用于ADAS、機(jī)器人和安全的毫米波傳感器

用于ADAS、機(jī)器人和安全的毫米波傳感器

由于傳感器和 HMI 系統(tǒng)的普遍使用，今天的電子產(chǎn)品與周圍世界的集成度越來越高。今天的毫米波傳感器套件采用 IC 形式和模塊形式，兩者都為許多系統(tǒng)提供緊湊的解決方案，包括機(jī)器人、無人機(jī)、ADAS 和安全。毫米波傳感最知名的應(yīng)用分為兩個(gè)領(lǐng)域：雷達(dá)和無線，特別是 5G 和即將推出的 6G 系統(tǒng)。

盡管這兩個(gè)領(lǐng)域是最知名的，但它們并不是毫米波工程師和系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的唯一機(jī)會(huì)領(lǐng)域。毫米波傳感器可用于其他任務(wù)，如手勢(shì)識(shí)別、乘員或物體檢測(cè)、生命體征測(cè)量，甚至成像。在這些應(yīng)用領(lǐng)域，毫米波收發(fā)器和傳感器是系統(tǒng)工程師構(gòu)建產(chǎn)品所需的技術(shù)推動(dòng)力。

如果你正在設(shè)計(jì)需要毫米波傳感器的系統(tǒng)，你會(huì)在市場(chǎng)上找到多種選擇，為毫米波系統(tǒng)提供多種功能。

毫米波傳感器和應(yīng)用領(lǐng)域示例

除了 5G 和汽車?yán)走_(dá)之外，毫米波輻射和傳感還有多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，并且提供了一些針對(duì)這些領(lǐng)域的特定系統(tǒng)量身定制的組件。其他組件用于毫米波系統(tǒng)的一般用途，使其成為研究新系統(tǒng)設(shè)計(jì)和架構(gòu)的不錯(cuò)工具。

下面，我將探討當(dāng)今使用毫米波傳感器的一些主要商業(yè)化領(lǐng)域，以及人們可能會(huì)在哪些領(lǐng)域找到構(gòu)建新產(chǎn)品的機(jī)會(huì)。

汽車?yán)走_(dá)

第一個(gè)領(lǐng)域是汽車駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)，其中雷達(dá)與多個(gè)傳感器（光學(xué)、超聲波和短程/遠(yuǎn)程雷達(dá)）一起使用，以確保汽車安全。工作頻率為 24GHz 的毫米波傳感器用于車輛中的短程雷達(dá)，用于盲點(diǎn)監(jiān)控、障礙物檢測(cè)和防撞等應(yīng)用。這些短程雷達(dá)一直使用 24GHz 的 ISM 頻段或 21.65 至 26.65GHz 的超寬帶 (UWB)。然而，由于美國(guó)和歐洲的監(jiān)管限制，UWB 頻段將在 2022 年過時(shí)。

       今天的寬視場(chǎng)雷達(dá)和遠(yuǎn)程聚焦雷達(dá)使用 77 GHz 載波運(yùn)行，后者可以提供大約 250 m 的范圍。商用雷達(dá)模塊使用中心饋電貼片天線來傳輸和接收調(diào)頻連續(xù)波 (FMCW) 啁啾雷達(dá)信號(hào)。中心饋電貼片天線的使用提供了這些雷達(dá)所需的波束控制、方向檢測(cè)和寬視場(chǎng)。

無人機(jī)和機(jī)器人

無人機(jī)和機(jī)器人都需要雷達(dá)來“看到”周圍的世界并跟蹤環(huán)境中的外部物體。無人機(jī)和其他機(jī)器人，例如工業(yè)或家用機(jī)器人，可以在 ISM 頻段中以 24 GHz 運(yùn)行，或者它們可以在 60 GHz 下運(yùn)行以用于更高分辨率的應(yīng)用。就像汽車?yán)走_(dá)一樣，這些系統(tǒng)需要將來自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)與復(fù)雜的處理算法融合在一起，以充分利用毫米波信號(hào)和傳感器。

安全

這個(gè)領(lǐng)域仍然鮮為人知，但雷達(dá)可以集成到用于人員計(jì)數(shù)、物體檢測(cè)和物體跟蹤的安全系統(tǒng)中。智能基礎(chǔ)設(shè)施是一個(gè)更通用的領(lǐng)域，毫米波傳感器可用于對(duì)象檢測(cè)和跟蹤。毫米波雷達(dá)和傳感器有助于將計(jì)算感知帶入邊緣計(jì)算系統(tǒng)，主要應(yīng)用是安全性。這些雷達(dá)在諸如光學(xué)解決方案（即使用相機(jī)的物體識(shí)別）之類的僅由于成本和視野而失敗的情況下取得了成功。在如此長(zhǎng)的距離上進(jìn)行準(zhǔn)確的光學(xué)物體識(shí)別需要犧牲視野，并且需要更昂貴的光學(xué)組件。安全攝像頭系統(tǒng)中的毫米波雷達(dá)和傳感器創(chuàng)建了一個(gè)有用的對(duì)象跟蹤解決方案。

高分辨率和成像系統(tǒng)

雖然毫米波發(fā)射器和接收器對(duì)于檢測(cè)目標(biāo)非常有用，但這些系統(tǒng)通常無法有效成像。這有幾個(gè)原因，主要是需要高分辨率波束成形。波束成形在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的挑戰(zhàn)性問題是分辨率和發(fā)射器數(shù)量之間的關(guān)系。更高分辨率的成像需要更多的發(fā)射器，這反過來又需要多個(gè)發(fā)射器之間的同步，以便為所需的傳播方向設(shè)置廣播信號(hào)之間的相位延遲。

為了在大量發(fā)射器之間同步更多信號(hào)，您需要讓多個(gè)收發(fā)器芯片通過較低頻率的時(shí)鐘同步，最好是中頻 (IF) 振蕩器。此同步振蕩器僅在某些組件上可用；由于來自多個(gè)組件的波發(fā)射的編排，這種類型的系統(tǒng)是一個(gè)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)。

顯示單個(gè)毫米波傳感器中的 Tx/Rx 同步的示例框圖如下所示。這些框圖中的多個(gè)并行放置，并與相同的振蕩器 (LO) 和時(shí)鐘 (CLK) 同步。這為您提供了以相位同步方式發(fā)射的發(fā)射器的多樣性。

       成像的另一個(gè)重要因素是處理您在系統(tǒng)中生成的大量數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)傳輸回系統(tǒng)控制器（通常是具有適當(dāng) IP 的 FPGA）需要路由一些非常高的數(shù)據(jù)速率協(xié)議；最先進(jìn)的雷達(dá)成像系統(tǒng)使用 10G 或更高的以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

毫米波傳感器與雷達(dá)接收器

作為雷達(dá)收發(fā)器和毫米波傳感器銷售的產(chǎn)品有什么區(qū)別？坦率地說，除了他們針對(duì)的應(yīng)用領(lǐng)域、信號(hào)的生成和使用方式以及集成到毫米波組件中的功能數(shù)量之外，沒有太大區(qū)別。今天的雷達(dá)模塊將針對(duì)其特定應(yīng)用使用專用雷達(dá)收發(fā)器，其中汽車?yán)走_(dá)收發(fā)器就是一個(gè)很好的例子。毫米波傳感器將用于更通用的應(yīng)用，如物體和水平檢測(cè)、人員計(jì)數(shù)和跟蹤或其他任務(wù)。

另一個(gè)主要區(qū)別是功能集成的水平。針對(duì)非常特定的應(yīng)用程序的組件將包括應(yīng)用程序所需的那些功能（在硬件架構(gòu)和固件方面）。嘗試將通用毫米波傳感器安裝到更具體的應(yīng)用中可能需要補(bǔ)充外部 MCU 或其他組件。

一些通用毫米波傳感器

德州儀器 IWR1642

德州儀器的IWR1642 毫米波傳感器是通用毫米波傳感器的一個(gè)示例，它也可以用作雷達(dá)收發(fā)器。它包括 4 個(gè) Rx 通道和 2 個(gè) Tx 通道，用于在需要時(shí)進(jìn)行方向控制。所有功能均可通過外部 MCU 通過標(biāo)準(zhǔn)接口（SPI、I2C、UART、GPIO）或用于原始 ADC 數(shù)據(jù)訪問的 2 通道 LVDS 接口進(jìn)行編程。該傳感器設(shè)計(jì)用于 76 至 81 GHz 的工作頻率，并為安全和工業(yè)監(jiān)控等應(yīng)用提供集成的 FMCW 信號(hào)處理能力。

德州儀器 IWR6843

德州儀器(TI)的IWR6843 毫米波傳感器 IC比之前的組件更通用。該組件面向 60 至 64 GHz 范圍內(nèi)的應(yīng)用，例如功能安全應(yīng)用和自動(dòng)化。該毫米波傳感器包括用于高級(jí)信號(hào)處理的片上 DSP 模塊和用于 FFT 功能、濾波和用于對(duì)象識(shí)別和跟蹤的 CFAR 處理的硬件加速器。德州儀器 (MPN: IWR6843ISK) 還提供基于此組件的插件天線模塊。

       Infineon BGT24LTR11來自 Infineon 的 BGT24LTR11 毫米波傳感器針對(duì) 24 GHz 應(yīng)用，其占用空間非常小。該組件僅使用 1 個(gè) Tx 和 1 個(gè) Rx 通道，因此無法通過單個(gè)組件進(jìn)行波束成形進(jìn)行方向控制。然而，與其他毫米波傳感器或雷達(dá)收發(fā)器相比，消除額外的 Tx/Rx 天線接口可提供更小的占位面積，因此可用于簡(jiǎn)單的發(fā)射器/檢測(cè)器。在 24 GHz 下需要小尺寸、無方向性和低功耗的任何應(yīng)用都可以從該組件中受益。

       此類組件的另一種選擇是通過級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)高度穩(wěn)定、高度相干的 24 GHz 信號(hào)的波束形成。使用這些組件也可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的 MIMO 系統(tǒng)。除了單個(gè) Rx/Tx 通道對(duì)之外，這些組件的主要優(yōu)點(diǎn)是它們通過輸入調(diào)諧電壓引腳進(jìn)行溫度驅(qū)動(dòng)的頻率漂移補(bǔ)償。這消除了對(duì) PLL/MCU 來補(bǔ)償溫度漂移的需要。

用于毫米波產(chǎn)品的其他組件

毫米波應(yīng)用仍在展開，頻率正被推向更高的極限。上面列出的應(yīng)用程序還需要一系列其他組件來構(gòu)建完整的系統(tǒng)。設(shè)計(jì)人員可能需要的其他一些組件包括：

電源管理 IC 確保射頻功率穩(wěn)定性

用于傳感器集成和數(shù)據(jù)處理的 MCU/FPGA

用于傳感器數(shù)據(jù)采集的 ADC

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