Onderzoekers van Imec ontwikkelden een volledig geïntegreerde radar-op-chip op basis van 28 nm cmos-technologie. Het resultaat is uiterst compact (8 mm²) en zuinig (1 W) en presteert heel goed (10 m dieptebereik, 7,5 cm diepteresolutie en 5 graden hoeknauwkeurigheid). Jan Craninckx en Wim Van Thillo beschrijven de sleutelingrediënten.
Millimetergolfradars zijn sensoren die radiogolven gebruiken met een zeer kleine golflengte (1 tot 10 mm; frequentieband 30 tot 300 GHz) om objecten te detecteren. Ze zitten vandaag in duurdere auto’s als parkeerhulp, voor detectie van voetgangers en andere voertuigen en ter preventie van botsingen. Het aantal radars in auto’s zal de komende jaren enorm toenemen; zelfrijdende voertuigen hebben er zelfs meerdere aan boord. Het grote voordeel ten opzichte van camera’s is dat radars ook werken in slechte (weers)omstandigheden zoals mist, stof, sneeuw en tegenlicht.
Radars voor auto’s gebruiken de 79 GHz-frequentieband, maar ook andere banden worden toegewezen en maken nieuwe toepassingen mogelijk (bijvoorbeeld 60 en 140 GHz). Denk aan aanwezigheidsdetectie in gebouwen (voor licht- en klimaatsturing). Radars zijn in dit geval nauwkeuriger dan huidige bewegingssensoren en ‘discreter’ dan camera’s. Het voordeel van een hogere signaalfrequentie (zoals 140 GHz) is dat de radar dan nog kleiner en gevoeliger kan worden.
Auto’s en muren zijn nog vrij voor de hand liggende toepassingen, maar in principe zijn radars in elk object in te bouwen: in een babybedje om de ademhaling op te volgen, in een wielerpiste om snelheid en positie van de renners te meten, in een haardroger om de afstand tot het hoofd te registreren en automatisch de warmte aan te passen, in drones voor een betere navigatie, in tv-schermen en computers voor gebarenherkenning.
Om deze scenario’s waar te maken, moeten de radars van vandaag wel veranderen: ze moeten veel kleiner, zuiniger en goedkoper worden. En – niet onbelangrijk – hun resolutie moet beter: hoe goed kunnen ze twee objecten uit elkaar houden? Uiteindelijk moeten radars zo goed worden dat ze wandelaars van fietsers kunnen onderscheiden, en misschien zelfs individuele personen kunnen herkennen. Dit laatste is bijvoorbeeld interessant om domotica aan te sturen in woningen en kantoren.
Device lifecycle management for fleets of IoT devices
Microchip gives insight on device management, what exactly is it, how to implement it and how to roll over the device management during the roll out phase when the products are in the field. Read more. .
Drie ingrediënten
Drie ingrediënten hebben de eerste radar-op-chip van kleiner dan een vierkante centimeter mogelijk gemaakt. Het eerste is cmos. De huidige radars zijn meestal gebaseerd op SiGe-technologie. Een overschakeling naar cmos – de standaard chiptechnologie – zou weleens de sleutel kunnen zijn tot compacte, zuinige en goedkopere modules. De digitale cmos-functionaliteit laat enerzijds toe de performantie van de analoge blokken te verhogen door doorgedreven kalibratie en controle, en anderzijds zijn de nodige signaalverwerking en algoritmes mee te integreren in een enkel soc.
Imec startte in 2012 met de ontwikkeling van zulke radartechnologie, meer bepaald op basis van 28 nm cmos-technologie. Na de ontwikkeling van een zender in 2013 en een zendontvanger in 2014 hebben we nu een complete systeemchip gerealiseerd, met geïntegreerde antennes in de verpakking. Dit soc bevat twee 79 GHz zenders, twee ontvangers, een pll, adc’s en digitale signaalverwerking in de vorm van correlatoren en accumulatoren (zie kader).
Het tweede ingrediënt is fasemodulatie. Eenvoudige radars sturen korte pulsen uit met een hoog vermogen. Met cmos-technologie kunnen we zoiets niet efficiënt implementeren en kunnen we beter kiezen voor continuous wave-technologie. De meeste radars vandaag zijn fmcw-radars (frequency-modulated continuous wave): ze sturen een frequentiesweep uit van bijvoorbeeld 100 MHz bandbreedte. Die botst tegen het doel, komt terug en op basis van de offset van de frequentie kunnen we de afstand van doel tot radar bepalen. Het nadeel van deze techniek is dat we voor een hoge resolutie ook een grote bandbreedte nodig hebben, en dat een lineaire sweep over die grote bandbreedte moeilijk te realiseren is.
Bij Imec hebben we voor een andere techniek gekozen: pmcw (phase-modulated continuous wave, aangevuld met spillover cancellation). Het radarsysteem stuurt dan een binair signaal uit en correleert de weerkaatsing met offsetsignalen, à la een gps. Het belangrijkste voordeel is dat de efficiëntere coderingstechniek het toelaat om vele antennes tegelijkertijd te gebruiken, en op die manier dus radars te maken met hogere resolutie.
Het derde ingrediënt is mimo. Een hogere hoekresolutie realiseren bij een radar kan door meer antennes te implementeren. Net zoals camera’s beter worden met meer pixels, kan ook een radar beter objecten van elkaar onderscheiden met meer antennes. In radartermen heet dat mimo-performantie (multiple input multiple output).
Het gebruik van pmcw is hiervoor essentieel op systeemniveau, omdat die techniek het toelaat de antennes verschillend te coderen. Zo is met een beperkt aantal zenders en ontvangers toch een grote virtuele antennearray te construeren, met een hoge hoekresolutie. Voor de implementatie biedt cmos-technologie het ideale platform om dit te realiseren met minimale totale oppervlakte, kost en vermogenverbruik.
Doorgedreven signaalverwerking
Ook essentieel voor toekomstige radars is een doorgedreven, slimme signaalverwerking. Zo zit in het signaal dat de radar teruggekaatst krijgt niet alleen informatie over de posities van de objecten in de omgeving, maar ook over hun bewegingen. Deze micro-Doppler-informatie maakt het mogelijk om bijvoorbeeld wandelaars te onderscheiden van lopers, fietsers en huisdieren. Uiteindelijk kunnen we hiermee misschien zelfs mensen uit elkaar houden. Een auto zou zijn bestuurder dan kunnen identificeren en toegang geven op basis van de radarinformatie.
De micro-Doppler-informatie is toegankelijk te maken met algoritmes voor patroonherkenning en automatisch leren – algoritmes die hun toepassing nu vooral vinden in beeldverwerking. In een eerste stap zal de radar zo de micro-Doppler-signatuur van individuele objecten leren herkennen en onderscheiden. In een tweede stap zullen we de signalen van meerdere radars combineren, om daarmee een volledig 360 graden-beeld te krijgen van wat er zich afspeelt rond een auto.
Om het beeld nog vollediger en slimmer te maken, zullen we de informatie uiteindelijk combineren met gegevens van camera’s of ultrasone sensoren. Elk type sensor heeft een toepassingsgebied waarop het unieke informatie aanlevert. Zo zijn beeldsensoren typisch beter in het herkennen van markeringen op de weg of op verkeersborden. Die sensorfusie is waar we naartoe willen.