Радарни сензори – интегрални схеми и модули

Димитър Колев

Принципите зад съкращението RADAR (Radio Detection and Ranging), което се появява около 1940 г. в САЩ, днес са добре известни. Технологията е с установени изисквания и параметри, описани в техническата литература. В тази статия ще направим кратък преглед на радарни сензори, и по-конкретно радарни интегрални схеми (РИС) и радарни модули (РМ), с работни честоти в обхвата 5-120 GHz, основни параметри и принципи на функциониране, както и приложенията им в различни области.

Особености и параметри

Съществуват два основни подхода при разработката на радарна система – дискретен, с базови дискретни елементи и ИС като функционални блокове, или интегриран, като напълно интегрираната система се състои от една РИС и минимум външни блокове или дискретни елементи.

Основните параметри на всяко радарно приложение са: минимален и максимален обхват, работна честота, честотна лента, максимална мощност на предавателя, захранващо напрежение, консумирана мощност, физически размери и налични аналогови и цифрови интерфейси. При РИС с висока интеграция са интересни също наличието на интегрирани антени (AiP, AoP), повече от един предавател и приемник, цифров сигнален процесор (DSP), процесор за бързи преобразувания на Фурие (FFT accelerator), както и един или няколко микроконтролера, памет за постоянни и програмируеми параметри, вграден температурен сензор, възможност за автоматична калибровка и различни нива на функционална безопасност (ASIL levels), възможност за свързване на няколко модула или синхронизация с други сензори (оптични, инерционни, магнитни – sensor fusion).

Според конкретното приложение трябва да се имат предвид също: Field of View (FoV), или диаграма на насоченост и усилване на антените (вградени или външни), фокусиращи лещи, минимални размери на измервания обект, точност и скорост на измерване, разделителна способност при работа с няколко обекта, отражателна способност на различните материали и обекти и т.н. От законова гледна точка са важни различните работни честоти и изходни нива, както и наличност на съответните сертификати за електромагнитна съвместимост (RED/FFC и т.н.) за съответната държава.

Използването на 24 GHz обхвата за обслужване на 5G мобилните мрежи след 2022 г. е един от факторите за развитието на РИС с по-висока честота – 60/77/120 GHz. Друга причина за използване на по-високи честоти са миниатюризацията на модулите и антените, свързани с тях, както и по-голямата точност, разделителна способност и скорост – което е пряко свързано с работната честота (дължина на вълната) и съответната честотна лента. Но всяко решение има както предимства, така и недостатъци, което означава, че класическите радари в обхвата 5-24 GHz са и ще продължават да бъдат активни продукти.

Приложения

Основните приложения на РИС и РМ са измерване на скорост, разстояние, посока и ъгъл до обект или обекти, както и детекция на присъствие или движение. Допълнителната обработка на сигнала дава възможност за разпознаване на материали, класифициране и групиране на няколко обекта едновременно, проследяване и разпознаване на жестове, следене на жизнени параметри като дишане и пулс. Основните предимства на съвременните РИС и РМ са малки физически размери, малка излъчвана и консумирана мощност, както и лесна интеграция в съществуващи продукти.

В индустриалната автоматизация радарите се използват за измерване на разстояния до течности и насипни материали в стационарни и подвижни контейнери и резервоари, както и за измерване на скорост на потока в отворени и затворени канали, реки и т.н. Радарите се използват също и при манипулатори и автономни платформи.

Основните приложения в автомобилната и транспортна индустрия, (фиг. 1), са радари за активна и пасивна безопасност, паркиране, светофарни уредби, активни пътни знаци и радари за контрол на скоростта. Вътре в автомобила РИС и РМ се използват за детектори на движение, безопасност, в панели за управление и др.

В комерсиалните приложения и сградната автоматизация РИС и РМ се използват като детектори за движение в алармени инсталации, управление на врати и бариери, разпознаване на жестове в телефони, дисплеи, слушалки, скоростомери за спортни тренировки и дори играчки.

Режими на работа

Радарите работят в два основни режима – непрекъснат и импулсен. В непрекъснат режим, Continuous wave (CW), предавателят на радара излъчва постоянно, с фиксирана честота, като приемникът също работи през цялото време. Ако радарът излъчва постоянно, но с променлива честота, той се нарича Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) радар.

В импулсен режим, Impulse wave (IW), предавателят излъчва кратък импулс с постоянна или променлива честота (наричан още chirp), прекратява излъчването за определен период и чака да приеме отразения сигнал/ехо, след което цикълът се повтаря. За този режим се дефинира също честота на повторение на импулса - Pulse repetition frequency (PRF).

Възможен е и хибриден режим на работа, например импулсно работещ CW/FMCW радар, при който могат да се регулират дължината и формата на импулса, отстоянието между импулсите и т.н.

Функционалност и кон-структивни реализации

Нека започнем с доплеров детектор, който служи като микровълнов сензор за движение и скоростомер, но не може да измерва дистанция. Типични примери са радарните модули NJR41/42 и AgilSense HB100 (наследници на РМ като KMY10 и KMY24 на Siemens и MDU120 на Microsemi). Захранващото напрежение може да бъде 3,3/5/12 V, а обхватът 0,5-50 m. РМ HB100 е реализиран само с 5 дискретни елементa и въпреки това е напълно функционален доплеров модул. Съществуват варианти с различна работна честота – 9,3, 9,9, 10,525 GHz според регулациите в страната, за която са предназначени. Основен елемент при тези високи честоти е и самата печатна платка (ПП), нейният материал и структура, както и дължината, формата и разположението на всички пътечки и печатни елементи – всеки малък детайл и разположението му променя капацитета и индуктивността, като води до оптимално работещо решение или незадоволителен краен резултат. Този проблем се усложнява с повишаване на честотата и се решава чрез електромагнитни симулатори – както за РИС, така и за ПП и антените.

Предавателната (ТX) и приемната (RX) част работят постоянно и имат две отделни антени или пасивни антенни решетки, интегрирани от обратната на компонентите страна на ПП. Интересен момент е, че захранването на тези антени става безконтактно – през слот в екраниращия слой на ПП.

На изхода на такъв РМ се получава периодичен сигнал с определена амплитуда и честота, като амплитудата зависи от типа на материала (отразяващата способност) и разстоянието до него, а честотата зависи от скоростта на приближаване/отдалечаване на измервания обект. Да вземем за пример модул с работна честота 10 GHz, като предаваният сигнал се генерира с Dielectric Resonator Oscillator (DRO). Изходният сигнал се получава при смесване на излъчения тон и приетото ехо. Ако обектът не се движи, няма разлика и съоветно не различаваме обект. Ако обектът се приближава или отдалечава, се получава разлика – доплерово отместване/честота.

При смесването получаваме две странични честоти на основната, наречени междинночестотни продукти (Intermediate Frequency, IF) или тонове – един, който е сума, и един, който е разлика. Като пример, при 10 GHz излъчен тон и при 100 Hz доплерово отместване, ще получим сумата 20 GHz плюс 100 Hz и разликата, която ще е само 100 Hz. Много по-лесно е да измерим ниската честота. Необходимото филтриране се извършва с компоненти, реализирани на платката, а допълнителното усилване и филтриране се извършва с външни ИС и дискретни елементи.

Измерената доплерова честота Fd [Hz] на изхода се дефинира като:

Fd = 2V (Ftx / c) cosΘ,

където: V - скорост на обекта, m/s; Ftx - предавана честота, Hz; c - скорост на светлината, 3.10⁸ m/s; Θ - ъгъл между предавателя и обекта [°], (приемаме, че са на една права, cos0=1)

И така, при Ftx = 10,585 GHz имаме Fd [Hz] = 19,49.V [km/h]. Например 100 km/h дава резултат 1949 Hz.

Въпреки че все още се използват модули като HB100, те все повече отстъпват на РИС с висока степен на интеграция, които включват в себе си предавателна и приемна част, осцилатор (VCO), смесител, филтриращи, усилващи и съответни интерфейсни модули към външен микроконтролер. В този случай DRO не се използва.

Характерни примери са фамилията TRXBGT24 на Infineon (фиг. 2 и 3) и дискретните компоненти на Microsemi (осцилатори, детектори, варикапи). Използването на отделени TX, RX, TRX модули дава гъвкавост на системата, но това води до по-големи физически размери и по-дълго време за проектиране, тестване и сертифициране. РИС, които използват FMCW принципа, могат да измерват прецизно разстояние, скорост и ъгъл до един или повече обекти. Типични представители са ADF5901/ADF5904, А111, BGT24xx, RSX86xx, TEF810x, MR3003, STRADA770M, RIC60A, TRX120, AWR и IWR сериите 14/16/18/68 (таблица 1)

Основно качество на FMCW радара е измерването и на дистанция, което е невъзможно при CW/Doppler сензорите. FMCW радарът излъчва непрекъснато импулси с променлива честота (chirp), която се изменя в определени граници и за определено време. Продължителността Тc на подобен chirp, трябва да е много по-голяма от времето Td, за което отразеният сигнал се връща, за да имаме валидно сравнение. Например при радар с обхват 300 m и време за излъчване на един chirp 40 us, отношението е Td/Tc=5%. При сравняване на излъчения и отразен сигнал, и по-точно тяхната честотна и фазова разлика, може много точно да се определи разстоянието до обекта и неговата относителна скорост. С добавяне на допълнителни независими Tx и Rx канали могат да се разграничават и множество обекти, които се намират на едно и също разстояние или се движат с една и съща скорост, но се намират под различен ъгъл и елевация спрямо равнината на антените.

Пример за връзката между работната честота, лентата и времето за излъчване е показан на фиг. 4. Работната честота е 77-81 GHz, което прави лента от 4 GHz и при време за излъчване 40 микросекунди получаваме определена скорост на нарастване на честотата, S (slope) – 100 MHz за микросекунда.

Отражение от единичен обект през FMCW радара ще доведе до IF тон с честота Fc

Fc = S2d/c,

където: S - скорост на нарастване, MHz/us; d - дистанция до обекта; c – скорост на светлината, 3.108 m/s.

Разделителната способност d_res или възможността за различаване на два отделни обекта зависи само от честотната лента на излъчения chirp d_res=c/2B, което при B=4 GHz ни дава 3,75 cm. В ИС с цифрова обработка като IWR/AWR фамилията, максималният обхват на радара е ограничен от скоростта на вградените АЦП. В крайна сметка, по-дълъг цикъл на измерване ни дава по-голяма точност, а по-къс – по-голям максимален обхват, като изборът се прави спрямо конкретното приложение.

Измерването на скорост при FMCW радарите използва сравнение на фазовата разлика между два последователни chirp импулса и сравнение с отразения сигнал, а измерването на ъгъл и елевация използва фазовата разлика между chirp импулси от различни антени (за радари с няколко TX и RX канала).

Радарни интегрални схеми

РИС А111 на Acconeer работи в модифициран FMCW режим, който производителят нарича още Time of Flight (ToF) и Pulsed Coherent Radar (PCR). Обхватът е 0,5-10 метра, работната честота e 60 GHz, (фиг. 5). PCR радарът може да измерва както относително бавни процеси (ниво и дистанция), така и бързи и малки изменения (вибрации, жестове), като може и да следи няколко обекта.

Друг представител на РИС са фамилиите IWR – за индустриални, и AWR – за автомобилни приложения на Тexas Instruments. Архитектурата на отделните модели е подобна, като разликите са в броя независими Rx/Tx канали, наличието на FFT хардуерен ускорител, DSP, ARM процесор(и), както и различен обем ROM/RAM, интерфейси и т.н.

РИС IWR6843AOP представлява завършена FMCW радарна система с вградени антени. В BGA чип с размери 15x15 mm, са поместени общо 7 антени, 3 Тх и 4 Rx самостоятелни канала, напълно интегриран радиомодул, два ARM контролера с ROM/RAM за самостоятелна калибровка, проверка и детекция на обекти и обслужване на комуникационните интерфейси, C674x DSP и хардуерен ускорител. Единият ARM контролер е достъпен за потребителя и може да зарежда самостоятелно приложение от външна FLASH памет, докато вторият се програмира от производителя и служи за непрекъснато автоматично наблюдение и калибровка.

AWR фамилията е ориентирана към автомобилни приложения и има подобни характеристики като IWR, но са добавени специфични възможности – като например последователно свързване (cascade), бързи интерфейси (LVDS), функционална безопасност (ASIL) и т.н. Нов представител е РИС AWR2243, която работи в обхвата 71-81 GHz, т.е. има по-широка честотна лента от 5 GHz и дава възможност за каскадиране.

РИС за автомобилни приложения се използват главно в предни и странични/ъглови радари (фиг. 1). Предните радари имат среден/дълъг обхват – до 300-600 m, като са отговорни за системите за автоматично аварийно спиране, както и за адаптивно регулиране на зададената скорост (Adaptive Cruise Control). Страничните радари обикновено са с малък/среден обхват (до 10 m) и се използват в системите за избягване на коли в сляпата зона на страничните огледала, за помощ при смяна на лентите, за детекция превозни средства отпред или отзад, за подпомагане при ръчно и автоматично паркиране. Бъдещите приложения на автомобилните радари включват 3D/4D “зрение”, както и интегрирана съвместна работа с всички други сензори за постигане на частична и пълна автономност и безопасност.

Радарни модули

Ако при дадена разработка няма време или възможност за начален старт с РИС, очевиден вариант е използването на радарни модули (табл. 2), и съответните демонстрационни и развойни комплекти от техните производители. Предимствата са много – наличие на примерни схеми, сравнения за специфични приложения, минимално време за тестване на първото приложение, готов дизайн на радиочестотна печатна платка и антени, сертифициран модул с дефинирани параметри, готови софтуерни библиотеки и примери за тях.

Завършени радарни модули за вграждане – доплерови детектори за движение и скорост, както и FMCW за разстояние, предлага японският производител JRC. Всички РМ са във вариант с интегрирани на печатната платка антени, като електрониката е екранирана в метален корпус. Разликите са в работната честота, обхвата, захранващото напрежение и възможните интерфейси. Модулите могат да работят със или без допълнителен контролер.

Триканалният доплеров РМ на Fujitsu Microelectronics изисква външен контролер (Front-end module). За работа с него се предлага развоен комплект, който може да се програмира според конкретното приложение.

Базираните на BGT24 доплерови модули на Seeed са с честоти 5, 10 и 24 GHz и разполагат със сериен канал или аналогови/On/Off изходи. Основните им приложения са опростени проекти и прототипи, както и като стартова точка за нови разработки. Могат да се използват със или без допълнителен контролер.

Широка гама от готови за вграждане и самостоятелни РМ предлагат редица производители, сред които и OmniPreSense. Голяма част от тях са базови CW/Doppler модули на 24 GHz за детекция на движение и скорост. Използват се за управление на врати и бариери, алармени системи, светофарни уредби и др. Следват многоканални модули с възможност за измерване на ъгъл до измервания обект, както и FMCW системи за измерване на разстояние. Най-сложни са РМ за автомобилни приложения и 3D/4D радари, които обикновено са базирани на IWR/AWR, MR3003, TEF810x. Тези РМ могат да работят самостоятелно, както и интегрирани с допълнителен контролер.

Радарните модули на Acconeer са на базата на РИС А111(A1), като разликите са във физическите размери, наличните интерфейси и опции за захранване. Предлагат се и полимерни лещи за допълнително формиране на диаграмата на излъчване на вградените антени.

Антенни системи

На последно място, но не и по важност, част от всеки радар са антените на РИС и РМ. Интегралните схеми с вградени антени (фиг. 6) пестят място и не се нуждаят от външни антенни елементи, но това води до някои ограничения и по-сложен процес на изработка. Допълнителни изменения в диаграмата на излъчване могат да се постигнат с външни полимерни лещи.

При РИС с външни антени елементите на антената се разполагат обикновено възможно най-близко до чипа, на същата или обратната страна на платката, като най-често се използват пасивни антенни решетки, при които лесно се различават предавателната и приемната част. Възможно е и използване на отдалечени антени, като в този случай трябва да се използват подходящи коаксиални фидери и конектори, съобразени с работната честота.