Design de Radar MIMO e Seleção de Componentes

Criada: Novembro 30, 2021
Atualizada: Julho 1, 2024

Os sistemas comerciais de radar atuais alcançam controle direcional e formação de feixe com antenas de arranjo em fase, dando ao projetista de sistemas a capacidade de rastrear objetos sobre um ângulo sólido. Esta tecnologia não é nova, antenas de arranjo em fase têm sido usadas desde 1979, quando o sistema de radar de detecção de mísseis balísticos ativo PAVE PAWS dos EUA entrou em operação no Alasca. Desde então, as frequências úteis se tornaram mais altas, os módulos de radar se tornaram menores e a precisão desses sistemas aumentou constantemente.

Hoje, o radar é usado em sistemas com objetivos além da detecção de objetos ou medições de posição. O radar modulado é usado para medições simultâneas de posição e velocidade, com algumas técnicas de processamento de sinal usadas para extrair alvos precisos e rastrear suas posições. Os automóveis atuais usam módulos de radar modulado com uma pegada relativamente pequena, operando na banda K para rastreamento de alvos de curto alcance (~24 GHz) ou na banda W para rastreamento de alvos de longo alcance (~76-81 GHz). A dificuldade nos sistemas atuais está na necessidade de múltiplos módulos de sensor para fornecer detecção de objetos em varreduras angulares amplas, ainda que a resolução seja baixa, pois não há formação de feixe orquestrada entre esses módulos.

Outras áreas como robótica e drones estão fazendo uso dessas ou de bandas de radar semelhantes, e há aplicações especializadas em pesquisa científica e imagem. Ao longo dos últimos 10 anos, vimos a integração de outra técnica de telecomunicações em sistemas de radar: design de antena de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO) e orquestração. Agora, o progresso adicional nos sistemas de radar, incluindo radar MIMO, está sendo impulsionado por conjuntos de sensores automotivos e sistemas avançados de assistência ao motorista (ADAS). Para os projetistas de eletrônicos, vamos examinar a arquitetura do sistema necessária para suportar radares mais avançados e alguns chipsets atuais disponíveis para suportar radar MIMO.

Progresso no Radar mmWave e Introdução do MIMO

Os módulos e sistemas de radar operando em frequências mmWave estão atualmente desfrutando de uso generalizado em três áreas principais:

Automotivo: Mencionei os sistemas ADAS acima, que continuarão a permanecer em foco. A motivação principal é permitir um rastreamento de objetos mais preciso, mas também há a necessidade de reduzir potencialmente a contagem total de sensores enquanto se habilita a imagem in-situ com medições de radar.
Robótica: Houve algum foco nesta área nos últimos 5 anos ou mais, e durante esse período, vimos sensores de radar integrados em áreas como automação de fábricas, controle de velocidade e posição para pequenos robôs, e segmentação de imagem a partir de nuvens de pontos de radar.
Aeroespacial: A presença de radar é óbvia aqui, mas agora módulos de radar para pequenos UAVs autônomos e drones estão entrando em foco com testes de voo ao vivo conduzidos pela NASA. Isso reduz a dependência de GNSS/GPS para navegação, algo que não é útil para navegação autônoma de drones em áreas confinadas.

Esses sistemas usam sinais de transmissão modulados para permitir o rastreamento simultâneo de posição e velocidade, bem como para interpretar múltiplos alvos dentro do campo de visão. Isso é feito usando formação de feixe em um único arranjo em fase, seguido por alguns passos padrão de processamento de sinal para extração de alvos e rastreamento ao longo do tempo.

Os módulos de radar disponíveis comercialmente hoje em dia não utilizam MIMO, pelo menos não que eu tenha conhecimento no momento da escrita. No entanto, os principais fabricantes de componentes estão introduzindo chipsets mmWave para suportar aplicações únicas de radar FMCW, incluindo radar MIMO e radar em cascata. Módulos de radar comerciais, placas de avaliação e transceptores ainda estão usando a arquitetura de antena patch alimentada pelo centro, um transceptor de radar COTS e alguns algoritmos padrão de processamento de sinal. Isso inclui os últimos módulos de radar que minha empresa projetou para aplicações em UAVs.

Arquitetura básica de antena em arranjo de fase para o radar de hoje. A seção da placa mostrada aqui é do módulo de avaliação Texas Instruments AWR6843. Este design utiliza um empilhamento híbrido com um laminado Rogers na camada superior para suportar a propagação de sinal de baixa perda para as antenas.

Os passos de processamento de sinal envolvidos na distinção e rastreamento de alvos são um tanto complexos, e existem muitos guias em livros didáticos de processamento de sinal sobre esses tópicos. Nestes sistemas, a desvantagem da abordagem atual está no campo de visão limitado e na resolução grosseira. Por essa razão, muitos sistemas usam formação de feixe apertada com baixa divergência para medições de posição e velocidade direcionadas, e eles simplesmente ampliam o campo de visão usando múltiplos módulos. Os automóveis atuais usam vários módulos de radar de curto e longo alcance com a arquitetura mostrada acima para fornecer um amplo campo de visão como parte do sistema ADAS, conforme mostrado abaixo.

Enquanto esses sistemas continuarem a depender de radar de curto alcance e também forem projetados para maior autonomia, então todo o conjunto de sensores nesses produtos precisará ser melhorado para ter uma resolução mais alta. O radar MIMO é um dos principais avanços nesta área que ainda não foi amplamente comercializado.

Por que integrar MIMO em um sistema de radar quando podemos simplesmente usar mais módulos para expandir o campo de visão para rastrear mais alvos? É uma pergunta justa e pode não parecer óbvio como as técnicas MIMO são úteis no design de radar. Obviamente, aumentar o número de arranjos de antenas permite o rastreamento de mais alvos, mas a resolução nesses sistemas ainda é insuficiente. O radar MIMO resolve esse problema sem grandes aumentos na complexidade.

O Radar MIMO Fornece Maior Resolução Angular

Existem algumas razões convincentes para desenvolver sistemas de radar MIMO para as aplicações acima. A razão para usar MIMO não está focada em aumentar o número de alvos rastreados, mas na resolução do rastreamento de alvos, especificamente na resolução angular dentro do campo de visão.

Em um sistema MIMO, você tem um conjunto de antenas Tx que transmitem sinais ortogonais. O conjunto de antenas Tx não é orquestrado para produzir formação de feixe como você faria em um arranjo em fase. No entanto, se você quiser potencializar seu sistema de radar MIMO, pode usar arranjos em fase individuais para os emissores Tx, onde cada arranjo Tx transmite com um dos sinais do seu conjunto ortogonal. Se cada emissor Tx é um arranjo, então a formação de feixe é realizada usando o controle de fase padrão entre cada elemento no arranjo, onde a fase entre cada emissor em um arranjo Tx é atrasada para controlar a formação de feixe e direcionamento.

A cadeia de sinal no radar MIMO é muito semelhante à do radar de arranjo em fase.

Há também um arranjo Rx, que recebe todos os sinais das antenas Tx, exigindo multiplexação para separar cada sinal ortogonal emitido pelas antenas Tx. Como os sinais recebidos de cada transmissão Tx são ortogonais, você tem um conjunto de medições cada uma ligada a um ângulo de transmissão específico. Isso é o que proporciona a maior resolução: o feixe interferido no arranjo Rx pode ser interpretado usando os mesmos passos de processamento de sinal que em um arranjo em fase típico, onde o ângulo de recepção é extraído junto com os parâmetros de velocidade e posição de uma medição Doppler. No entanto, agora você está detectando múltiplos sinais ortogonais que estão ligados a um transmissor específico. É então um simples cálculo de trigonometria para vincular cada sinal recebido de volta ao transmissor específico e extrair a posição do alvo com muita alta precisão.

Você também pode dispor os arranjos em duas dimensões, dando um conjunto de antenas patch na PCB que fornece interpretação de feixe azimutal e polar. Isso é útil para os novos módulos de radar 4D que estão sendo desenvolvidos para sistemas ADAS de última geração, que podem então ser usados para detectar a elevação do objeto.

O que é importante perceber aqui é que estamos usando um arranjo de emissores M por N que operam com um conjunto de sinais ortogonais (múltiplas frequências, ou múltiplos chirps), que é chave para o aumento da resolução de transmissão. Considere o caso em que queremos dobrar a resolução de um radar automotivo FMCW típico. Poderíamos fazer isso simplesmente dobrando o número de elementos da antena. No entanto, poderíamos obter o mesmo resultado apenas adicionando mais 1 antena Tx. É essa multiplexação entre múltiplas antenas que aumenta a resolução do lado Rx e do lado Tx.

Componentes para Radar MIMO

Os radares modernos usam sinais chirpados linearmente (conhecidos como radar FMCW) para permitir o rastreamento simultâneo de posição e velocidade, bem como a extração de alvos altamente precisa. O bloco de processamento de sinal e o bloco transceptor são os componentes críticos a selecionar aqui, pois serão responsáveis por gerar e interpretar os sinais usados no sistema. Também é possível adotar uma abordagem de rádio definido por software para a geração de sinal para cada emissor Tx.

Como você escolhe gerar pulsos de radar FMCW fica a seu critério, mas existem componentes COTS que você pode usar para ajudar a projetar seu sistema. Como esses sistemas ainda não são altamente integrados, você terá que juntar vários componentes mmWave para criar sistemas de radar MIMO.

Texas Instruments, AWR1642

O transceptor AWR1642 da Texas Instruments é voltado para aplicações automotivas e é um dos seus componentes transceptores padrão para sistemas de radar FMCW. Este componente pode ser usado de maneira espacialmente multiplexada, onde múltiplos arranjos de antenas patch alimentadas centralmente são usados para transmitir e receber sinais. O radar MIMO é então implementado transmitindo com diferentes subportadoras de cada seção Tx.

Diagrama de blocos para o transceptor AWR1642, do datasheet do AWR1642

O transceptor IWR6843 da Texas Instruments é voltado para aplicações industriais e de imagem operando de 60 a 64 GHz. Este transceptor mais novo expande as opções de radar para os projetistas de sistemas, e o radar MIMO ainda pode ser implementado com multiplexação espacial com múltiplos transceptores. Este componente específico fornece um ruído de fase extremamente baixo de -93 dBc @ 1 MHz, alta potência Tx de 12 dBm, um PLL integrado e um ADC integrado. A configuração é implementada por meio de interfaces digitais de baixa velocidade padrão. Funcionalmente, o componente é muito semelhante ao transceptor automotivo mostrado acima.

Mais Inovação Com Sistemas de Radar MIMO

Como mencionei anteriormente, uma das áreas emergentes em radar MIMO é o radar 4D. Esses sistemas usam dezenas de elementos radiantes operando em frequências mmWave, onde os feixes Tx são varridos sobre ângulos polares e azimutais. A varredura azimutal é usada para detectar a extensão vertical de um alvo e movimento vertical. O radar 4D está sendo atualmente desenvolvido para os sistemas ADAS mais novos, mas esses radares também serão úteis para robótica operando em ambientes complexos, bem como pequenos drones que requerem reconhecimento de objetos muito preciso. Com alta resolução angular e varredura azimutal, pode ser possível reduzir a dependência de câmeras visuais e processamento de imagem óptica e confiar totalmente no radar.

Os novos componentes para suportar essas áreas são SoCs altamente integrados, onde o transceptor, ADC, bloco de processamento de sinal e MCU são fabricados no mesmo die. Isso ajudará a reduzir o tamanho total do sistema e tornar os sistemas de radar MIMO mais competitivos com os radares de arranjo de fase padrão.

Outros Componentes para Suportar Sistemas de Radar MIMO

Sistemas MIMO precisam de mais do que transceptores para arranjos individuais porque os chipsets de radar atuais não são altamente integrados para aplicações MIMO. Devido à falta de integração, os projetistas precisam conectar vários componentes em um sistema maior para suportar aplicações de radar MIMO. Alguns outros componentes importantes que você pode precisar incluem:

À medida que novos transceptores para designs de radar MIMO se tornam disponíveis, você poderá encontrar estes e outros componentes importantes usando as funcionalidades avançadas de busca e filtragem no Octopart. O motor de busca de eletrônicos no Octopart oferece acesso a dados atualizados de preços de distribuidores, inventário de peças, especificações de peças e dados CAD, e tudo isso é acessível gratuitamente em uma interface amigável ao usuário. Confira nossa página de circuitos integrados para encontrar os componentes de que precisa.

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