Дизайн радара MIMO и выбор компонентов

Создано: 30 Ноября, 2021
Обновлено: 1 Июля, 2024

Современные коммерческие радиолокационные системы достигают управления направлением и формирования луча с помощью фазированных антенных решеток, что дает конструктору систем возможность отслеживать объекты в твердом угле. Эта технология не нова, фазированные антенные решетки используются с 1979 года, когда в Аляске заработала система радиолокационного обнаружения баллистических ракет с активной фазированной антенной решеткой US PAVE PAWS. С тех пор полезные частоты стали выше, радиолокационные модули стали меньше, а точность этих систем стабильно увеличивалась.

Сегодня радар используется в системах с целями, выходящими за рамки обнаружения объектов или измерения их положения. Чирп-радар используется для одновременного измерения положения и скорости, при этом используются некоторые методы обработки сигналов для точного выделения целей и отслеживания их положения. Современные автомобили используют чирп-радарные модули с относительно небольшими размерами, работающие в диапазоне K для отслеживания целей на коротких дистанциях (~24 ГГц) или в диапазоне W для отслеживания целей на больших дистанциях (~76-81 ГГц). Сложность в современных системах заключается в необходимости использования нескольких датчиков для обнаружения объектов на широких углах обзора, при этом разрешение низкое, так как между этими модулями нет скоординированного формирования луча.

Другие области, такие как робототехника и дроны, используют эти или аналогичные радиолокационные диапазоны, а также существуют специализированные приложения в научных исследованиях и визуализации. За последние 10 лет мы видели интеграцию в радиолокационные системы другой техники из телекоммуникаций: дизайн и оркестровку антенн с множественным входом и множественным выходом (MIMO). Теперь дальнейший прогресс в радиолокационных системах, включая радар MIMO, стимулируется автомобильными датчиками и системами помощи водителю (ADAS). Для конструкторов электроники мы рассмотрим архитектуру системы, необходимую для поддержки более совершенных радаров, и некоторые современные чипсеты, доступные для поддержки радара MIMO.

Прогресс в радарах мм-диапазона и введение MIMO

Радиолокационные модули и системы, работающие на частотах мм-диапазона, в настоящее время широко используются в трех основных областях:

Автомобильная промышленность: Выше я упоминал системы ADAS, которые будут оставаться в центре внимания. Основная мотивация заключается в обеспечении более точного отслеживания объектов, но также существует потребность в потенциальном сокращении общего количества датчиков при одновременном включении изображений с радиолокационными измерениями.
Робототехника: Эта область привлекала внимание в течение последних 5 лет или около того, и за это время мы видели интеграцию радиолокационных датчиков в такие области, как автоматизация на производстве, контроль скорости и положения для небольших роботов, а также сегментация изображений из радиолокационных облаков точек.
Аэрокосмическая отрасль: Присутствие радара здесь очевидно, но теперь радиолокационные модули для небольших автономных БПЛА и дронов становятся предметом внимания с проведением живых летных испытаний NASA. Это уменьшает зависимость от GNSS/GPS для навигации, что не полезно для автономной навигации дронов в ограниченных пространствах.

Эти системы используют чирп-сигналы для одновременного отслеживания положения и скорости, а также для интерпретации нескольких целей в поле зрения. Это достигается за счет формирования луча в одной фазированной антенной решетке, за которым следуют некоторые стандартные шаги обработки сигналов для извлечения и отслеживания целей со временем.

Сегодняшние коммерчески доступные радарные модули не используют MIMO, по крайней мере, насколько мне известно на момент написания этого текста. Однако крупные производители компонентов внедряют чипсеты mmWave для поддержки уникальных приложений радара FMCW, включая радар MIMO и каскадный радар. Коммерческие радарные модули, оценочные платы и приемопередатчики все еще используют проверенную и верную архитектуру антенны с центральной подачей, радиолокационный приемопередатчик COTS и некоторые стандартные алгоритмы обработки сигналов. Это включает в себя последние радарные модули, разработанные моей компанией для применения в БПЛА.

Основная архитектура антенны фазированной решетки для современных радаров. Показанная здесь часть платы взята из оценочного модуля Texas Instruments AWR6843. Этот дизайн использует гибридную структуру с ламинатом Rogers на верхнем слое для поддержки низкопотерной передачи сигнала к антеннам.

Шаги обработки сигнала, задействованные в различении и отслеживании целей, довольно сложны, и многие руководства по обработке сигналов в учебниках посвящены этим темам. В этих системах недостатком текущего подхода является ограниченное поле зрения и грубое разрешение. По этой причине многие системы используют узконаправленное формирование луча с низким расхождением для целенаправленных измерений положения и скорости, и просто расширяют поле зрения с помощью нескольких модулей. Современные автомобили используют несколько модулей радара короткого и дальнего действия с показанной выше архитектурой для обеспечения широкого поля зрения как часть системы ADAS, как показано ниже.

Пока эти системы продолжают полагаться на радар короткого действия, будучи при этом разработанными для большей автономности, весь набор датчиков на этих продуктах должен быть улучшен для обеспечения более высокого разрешения. Радар MIMO - одно из крупных достижений в этой области, которое еще не получило широкого коммерческого распространения.

Почему интегрировать MIMO в радарную систему, когда мы можем просто использовать больше модулей для расширения поля зрения для отслеживания большего количества целей? Это справедливый вопрос, и может быть не сразу очевидно, как техники MIMO полезны в дизайне радара. Очевидно, что увеличение количества антенных решеток позволяет отслеживать больше целей, но разрешение в этих системах все еще недостаточно. Радар MIMO решает эту проблему без значительного увеличения сложности.

Радар MIMO обеспечивает более высокое угловое разрешение

Есть несколько убедительных причин для создания систем радара MIMO для вышеупомянутых приложений. Причина использования MIMO не сосредоточена на увеличении количества отслеживаемых целей, а на разрешении отслеживания целей, в частности на угловом разрешении в поле зрения.

В системе MIMO у вас есть массив передающих антенн (Tx), которые транслируют ортогональные сигналы. Набор антенн Tx не настроен для создания формирования луча, как это делается в фазированной антенной решетке. Однако, если вы хотите усилить вашу радарную систему MIMO, вы можете использовать отдельные фазированные антенные решетки для передатчиков Tx, где каждая решетка Tx транслирует один из сигналов из вашего ортогонального набора. Если каждый передатчик Tx является решеткой, то формирование луча достигается с помощью стандартного управления фазой между каждым элементом в решетке, где фаза между каждым передатчиком в решетке Tx задерживается для управления формированием и направлением луча.

Цепочка сигналов в радаре MIMO очень похожа на ту, что используется в радаре с фазированной антенной решеткой.

Также есть приемная решетка (Rx), которая принимает все сигналы от передающих антенн Tx, требуя мультиплексирования для разделения каждого ортогонального сигнала, излучаемого передающими антеннами. Поскольку принимаемые сигналы от каждой передачи Tx ортогональны, у вас есть набор измерений, каждое из которых связано с определенным углом излучения. Именно это обеспечивает более высокое разрешение: перекрывающийся луч на приемной решетке Rx может быть интерпретирован с использованием тех же шагов обработки сигналов, что и в типичной фазированной антенной решетке, где угол приема извлекается вместе с параметрами скорости и положения из измерения Доплера. Однако теперь вы анализируете множество ортогональных сигналов, связанных с определенным передатчиком. Затем простым тригонометрическим расчетом каждый принятый сигнал связывается с определенным передатчиком и извлекается положение цели с очень высокой точностью.

Вы также можете разместить решетки в двух измерениях, создавая набор патч-антенн на печатной плате, который обеспечивает азимутальное и полярное толкование луча. Это полезно для новых 4D радарных модулей, которые разрабатываются для передовых систем ADAS, что позволяет затем определять высоту объектов.

Важно осознать, что мы используем массив из M на N передатчиков, работающих с набором ортогональных сигналов (несколько частот или несколько чирпов), что является ключом к повышению разрешающей способности передачи. Рассмотрим случай, когда мы хотим удвоить разрешение типичного автомобильного радара FMCW. Мы могли бы сделать это, просто удвоив количество элементов антенны. Однако, мы могли бы получить тот же результат, просто добавив еще одну передающую антенну Tx. Именно это мультиплексирование между несколькими антеннами увеличивает разрешение как на стороне приемника Rx, так и на стороне передатчика Tx.

Компоненты для радара MIMO

Современные радары используют линейно-чирповые сигналы (известные как радар FMCW) для одновременного отслеживания положения и скорости, а также для высокоточного извлечения целей. Блок обработки сигналов и блок приемопередатчика являются критически важными компонентами для выбора, поскольку они будут отвечать за генерацию и интерпретацию сигналов, используемых в системе. Также возможен подход программно-определяемого радио к генерации сигналов для каждого передатчика Tx.

Как вы решите генерировать импульсы радара с частотной модуляцией, зависит от вас, но существуют компоненты COTS, которые вы можете использовать для проектирования вашей системы. Поскольку эти системы еще не являются высокоинтегрированными, вам придется соединять вместе несколько компонентов миллиметрового диапазона для создания систем радаров MIMO.

Texas Instruments, AWR1642

Радиопередатчик AWR1642 от Texas Instruments предназначен для автомобильных приложений и является одним из их стандартных компонентов передатчика для систем радаров с частотной модуляцией. Этот компонент может использоваться в пространственно мультиплексированном режиме, где несколько антенных решеток с центральной подачей используются для передачи и приема сигналов. Радар MIMO реализуется путем передачи различных поднесущих из каждого секции Tx.

Блок-схема передатчика AWR1642, из технического описания AWR1642

Радиопередатчик IWR6843 от Texas Instruments предназначен для промышленных приложений и приложений визуализации, работающих на частотах 60 до 64 ГГц. Этот новый передатчик расширяет опции радаров для системных дизайнеров, и радар MIMO все еще может быть реализован с пространственным мультиплексированием с использованием нескольких передатчиков. Этот конкретный компонент обеспечивает чрезвычайно низкий фазовый шум -93 дБc при 1 МГц, высокую мощность Tx 12 дБм, интегрированный PLL и интегрированный АЦП. Конфигурация реализуется через стандартные интерфейсы цифровой связи низкой скорости. Функционально компонент очень похож на автомобильный передатчик, показанный выше.

Больше инноваций с системами радаров MIMO

Как я упоминал ранее, одним из предстоящих направлений в радарах MIMO является 4D радар. Эти системы используют десятки излучающих элементов, работающих на частотах миллиметрового диапазона, где лучи Tx сканируются по полярным и азимутальным углам. Азимутальное сканирование используется для обнаружения вертикального пространства цели и вертикального движения. 4D радар в настоящее время разрабатывается для новейших систем ADAS, но эти радары также будут полезны для робототехники, работающей в сложных условиях, а также для небольших дронов, которым требуется очень точное распознавание объектов. С высоким угловым разрешением и азимутальным сканированием может быть возможно уменьшить зависимость от визуальных камер и оптической обработки изображений и полностью полагаться на радар.

Новые компоненты для поддержки этих областей являются высокоинтегрированными SoC, где передатчик, АЦП, блок обработки сигналов и МКУ изготавливаются на одном кристалле. Это поможет уменьшить общий размер системы и сделать новые системы радаров MIMO гораздо более конкурентоспособными по сравнению со стандартными радарами с фазированной антенной решеткой.

Другие компоненты для поддержки систем радаров MIMO

Системам MIMO требуется больше, чем просто передатчики для отдельных решеток, поскольку текущие наборы микросхем радаров не являются высокоинтегрированными для приложений MIMO. Из-за отсутствия интеграции дизайнерам необходимо соединять несколько компонентов в более крупную систему для поддержки приложений радаров MIMO. Некоторые другие важные компоненты, которые вам могут понадобиться, включают:

По мере появления новых передатчиков для проектов радаров MIMO, вы сможете найти эти и другие важные компоненты, используя расширенный поиск и функции фильтрации на Octopart. Поисковая система электронных компонентов на Octopart предоставляет доступ к актуальным данным о ценах дистрибьюторов, инвентаризации компонентов, спецификациям деталей и CAD-данным, и всё это доступно в удобном для пользователя интерфейсе. Посмотрите нашу страницу с интегральными схемами, чтобы найти необходимые компоненты.

Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку.