мм-волновые датчики для ADAS, робототехники и безопасности

Создано: 11 Июля, 2022
Обновлено: 1 Июля, 2024

Современная электроника становится всё более интегрированной с окружающим миром благодаря повсеместному использованию датчиков и систем человеко-машинного интерфейса (HMI). Современные миллиметровые волновые датчики выпускаются как в виде интегральных схем, так и в виде модулей, и оба варианта предоставляют компактные решения для многих систем, включая робототехнику, БПЛА, системы помощи водителю (ADAS) и безопасность. Наиболее узнаваемыми областями применения миллиметрового волнового диапазона являются радары и беспроводные системы, в частности 5G и будущие системы 6G.

Хотя эти две области наиболее узнаваемы, они не единственные сферы возможностей для инженеров и системных проектировщиков миллиметрового диапазона. Датчики миллиметрового диапазона полезны и для других задач, таких как распознавание жестов, обнаружение присутствия людей или объектов, измерение жизненно важных показателей и даже визуализация. В этих областях применения передатчики и датчики миллиметрового диапазона являются технологическими решениями, необходимыми системным инженерам для создания своих продуктов.

Если вы проектируете системы, которым нужен датчик миллиметрового диапазона, на рынке вы найдете множество вариантов, позволяющих реализовать разнообразные функции для систем миллиметрового диапазона.

Примеры датчиков миллиметрового диапазона и области применения

Существует множество областей применения излучения и датчиков миллиметрового диапазона, выходящих за рамки 5G и автомобильных радаров, и некоторые компоненты разработаны специально для конкретных систем в этих областях. Другие компоненты предназначены для общего использования в системах миллиметрового диапазона, что делает их подходящими инструментами для исследований нового дизайна и архитектуры систем.

Ниже я рассмотрю некоторые основные коммерциализируемые области, где сегодня используются датчики миллиметрового диапазона, а также где можно найти возможности для создания новых продуктов.

Автомобильные радары

Первая область - это системы помощи водителю (ADAS), где радар используется наряду с несколькими датчиками (оптическими, ультразвуковыми и радарами короткого/дальнего действия) для обеспечения безопасности автомобиля. Датчики миллиметрового диапазона, работающие на частоте 24 ГГц, используются для радаров короткого действия в автомобилях для таких приложений, как мониторинг слепых зон, обнаружение препятствий и предотвращение столкновений. Эти радары короткого действия использовали ISM-диапазон на частоте 24 ГГц или сверхширокополосный диапазон (UWB) от 21,65 до 26,65 ГГц. Однако UWB-диапазон станет устаревшим к 2022 году из-за регуляторных ограничений в США и Европе.

Современные радары с широким полем зрения и радары дальнего действия работают на несущих частотах 77 ГГц, последние из которых могут обеспечивать дальность действия примерно до 250 м. Коммерческие радарные модули используют антенны с центральной подачей для передачи и приема сигналов радара с частотной модуляцией непрерывной волны (FMCW). Использование антенны с центральной подачей обеспечивает необходимое управление лучом, направленное обнаружение и широкое поле зрения, необходимые для этих радаров.

Дроны и робототехника

БПЛА и роботы оба нуждаются в радаре, чтобы «видеть» мир вокруг себя и отслеживать внешние объекты в окружающей среде. Дроны и другие роботы, такие как промышленные или домашние роботы, могут работать на частоте 24 ГГц в ISM-диапазоне или на частоте 60 ГГц для приложений с высоким разрешением. Как и в случае с автомобильным радаром, эти системы должны объединять данные с нескольких датчиков с помощью сложных алгоритмов обработки, чтобы максимально использовать сигналы и датчики миллиметрового диапазона.

Безопасность

Эта область до сих пор менее известна, но радар может быть интегрирован в системы безопасности для подсчета людей, обнаружения объектов и отслеживания объектов. Умная инфраструктура - это более общая область, где датчики миллиметрового диапазона могут использоваться для обнаружения и отслеживания объектов. Радары и датчики миллиметрового диапазона были ключевыми для переноса восприятия вычислений на системы вычислений на краю сети с основным применением в области безопасности. Эти радары успешны там, где, например, оптическое решение (т.е. распознавание объектов с помощью камеры) терпит неудачу из-за стоимости и поля зрения; точное оптическое распознавание объектов на таком большом расстоянии требует уменьшения поля зрения и более дорогой оптической сборки. Радары и датчики миллиметрового диапазона в системах безопасности с камерами создают полезное решение для отслеживания объектов.

Системы с высоким разрешением и визуализации

Хотя излучатели и приемники миллиметрового диапазона очень полезны для обнаружения целей, эти системы обычно не были эффективны для визуализации. Существует несколько причин этого, в первую очередь необходимость высокоточной формирования луча. Сложная проблема с формированием луча с точки зрения проектирования систем заключается в соотношении между разрешением и количеством излучателей. Визуализация с высоким разрешением требует большего количества излучателей, что, в свою очередь, требует синхронизации между несколькими излучателями для установки фазовой задержки между передаваемыми сигналами для желаемого направления распространения.

Для синхронизации большего количества сигналов между большим количеством излучателей вам потребуется несколько чипов передатчика/приемника, синхронизированных с помощью часов низкой частоты, идеально - генератора промежуточной частоты (IF). Такой синхронизирующий генератор будет доступен только на определенных компонентах; такая система является каскадной из-за оркестровки излучения волн от нескольких компонентов.

Пример блок-схемы, показывающей синхронизацию Tx/Rx в одном датчике миллиметрового диапазона, показан ниже. Несколько таких блок-схем размещаются параллельно и синхронизируются с одним и тем же генератором (LO) и часами (CLK). Это обеспечивает множественность излучателей, излучающих синхронно по фазе.

Другой важный фактор в визуализации - это обработка огромного объема данных, которые вы генерируете в системе. Передача этих данных обратно в системный контроллер (обычно это FPGA с соответствующим IP) требует маршрутизации протоколов с очень высокой скоростью передачи данных; в передовых системах радиолокационной визуализации используется Ethernet с пропускной способностью 10 Гбит/с или выше для передачи данных.

Датчик мм-волн против радиолокационного приемника

В чем разница между продуктами, рекламируемыми как радиолокационные передатчики и датчики мм-волн? Честно говоря, разница не так велика, за исключением области применения, для которой они предназначены, способа генерации и использования сигналов, а также количества функций, интегрированных в компонент мм-волн. Современные радиолокационные модули будут использовать специализированный радиолокационный передатчик для своего конкретного применения, где автомобильные радиолокационные передатчики являются отличным примером. Датчики мм-волн будут рекламироваться для более общих приложений, таких как обнаружение объектов и уровня, подсчет и отслеживание людей или другие задачи.

Другое основное отличие - уровень интеграции функций. Компоненты, нацеленные на очень конкретные приложения, будут включать те функции, которые необходимы для приложения (как в плане архитектуры аппаратного обеспечения, так и прошивки). Попытка использовать универсальный датчик мм-волн в более конкретном приложении может потребовать дополнения внешним МКУ или другим компонентом.

Некоторые универсальные датчики мм-волн

Texas Instruments IWR1642

Датчик мм-волн IWR1642 от Texas Instruments является одним из примеров универсального датчика мм-волн, который также может функционировать как радиолокационный передатчик. Он включает 4 приемных канала и 2 передающих канала для управления направлением при необходимости. Все функции программируются через внешний МКУ по стандартным интерфейсам (SPI, I2C, UART, GPIO) или 2-канальный интерфейс LVDS для доступа к сырым данным АЦП. Этот датчик предназначен для работы в диапазоне от 76 до 81 ГГц и обеспечивает интегрированные возможности обработки сигналов FMCW для приложений, таких как безопасность и промышленный мониторинг.

Texas Instruments IWR6843

Микросхема датчика мм-волн IWR6843 от Texas Instruments еще более универсальна, чем предыдущий компонент. Этот компонент нацелен на приложения в диапазоне от 60 до 64 ГГц, такие как приложения функциональной безопасности и автоматизация. Этот датчик мм-волн включает в себя встроенный блок DSP для продвинутой обработки сигналов и аппаратный ускоритель для функций FFT, фильтрации и обработки CFAR для идентификации и отслеживания объектов. Также доступен модуль антенны на основе этого компонента от Texas Instruments (MPN: IWR6843ISK).

Infineon BGT24LTR11 мм-волновой сенсор BGT24LTR11 от Infineon предназначен для приложений на 24 ГГц в очень компактном исполнении. Этот компонент использует только 1 канал передачи и 1 канал приема, поэтому управление направлением с помощью формирования луча с одним компонентом невозможно. Однако исключение дополнительных интерфейсов антенн Tx/Rx обеспечивает гораздо меньшие размеры по сравнению с другими мм-волновыми сенсорами или радиопередатчиками, поэтому его можно использовать в качестве простого излучателя/детектора. Любое приложение, требующее малого размера, отсутствия направленности и низкого энергопотребления на 24 ГГц, может извлечь выгоду из этого компонента.

Другой вариант для этого типа компонента - реализация формирования луча высокостабильного, высококогерентного сигнала 24 ГГц путем каскадирования. Также возможны уникальные системы MIMO с этими компонентами. Помимо единственной пары каналов Rx/Tx, основным преимуществом этих компонентов является компенсация дрейфа частоты, вызванного температурой, через входной контакт настройки напряжения. Это исключает необходимость в PLL/MCU для компенсации дрейфа температуры.

Другие компоненты для мм-волновых продуктов

Приложения мм-волн все еще развиваются, и частоты продолжают увеличиваться. Вышеупомянутые приложения также требуют ряда других компонентов для создания полной системы. Другие компоненты, которые могут понадобиться разработчикам, включают:

Независимо от того, нужен ли вам мм-волновой сенсор или интегрированный радиопередатчик, вы можете найти необходимые детали и следить за всеми новейшими разработками компонентов, используя полный набор продвинутых функций поиска и фильтрации на Octopart. Используя поисковую систему электроники Octopart, вы получите доступ к актуальным данным о ценах дистрибьюторов, запасах на складах и спецификациях, и все это доступно в удобном интерфейсе. Посмотрите нашу страницу с РЧ-устройствами для вашей следующей РЧ-системы.

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