Радиолокационные системы обычно ассоциируются с военными самолетами, летящими на высокой скорости, однако радары все чаще встречаются в гражданских и коммерческих автомобилях. Радиолокационные системы миллиметрового диапазона (mmWave) устанавливаются в новые автомобили как часть электронной системы помощи водителю (ADAS), которые повышают безопасность управления автомобилем. Маломощные высокочастотные радары позволяют системе ADAS обнаруживать объекты в слепых зонах и предотвращать столкновения.

 

Автомобильные радары являются одной из трех основных сенсорных технологий, обеспечивающие функционирование ADAS, наряду с оптическими системами и определением дальности (LiDAR) и датчиками на основе камер (RGB), инфракрасные (ИК) и ближние ИК-камеры. Автомобильные радары эффективно работают на частоте 24 ГГц, хотя более широкая доступная полоса пропускания на частоте 77 ГГц способствует увеличению числа радарных интегральных схем (ИС) с частотно-модулированными сигналом (FMCW) на частотах миллиметрового диапазона. Радар может различать неподвижные и движущиеся цели и одновременно обнаруживать несколько целей, даже вычисляя относительную скорость обнаруженного транспортного средства по его доплеровским сдвигам.

Радар работает с неизменной точностью при любом освещении и погодных условиях, днем и ночью и в широком диапазоне температур. Информация с набора датчиков, с помощью процессоров ADAS, позволяет создать трехмерные изображения обнаруженных объектов. Разработки в области интеграции датчиков, в частности использование радаров в обоих частотных диапазонах, позволяет получить четырехмерные радиолокационные данные о дальности до цели, угле, скорости и высоте, необходимых для будущего управления автономными транспортными средствами.

Радиолокационные приемники и передатчики для ADAS обычно реализуются в виде высокоинтегрированных монолитных микроволновых интегральных схем (MMIC) с использованием высокочастотных/высокоскоростных полупроводниковых технологий, таких как кремний-германий (SiGe) или кремний (Si) BiCMOS. MMIC обычно поддерживают модульную функциональность с отдельными MMIC для функций передачи и приема или, в качестве приемопередатчиков, с одним или несколькими каналами передачи и приема на чип.

Независимо от того, работают на какой частоте работает система 24 или 77 ГГц, разработчики радарных схем и систем ADAS выделяют основные системные функциональные блоки, такие как микропроцессоры, цифровая обработка сигналов (DSP) и источники питания, в виде ИС для экономии места. Центральный процессор ADAS выполняет интегрированную обработку данных, объединяя данные радара с данными LiDAR и изображениями с камеры, чтобы создать как можно более детальную картину 360-градусного обзора (рис. 1).

Рис. 1. Транспортные средства, оборудованные ADAS, располагают интегрированными данными с датчиков от радаров, LIDAR и систем на основе камер для создания 360-градусного обзора.

 

Сканирующие радарные решения

 

Семейство радиолокационных приемоприемников ADAS BGT24A от Infineon Technologies выполнено в качестве ИС автомобильных радаров, ориентированных на систему ISM-диапазона 24 ГГц.

BGT24A включает ИС BGT2ATR11, радиолокационный приеморедатчик на 24 ГГц с одним каналом передачи и каналом приема; Микросхема производятся в корпусах VQFN (рис. 2) для удобного монтажа на низкопрофильных печатных платах (PCB).

Рис.2. Семейство радарных датчиков BGT24A для диапазона 24 ГГц.

 

BGT24ATR11 — трансивер MMIC с одним каналом приема и передачи, предназначенный для применения в диапазоне частот от 24,00 до 24,25 ГГц. Трансивер соответствует стандарту AEC-Q100 для автомобильных приложений. Основанная на биполярной технологии SiGe: C 0,18 мкм с верхним частотным пределом 200 ГГц, MMIC ограничена малошумящим генератором, регулируемым напряжением (VCO) с частотой 24 ГГц. Фазовый шум ГУН обычно составляет -85 дБн/Гц.

Передатчик имеет быстрое включение/выключение, необходимое для использования радара, обычно за 500 нс. Приемник гомодинного типа поддерживает множество различных конфигураций радиолокационных систем ADAS с частотой 24 ГГц и повышением частоты промежуточных частот (ПЧ) от ожидаемой частоты до 10 МГц. Радиолокационный приемоприемник 24 ГГц производиться в компактном корпусе VQFN, совместимом с RoHS, и потребляет всего 500 мВт от одного источника постоянного тока +3,3 В.

STRADA431 от STMicroelectronics представляет собой один трансивер ADAS 24, соответствующий стандарту AEC-Q100, построенный на основе малошумного ГУН на частоту 24 ГГц. Типовой шум составляет −75 дБн/Гц при смещении на 100 кГц от центральной частоты. Микросхема производиться в корпусе QFN размером 6 × 6 мм. Питание +3,3 В и управление с помощью четырехпроводного интерфейса SPI. MMIC имеет встроенные датчики мощности и температуры, его одноканальный приемопередатчик использует дифференциальный выход +13 дБм на частоте 24 ГГц. Также, приемопередатчик включает в себя переключаемые/выбираемые фильтры ПЧ.

Компания Analog Devices, давний поставщик интегральных схем, которая участвует в создании рынка микросхем для радарных систем. Компания производит микросхемы с частотой 24 ГГц для предприятий и промышленных систем безопасности, которые также работают с радарами ADAS. Как и многие поставщики полупроводников, компания, также, предлагает оценочные платы для быстрого освоения радиолокационных чипов.

Передающая ИС ADF5901 24 ГГц и приемная ИС ADF5904 24 ГГц вместе с микросхемой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) ADF4159 установлена на отладочном модуле радара EV-TINYRAD24G и плате EV-RADAR-MMIC2, чтобы облегчить работу разработчиков и иметь возможность проверки антенных систем mmWave. Модуль отладки (рис. 3) оснащен антенной с фазированной решеткой с множественными входами и множественными выходами (MIMO), которая позволяет формировать диаграммы направленности антенны для передачи и приема с использованием нескольких небольших антенных элементов в решетке.

Рис.3. Для простоты отладки, микросхемы передачи и приема (24 ГГц) смонтированы на компактной печатной плате моделя EV-TINYRAD24G.

 

Диапазон 77 ГГц

 

В настоящее время, доступная полоса пропускания ISM на частотах 24 ГГц ограничена 250 МГц. Поэтому многие производители систем считают более эффективным использование диапазона 77 ГГц (высокое разрешение при меньших длинах волн), что является преимуществом для радаров ADAS. Многие микросхемы, используемые для радиолокационных чипов ADAS, способны работать как с частотой 24 ГГц, так и частотой 77 ГГц, при этом сохраняя архитектурные решения схемы реализации приемопередатчика.

Например, STMicroelectronics производит свой двухдиапазонный радиолокационный приемопередатчик STRADA770M ADAS с диапазоном частот от 76 до 77 ГГц и от 77 до 81 ГГц на SiGe BiCMOS. Крошечный трансивер состоит из четырех несимметричных каналов приемника с входным сопротивлением 50 Ом — каждый и с АЦП высокого разрешения.

Радиолокационный приемоприемник STRADA770M включает в себя встроенный генератор с низким уровнем шума, предназначенный для использования с опорными кварцевыми резонаторами с частотой 40 или 50 МГц. Типовой фазовый  шум не превышает -95 дБн/Гц при сдвиге на 1 МГц от номинальной частоты 77 ГГц. Мощность выходная обычно составляет +13 дБмВт в диапазоне от 76 до 77 ГГц и +10 дБмВт в диапазоне от 77 до 81 ГГц. ИС имеет встроенный секвенсор ЛЧМ и модулятор ЛЧМ FMCW, а также цифровой интерфейс управления, который можно настроить для работы SPI или I2C. MMIC работает от одного источника постоянного напряжения +3,3 В.

Радиолокационный трансивер ADAS TEF8102 MMIC (рис. 4) от NXP Semiconductors изготовлен по фирменному 20-нм техпроцессу RF CMOS. MMIC содержит три канала передачи с бинарным управлением и стабилизацию выходного уровня, а также четыре канала приема; каждый приемный канал имеет выделенный 12-разрядный АЦП. Мощность передатчика составляет +12 дБмВт в диапазоне частот от 76 до 78 ГГц и +13 дБмВт в диапазоне частот от 78 до 81 ГГц. Типовой фазовый шум составляет −86 дБн/Гц при смещении на 1 МГц от любой частоты в диапазоне от 76 до 81 ГГц.

 

Рис. 4. MMIC TEF8102 представляет собой радиолокационный приемопередатчик с тремя каналами передачи и четырьмя каналами приема. Сканирующие частоты от 76 до 81 ГГц.

 

Радиолокационные приложения SRR, MRR и LRR в диапазоне частот от 76 до 81 ГГц с полосой частот ЛЧМ 0,5, 1,0 и 2,0 МГц/мкс соответственно, что обеспечивает устойчивое обнаружение внезапного резкого торможения (AEB), безопасный круиз-контроль (ACC), обнаружение перекрестного движения спереди (FCTA), обнаружение перекрестного движения сзади (RCTA), помощь при парковке (PA) и обнаружение слепых зон (BSD).

Четыре MMIC радиолокационного приемопередатчика TEF8102 способны обеспечить достаточно данных для полного 360 градусного покрытия.

Однокристальный FMCW-радиолокационный приемопередатчик AWR1243 от Texas Instruments имеет три несимметричных канала передачи и четыре несимметричных канала приема, охватывающих диапазон от 76 до 81 ГГц. Фирма предлагает две версии устройств: для моделей AWR1243, которые сочетают в себе работу двух из трех каналов передачи, а для моделей AWR1243P, все три канала передачи.

Радар MMIC изготовлен с использованием 45-нм технологий RF CMOS с низким энергопотреблением, соответствующим стандарту AEC-Q100, при этом может работать как с источниками +3,3, так и с +1,8 В. Основой MMIC является встроенный синтезатор частоты PLL с дробным коэффициентом деления, который управляет генерацией ЛЧМ и синхронизацией.

Генератор микросхемы AWR1243 обеспечивает низкий шум –95 дБн/Гц при смещении на 1 МГц от несущих 76–77 ГГц и –93 дБн/Гц при смещении 1 МГц от несущих 77–81 ГГц. Типовая выходная мощность приемника составляет +12 дБ. Приемоередатчик выполнен в корпусе типа Flip Chip BGA размером 10,4 × 10,4 мм. Выполняя стандартные микропрограммы, трансивер можно использовать для всех трех основных типов автомобильных приложений (SRR, MRR и LRR) на частотах от 76 до 81 ГГц.

 

Источник: www.mwrf.com