔습니다. 그러나 UWB 대역은 미국과 유럽의 규제 제약으로 인해 2022년까지 사용되지 않게 될 것입니다.

오늘날의 광시야각 레이더와 장거리 초점 레이더는 77 GHz 캐리어로 작동하며, 후자는 약 250m까지의 범위를 제공할 수 있습니다. 상용 레이더 모듈은 주파수 변조 연속파(FMCW) 차프 레이더 신호의 전송 및 수신을 위해 중앙 급전 패치 안테나를 사용합니다. 중앙 급전 패치 안테나의 사용은 이러한 레이더에 필요한 빔 조향, 방향 감지, 광시야각을 제공합니다.

드론 및 로봇공학

무인 항공기(UAV)와 로봇은 주변 세계를 "보고" 환경 속 외부 객체를 추적하기 위해 레이더가 필요합니다. 드론과 산업용이나 가정용과 같은 다른 로봇들은 ISM 대역에서 24 GHz로 작동하거나 더 높은 해상도 응용 프로그램을 위해 60 GHz에서 작동할 수 있습니다. 자동차 레이더와 마찬가지로, 이러한 시스템은 mmWave 신호와 센서를 최대한 활용하기 위해 복잡한 처리 알고리즘과 함께 여러 센서의 데이터를 융합해야 합니다.

보안

이 분야는 아직 잘 알려지지 않았지만, 레이더는 사람 계수, 객체 감지 및 객체 추적을 위한 보안 시스템에 통합될 수 있습니다. 스마트 인프라는 mmWave 센서를 객체 감지 및 추적에 사용할 수 있는 더 일반적인 영역입니다. mmWave 레이더와 센서는 보안이 주요 응용 프로그램인 엣지 컴퓨팅 시스템으로 컴퓨팅 인식을 가져오는 데 중요한 역할을 했습니다. 이러한 레이더는 비용과 시야각 때문에 광학 솔루션(즉, 카메라로 객체 인식)이 실패하는 곳에서 성공합니다. 광학 객체 인식을 그렇게 멀리서 정확하게 하려면 시야각을 희생해야 하며, 더 비싼 광학 조립이 필요합니다. 보안 카메라 시스템에서 mmWave 레이더와 센서는 유용한 객체 추적 솔루션을 만듭니다.

고해상도 및 이미징 시스템

mmWave 송수신기는 목표를 감지하는 데 매우 유용하지만, 이러한 시스템은 일반적으로 이미징에는 효과적이지 않았습니다. 이에는 여러 가지 이유가 있는데, 주로 고해상도 빔포밍이 필요하기 때문입니다. 시스템 설계 측면에서 빔포밍과 관련된 도전적인 문제는 해상도와 송신기 수 사이의 관계입니다. 더 높은 해상도 이미징은 더 많은 송신기를 필요로 하며, 이는 원하는 전파 방향에 대한 위상 지연을 설정하기 위해 여러 송신기 간의 동기화를 필요로 합니다.

많은 수의 송신기에서 더 많은 신호를 동기화하려면, 이상적으로 중간 주파수(IF) 오실레이터인 저주파 클록으로 여러 송수신 칩을 동기화해야 합니다. 이 동기 오실레이터는 특정 구성 요소에서만 사용할 수 있으며; 이 유형의 시스템은 여러 구성 요소에서 파동 방출을 조율하기 때문에 캐스케이드 시스템입니다.

아래에는 단일 mmWave 센서에서 Tx/Rx 동기화를 보여주는 예제 블록 다이어그램이 나와 있습니다. 이러한 블록 다이어그램의 복수는 동일한 오실레이터(LO) 및 클록(CLK)과 동기화되어 병렬로 배치되며, 이를 통해 위상 동기 방식으로 방출하는 다수의 송신기를 얻을 수 있습니다.

영상 처리에서 다른 중요한 요소는 시스템에서 생성하는 방대한 양의 데이터를 처리하는 것입니다. 이러한 데이터를 시스템 컨트롤러(보통 적절한 IP를 갖춘 FPGA)로 전송하는 것은 매우 높은 데이터 전송률 프로토콜을 라우팅하는 것을 요구합니다; 레이더 영상 시스템의 최신 기술은 데이터 전송을 위해 10G 이상의 이더넷을 사용합니다.

mmWave 센서 대 레이더 수신기

레이더 송수신기로 마케팅되는 제품과 mmWave 센서의 차이점은 무엇일까요? 솔직히 말해서, 그들이 목표로 하는 응용 분야, 신호가 어떻게 생성되고 사용되는지, 그리고 mmWave 구성 요소에 통합된 기능의 수를 제외하고는 큰 차이가 없습니다. 오늘날의 레이더 모듈은 특정 응용 프로그램을 위한 전문 레이더 송수신기를 사용할 것입니다. 여기서 자동차 레이더 송수신기가 좋은 예입니다. mmWave 센서는 물체 및 수준 감지, 사람 계수 및 추적 또는 기타 작업과 같은 더 일반적인 응용 프로그램을 위해 마케팅될 것입니다.

다른 주요 차이점은 기능 통합 수준입니다. 매우 특정한 응용 프로그램을 목표로 하는 구성 요소는 응용 프로그램에 필요한 기능(하드웨어 아키텍처 및 펌웨어 측면 모두에서)을 포함할 것입니다. 더 특정한 응용 프로그램에 일반 목적의 mmWave 센서를 맞추려고 하면 외부 MCU 또는 다른 구성 요소를 보완해야 할 수도 있습니다.

일반 목적의 mmWave 센서 몇 가지

Texas Instruments IWR1642

Texas Instruments의 IWR1642 mmWave 센서는 레이더 송수신기로도 기능할 수 있는 일반적인 목적의 mmWave 센서의 한 예입니다. 필요한 경우 방향 제어를 위해 4개의 Rx 채널과 2개의 Tx 채널을 포함합니다. 모든 기능은 표준 인터페이스(SPI, I2C, UART, GPIO) 또는 원시 ADC 데이터 접근을 위한 2-레인 LVDS 인터페이스를 통해 외부 MCU를 통해 프로그래밍할 수 있습니다. 이 센서는 76에서 81 GHz까지의 작동을 위해 설계되었으며 보안 및 산업 모니터링과 같은 응용 프로그램을 위한 통합 FMCW 신호 처리 기능을 제공합니다.

Texas Instruments IWR6843

Texas Instruments의 IWR6843 mmWave 센서 IC는 이전 구성 요소보다 더 일반적인 목적을 가지고 있습니다. 이 구성 요소는 기능 안전 응용 프로그램 및 자동화와 같은 60에서 64 GHz 범위의 응용 프로그램을 목표로 합니다. 이 mmWave 센서에는 고급 신호 처리를 위한 온칩 DSP 블록과 객체 식별 및 추적을 위한 FFT 기능, 필터링 및 CFAR 처리를 위한 하드웨어 가속기가 포함되어 있습니다. Texas Instruments에서 이 구성 요소를 기반으로 한 플러그인 안테나 모듈(IWR6843ISK)도 제공됩니다.

Infineon BGT24LTR11 인피니언의 BGT24LTR11 mmWave 센서는 매우 작은 크기로 24 GHz 애플리케이션을 대상으로 합니다. 이 구성 요소는 1개의 Tx와 1개의 Rx 채널만을 사용하기 때문에 단일 구성 요소로는 빔포밍을 통한 방향 제어가 불가능합니다. 그러나 추가 Tx/Rx 안테나 인터페이스를 제거함으로써 다른 mmWave 센서나 레이더 송수신기보다 훨씬 작은 크기를 제공하므로, 이는 간단한 송신기/수신기로 사용될 수 있습니다. 작은 크기, 방향성 없음, 24 GHz에서의 낮은 전력 소비가 필요한 모든 애플리케이션은 이 구성 요소로부터 혜택을 받을 수 있습니다.

이 유형의 구성 요소에 대한 다른 옵션은 고정밀, 고일관성 24 GHz 신호의 빔포밍을 캐스케이딩을 통해 구현하는 것입니다. 이러한 구성 요소로 고유한 MIMO 시스템도 가능합니다. 단일 Rx/Tx 채널 쌍 외에, 이러한 구성 요소의 주요 장점은 입력 조정 전압 핀을 통한 온도 구동 주파수 드리프트 보상입니다. 이는 온도 드리프트를 보상하기 위해 PLL/MCU가 필요 없게 합니다.

mmWave 제품을 위한 기타 구성 요소

mmWave 애플리케이션은 여전히 전개 중이며 주파수는 더 높은 한계로 밀려나고 있습니다. 위에 나열된 애플리케이션은 또한 완전한 시스템을 구축하기 위해 다양한 다른 구성 요소가 필요합니다. 설계자가 필요할 수 있는 기타 구성 요소에는 다음이 포함됩니다:

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