Sensores mmWave para ADAS, Robótica e Segurança

Criada: Julho 11, 2022
Atualizada: Julho 1, 2024

Os eletrônicos de hoje estão se tornando mais integrados com o mundo ao seu redor graças ao uso ubíquo de sensores e sistemas HMI. A suíte atual de sensores mmWave está disponível tanto em forma de CI quanto em módulos, e ambos fornecem soluções compactas para muitos sistemas, incluindo robótica, UAVs, ADAS e segurança. A aplicação mais reconhecível da detecção mmWave se divide em duas áreas: radar e sem fio, especificamente sistemas 5G e os futuros sistemas 6G.

Embora essas duas áreas sejam as mais reconhecíveis, elas não são as únicas áreas de oportunidade para engenheiros de mmWave e projetistas de sistemas. Sensores mmWave são úteis para outras tarefas como reconhecimento de gestos, detecção de ocupantes ou objetos, medições de sinais vitais e até mesmo imagem. Nestas áreas de aplicação, transceptores e sensores mmWave são os habilitadores tecnológicos que os engenheiros de sistemas precisam para construir seus produtos.

Se você está projetando sistemas que precisam de um sensor mmWave, você encontrará várias opções no mercado que possibilitam funcionalidades diversas para sistemas mmWave.

Exemplos de Sensores mmWave e Áreas de Aplicação

Existem várias áreas de aplicação para radiação e detecção mmWave além de 5G e radar automotivo, e alguns componentes estão disponíveis que são adaptados para sistemas específicos nessas áreas. Outros componentes são para uso geral em sistemas mmWave, tornando-os ferramentas decentes para pesquisa em novo design de sistema e arquitetura.

Abaixo, explorarei algumas das principais áreas comercializáveis onde sensores mmWave estão sendo usados hoje, bem como onde alguém pode encontrar oportunidades para construir novos produtos.

Radar Automotivo

A primeira área está nos sistemas de assistência ao motorista automotivo (ADAS), onde o radar é usado ao lado de múltiplos sensores (ópticos, ultrassônicos e radar de curto/longo alcance) para segurança automobilística. Sensores mmWave operando a 24 GHz são usados para radar de curto alcance em veículos para aplicações como monitoramento de ponto cego, detecção de obstáculos e prevenção de colisões. Esses radares de curto alcance têm utilizado a banda ISM a 24 GHz ou a banda ultra-larga (UWB) de 21,65 a 26,65 GHz. No entanto, a banda UWB se tornará obsoleta até 2022 devido a restrições regulatórias dos EUA e da Europa.

Os radares de hoje com campo de visão amplo e radares de longo alcance focados operam com portadoras de 77 GHz, sendo que os últimos podem fornecer alcance de até aproximadamente 250 m. Módulos de radar comerciais usam antenas patch alimentadas pelo centro para transmissão e recepção de sinais de radar modulados em frequência contínua variável (FMCW). O uso de uma antena patch alimentada pelo centro fornece a direção de feixe necessária, detecção direcional e campo de visão amplo necessário para esses radares.

Drones e Robótica

UAVs e robôs precisam de radar para “ver” o mundo ao seu redor e rastrear objetos externos no ambiente. Drones e outros robôs, como robôs industriais ou domésticos, podem operar a 24 GHz na faixa ISM, ou podem operar a 60 GHz para aplicações de maior resolução. Assim como com o radar automotivo, esses sistemas precisam fusão de dados de múltiplos sensores com algoritmos de processamento sofisticados para fazer o melhor uso de sinais e sensores mmWave.

Segurança

Esta área é uma que ainda é menos conhecida, mas o radar pode ser integrado em sistemas de segurança para contagem de pessoas, detecção de objetos e rastreamento de objetos. Infraestrutura inteligente é uma área mais geral onde os sensores mmWave podem ser usados para detecção e rastreamento de objetos. Os radares e sensores mmWave têm sido instrumentais para levar a percepção computacional para sistemas de computação de borda com uma aplicação primária sendo em segurança. Esses radares têm sucesso onde algo como uma solução óptica (ou seja, reconhecimento de objeto com uma câmera) falha simplesmente devido ao custo e campo de visão; reconhecimento óptico de objetos preciso a uma longa distância exige sacrificar o campo de visão, e requer um conjunto óptico mais caro. Radar e sensores mmWave em sistemas de câmeras de segurança criam uma solução útil de rastreamento de objetos.

Sistemas de Alta Resolução e Imagem

Embora os emissores e receptores mmWave sejam muito úteis para detectar alvos, esses sistemas tipicamente não foram eficazes para imagem. Há várias razões para isso, principalmente a necessidade de formação de feixe de alta resolução. O problema desafiador com a formação de feixe em termos de design de sistemas é a relação entre resolução e número de emissores. Imagens de alta resolução requerem mais emissores, o que por sua vez requer sincronização entre múltiplos emissores para estabelecer um atraso de fase entre os sinais transmitidos para a direção de propagação desejada.

Para obter mais sinais sincronizados em um grande número de emissores, você precisaria ter múltiplos chips transceptores sendo sincronizados por um relógio de frequência mais baixa, idealmente um oscilador de frequência intermediária (IF). Este oscilador de sincronização só estará disponível em certos componentes; este tipo de sistema é um sistema em cascata devido à orquestração da emissão de ondas de múltiplos componentes.

Um exemplo de diagrama de blocos mostrando a sincronização Tx/Rx em um único sensor mmWave é mostrado abaixo. Múltiplos desses diagramas de blocos são colocados em paralelo e são sincronizados com o mesmo oscilador (LO) e relógio (CLK). Isso lhe dá a multiplicidade de emissores que estão emitindo de forma fase sincronizada.

O outro fator importante na imagem é lidar com a enorme quantidade de dados que você gera no sistema. Transmitir esses dados de volta para um controlador do sistema (geralmente um FPGA com IP apropriado) requer o roteamento de alguns protocolos de taxa de dados muito alta; o estado da arte em sistema de imagem por radar usa Ethernet de 10G ou superior para transferência de dados.

Sensor mmWave vs. Receptor de Radar

Qual é a diferença entre produtos comercializados como transceptores de radar e sensores mmWave? Francamente, não há muita diferença além da área de aplicação que eles visam, como os sinais são gerados e usados, e o número de recursos que são integrados em um componente mmWave. Os módulos de radar de hoje usarão um transceptor de radar especializado para sua aplicação particular, onde os transceptores de radar automotivo são um ótimo exemplo. Sensores mmWave serão comercializados para aplicações mais gerais como detecção de objetos e nível, contagem e rastreamento de pessoas, ou outras tarefas.

A outra principal diferença é o nível de integração de recursos. Componentes visando aplicações muito específicas incluirão esses recursos necessários para a aplicação (tanto em termos de arquitetura de hardware quanto firmware). Tentar encaixar um sensor mmWave de propósito geral em uma aplicação mais específica pode exigir complementação com um MCU externo ou outro componente.

Alguns Sensores mmWave de Propósito Geral

Texas Instruments IWR1642

O sensor mmWave IWR1642 da Texas Instruments é um exemplo de um sensor mmWave de propósito geral que também pode funcionar como um transceptor de radar. Inclui 4 canais Rx e 2 canais Tx para controle direcional, se necessário. Todos os recursos são programáveis através de um MCU externo por interfaces padrão (SPI, I2C, UART, GPIO) ou uma interface LVDS de 2 vias para acesso a dados ADC brutos. Este sensor é projetado para operação de 76 a 81 GHz e fornece capacidades integradas de processamento de sinal FMCW para aplicações como segurança e monitoramento industrial.

Texas Instruments IWR6843

O IC sensor mmWave IWR6843 da Texas Instruments é ainda mais de propósito geral do que o componente anterior. Este componente visa aplicações na faixa de 60 a 64 GHz, como aplicações de segurança funcional e automação. Este sensor mmWave inclui um bloco DSP on-chip para processamento avançado de sinal e acelerador de hardware para funções FFT, filtragem e processamento CFAR para identificação e rastreamento de objetos. Também há um módulo de antena plugin baseado neste componente disponível da Texas Instruments (MPN: IWR6843ISK).

Infineon BGT24LTR11 O sensor mmWave BGT24LTR11 da Infineon é voltado para aplicações de 24 GHz em um formato muito compacto. Este componente utiliza apenas 1 canal Tx e 1 canal Rx, portanto, não há controle direcional por meio de formação de feixe com um único componente. No entanto, a eliminação de interfaces de antena Tx/Rx extras proporciona um formato muito mais compacto do que outros sensores mmWave ou transceptores de radar, então isso poderia ser usado para um simples emissor/detector. Qualquer aplicação que requeira um formato compacto, sem direcionalidade e baixo consumo de energia a 24 GHz pode se beneficiar deste componente.

A outra opção para este tipo de componente é implementar a formação de feixe de um sinal de 24 GHz altamente estável e coerente por meio de cascata. Sistemas MIMO únicos também são possíveis com esses componentes. Além do par de canais único Rx/Tx, a principal vantagem desses componentes é a compensação da deriva de frequência impulsionada pela temperatura por meio de um pino de tensão de ajuste de entrada. Isso elimina a necessidade de um PLL/MCU para compensar a deriva de temperatura.

Outros Componentes para Produtos mmWave

As aplicações mmWave ainda estão se desenvolvendo e as frequências estão sendo empurradas para limites mais altos. As aplicações listadas acima também precisam de uma gama de outros componentes para construir um sistema completo. Alguns outros componentes que os projetistas podem precisar incluem:

Seja você precisando de um sensor mmWave ou de um transceptor de radar integrado, você pode encontrar as peças de que precisa e se manter atualizado com todos os desenvolvimentos de componentes mais recentes quando usar o conjunto completo de recursos avançados de busca e filtragem no Octopart. Ao usar o motor de busca de eletrônicos do Octopart, você terá acesso a dados atualizados de preços de distribuidores, inventário de peças e especificações, e tudo isso acessível de forma gratuita em uma interface amigável. Confira nossa página de dispositivos RF para componentes para o seu próximo sistema RF.

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