用于ADAS、机器人和安全的毫米波传感器

用于ADAS、机器人和安全的毫米波传感器

由于传感器和 HMI 系统的普遍使用，今天的电子产品与周围世界的集成度越来越高。今天的毫米波传感器套件采用 IC 形式和模块形式，两者都为许多系统提供紧凑的解决方案，包括机器人、无人机、ADAS 和安全。毫米波传感最知名的应用分为两个领域：雷达和无线，特别是 5G 和即将推出的 6G 系统。

尽管这两个领域是最知名的，但它们并不是毫米波工程师和系统设计师的唯一机会领域。毫米波传感器可用于其他任务，如手势识别、乘员或物体检测、生命体征测量，甚至成像。在这些应用领域，毫米波收发器和传感器是系统工程师构建产品所需的技术推动力。

如果你正在设计需要毫米波传感器的系统，你会在市场上找到多种选择，为毫米波系统提供多种功能。

毫米波传感器和应用领域示例

除了 5G 和汽车雷达之外，毫米波辐射和传感还有多个应用领域，并且提供了一些针对这些领域的特定系统量身定制的组件。其他组件用于毫米波系统的一般用途，使其成为研究新系统设计和架构的不错工具。

下面，我将探讨当今使用毫米波传感器的一些主要商业化领域，以及人们可能会在哪些领域找到构建新产品的机会。

汽车雷达

第一个领域是汽车驾驶辅助系统 (ADAS)，其中雷达与多个传感器（光学、超声波和短程/远程雷达）一起使用，以确保汽车安全。工作频率为 24GHz 的毫米波传感器用于车辆中的短程雷达，用于盲点监控、障碍物检测和防撞等应用。这些短程雷达一直使用 24GHz 的 ISM 频段或 21.65 至 26.65GHz 的超宽带 (UWB)。然而，由于美国和欧洲的监管限制，UWB 频段将在 2022 年过时。

       今天的宽视场雷达和远程聚焦雷达使用 77 GHz 载波运行，后者可以提供大约 250 m 的范围。商用雷达模块使用中心馈电贴片天线来传输和接收调频连续波 (FMCW) 啁啾雷达信号。中心馈电贴片天线的使用提供了这些雷达所需的波束控制、方向检测和宽视场。

无人机和机器人

无人机和机器人都需要雷达来“看到”周围的世界并跟踪环境中的外部物体。无人机和其他机器人，例如工业或家用机器人，可以在 ISM 频段中以 24 GHz 运行，或者它们可以在 60 GHz 下运行以用于更高分辨率的应用。就像汽车雷达一样，这些系统需要将来自多个传感器的数据与复杂的处理算法融合在一起，以充分利用毫米波信号和传感器。

安全

这个领域仍然鲜为人知，但雷达可以集成到用于人员计数、物体检测和物体跟踪的安全系统中。智能基础设施是一个更通用的领域，毫米波传感器可用于对象检测和跟踪。毫米波雷达和传感器有助于将计算感知带入边缘计算系统，主要应用是安全性。这些雷达在诸如光学解决方案（即使用相机的物体识别）之类的仅由于成本和视野而失败的情况下取得了成功。在如此长的距离上进行准确的光学物体识别需要牺牲视野，并且需要更昂贵的光学组件。安全摄像头系统中的毫米波雷达和传感器创建了一个有用的对象跟踪解决方案。

高分辨率和成像系统

虽然毫米波发射器和接收器对于检测目标非常有用，但这些系统通常无法有效成像。这有几个原因，主要是需要高分辨率波束成形。波束成形在系统设计方面的挑战性问题是分辨率和发射器数量之间的关系。更高分辨率的成像需要更多的发射器，这反过来又需要多个发射器之间的同步，以便为所需的传播方向设置广播信号之间的相位延迟。

为了在大量发射器之间同步更多信号，您需要让多个收发器芯片通过较低频率的时钟同步，最好是中频 (IF) 振荡器。此同步振荡器仅在某些组件上可用；由于来自多个组件的波发射的编排，这种类型的系统是一个级联系统。

显示单个毫米波传感器中的 Tx/Rx 同步的示例框图如下所示。这些框图中的多个并行放置，并与相同的振荡器 (LO) 和时钟 (CLK) 同步。这为您提供了以相位同步方式发射的发射器的多样性。

       成像的另一个重要因素是处理您在系统中生成的大量数据。将这些数据传输回系统控制器（通常是具有适当 IP 的 FPGA）需要路由一些非常高的数据速率协议；最先进的雷达成像系统使用 10G 或更高的以太网进行数据传输。

毫米波传感器与雷达接收器

作为雷达收发器和毫米波传感器销售的产品有什么区别？坦率地说，除了他们针对的应用领域、信号的生成和使用方式以及集成到毫米波组件中的功能数量之外，没有太大区别。今天的雷达模块将针对其特定应用使用专用雷达收发器，其中汽车雷达收发器就是一个很好的例子。毫米波传感器将用于更通用的应用，如物体和水平检测、人员计数和跟踪或其他任务。

另一个主要区别是功能集成的水平。针对非常特定的应用程序的组件将包括应用程序所需的那些功能（在硬件架构和固件方面）。尝试将通用毫米波传感器安装到更具体的应用中可能需要补充外部 MCU 或其他组件。

一些通用毫米波传感器

德州仪器 IWR1642

德州仪器的IWR1642 毫米波传感器是通用毫米波传感器的一个示例，它也可以用作雷达收发器。它包括 4 个 Rx 通道和 2 个 Tx 通道，用于在需要时进行方向控制。所有功能均可通过外部 MCU 通过标准接口（SPI、I2C、UART、GPIO）或用于原始 ADC 数据访问的 2 通道 LVDS 接口进行编程。该传感器设计用于 76 至 81 GHz 的工作频率，并为安全和工业监控等应用提供集成的 FMCW 信号处理能力。

德州仪器 IWR6843

德州仪器(TI)的IWR6843 毫米波传感器 IC比之前的组件更通用。该组件面向 60 至 64 GHz 范围内的应用，例如功能安全应用和自动化。该毫米波传感器包括用于高级信号处理的片上 DSP 模块和用于 FFT 功能、滤波和用于对象识别和跟踪的 CFAR 处理的硬件加速器。德州仪器 (MPN: IWR6843ISK) 还提供基于此组件的插件天线模块。

       Infineon BGT24LTR11来自 Infineon 的 BGT24LTR11 毫米波传感器针对 24 GHz 应用，其占用空间非常小。该组件仅使用 1 个 Tx 和 1 个 Rx 通道，因此无法通过单个组件进行波束成形进行方向控制。然而，与其他毫米波传感器或雷达收发器相比，消除额外的 Tx/Rx 天线接口可提供更小的占位面积，因此可用于简单的发射器/检测器。在 24 GHz 下需要小尺寸、无方向性和低功耗的任何应用都可以从该组件中受益。

       此类组件的另一种选择是通过级联实现高度稳定、高度相干的 24 GHz 信号的波束形成。使用这些组件也可以实现独特的 MIMO 系统。除了单个 Rx/Tx 通道对之外，这些组件的主要优点是它们通过输入调谐电压引脚进行温度驱动的频率漂移补偿。这消除了对 PLL/MCU 来补偿温度漂移的需要。

用于毫米波产品的其他组件

毫米波应用仍在展开，频率正被推向更高的极限。上面列出的应用程序还需要一系列其他组件来构建完整的系统。设计人员可能需要的其他一些组件包括：

电源管理 IC 确保射频功率稳定性

用于传感器集成和数据处理的 MCU/FPGA

用于传感器数据采集的 ADC

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