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德州仪器白皮书:封装天线设计简化毫米波在楼宇和工厂中的感测

本文作者:德州仪器       点击: 2019-08-08 12:32
前言:
传统的传感技术已被用于解决人数统计、运动检测、工业区域扫描和检测目标并避免碰撞的机器人技术等具有挑战性的问题。
 
随着越来越多的工业应用向自动化方向发展,传感对于生成和处理各种数据变得尤为重要,这使得系统可以变得自主并做出实时决策。德州仪器(TI)高度集成的毫米波(mmWave)雷达传感器内部可进行大量数据处理,从而实现边缘智能化。

TI毫米波传感器可在室内、室外的各种环境和照明条件下工作。这些极其耐用的传感器可以直接安装在塑料外壳后面,无需外部透镜、开孔或额外微带天线,这使得该技术能够在许多楼宇和工厂中进行精确感测。TI的60 GHz调频连续波(FMCW)毫米波技术可为全球大多数工业应用提供开放式毫米波感测。为了使工业感测更加简单,小尺寸的封装天线传感器可以实现以前从未有过的外形设计。

封装天线传感器设计
在基于射频(RF)传感器的系统中,天线设计与传感器的选择同样重要。天线配置决定了最远目标探测距离、最大视场(FoV)和分辨率,这对许多应用都非常重要。只需单个传感器和正确的天线配置,工业系统便可以覆盖广泛的区域,进行目标检测。传统上,采用Rogers材料的毫米波天线被设计在印刷电路板(PCB)上,以提供高精度的感测。  尽管非常有效,但这确实需要RF专业知识来设计和制造与传感器配套的天线。

新型封装天线(AoP)设计极大地简化了电路板制造和系统设计,使得具有较少RF专业知识的工程师也可以非常轻松地将TI毫米波传感器集成到他们的系统中。与标准TI 60-GHz传感器相比,封装天线传感器可减少40%的电路板面积,与其他雷达技术相比,电路板面积减少75%。图1显示了从传统的60 GHz毫米波传感器到60 GHz毫米波封装天线传感器时可能减小的尺寸。

使用TI毫米波封装天线传感器的主要优点包括:
 降低系统和制造的成本和复杂性,加快产品上市速度。
- 使用更简单,更便宜的FR4设计,可以灵活地在世界任何地方生产。
- 内部设计和开发传感器解决方案只需要极少RF专业知识。
 

图1.对比采用外部天线的60 GHz 55 mm×55 mm TI毫米波评估板(a)和采用TI毫米波封装天线传感器的新型22 mm×23 mm评估板设计(b)。

 小巧的外形。
- 适用于需要更小传感器面积的工业市场。
 零电路板布线损耗,使得效率更高。
- 更远的探测距离性能。

使用封装天线设计的TI毫米波传感器进行工业3D感测
毫米波传感器需要从其环境中捕获位置和精确数据。关键数据集包括目标相对于传感器的的距离和目标的速度。为了加强有用数据的收集,3D感测系统还应该能够检测物体的高度并滤除地面杂波。这最大化地提高了传感器的精度和测量性能。

封装天线传感器的天线的宽视场配置可同时提供水平和垂直的130度视角。无论传感器是安装在天花板上还是侧面,都能实现真正的3D感测。这种天线配置以及小尺寸的TI毫米波封装天线传感器,使得雷达感测几乎可以在楼宇自动化、工厂自动化、智能家居、个人电子和工业系统中的任何地方使用。

让我们关注封装天线传感器实现的三个应用:机器人、占用检测和自动门。  
 
机器人:在大范围内防止碰撞
当工业机器人在人旁边工作的时候,它被设计得运动缓慢。为了实现快速检测和避免可能发生的碰撞,机械臂和自主机器人制造商需要在机器人系统中实现更高级别的环境感知以及冗余分析性能,可以通过3D传感功能来定义安全或危险区域。
 
  

图2.TI毫米波封装天线传感器可实现工厂和家庭中各种机器人的自动化。
 
TI毫米波封装天线传感器支持各种机器人应用,如图2所示。宽视场可以覆盖机器人周围的更广的范围,以避免在工厂车间的碰撞。小巧的外形使其易于安装在较小的机器人设计中,如清洁机器人。

除了机器人应用的3D目标检测外,封装天线传感器设计还解决了工厂自动化的三个主要挑战:
 单传感器覆盖范围广:封装天线设计可以检测130度视场的目标,实现了更广泛的区域覆盖,从中可以检测多个移动目标或人员,从而在机器人应用里更好地进行事件管理。这反过来减少了用于区域扫描的传感器数量,并降低了整体系统成本。
 小巧的外形: 封装天线传感器的较小外形意味着它们可以装入更小的外壳中,这对于时尚的小型自动机器人设计非常重要,例如自动导引车辆、输送机器人以及工厂中的小型机械臂,用于感知和避免碰撞。
 更快投入市场:不需要昂贵的PCB基板和RF专业知识,封装天线传感器简化了设计和制造流程,实现了内部设计并缩短了产品上市时间。

占用检测:墙壁和天花板安装的简化感测
楼宇自动化中的传感解决方案通常涉及检测和了解商业或住宅楼宇中的房间或感兴趣区域的占用。除了TI毫米波技术带来的运动敏感度、定位精度和隐私性的优势外,封装天线设计还为楼宇自动化市场带来了额外的价值。  TI毫米波封装天线传感器具有宽视场和小巧的外形,可为独特的楼宇自动化感测应用(如老人监控和空调)带来安装和设计灵活性,如图3所示。
 
解决方案的复杂性可能成为感测技术进入楼宇自动化中的难以置信的障碍。封装天线传感器简化并加速了设计过程,使楼宇自动化应用中的工程师可以将注意力集中在用于检测和识别人员的差异化软件上。
 
封装天线传感器的天线配置使其既适用于壁挂式也适用于天花板式。在楼宇自动化中,这种宽视场提供了安装的灵活性,使传感器可以安装在商业建筑中的电力和数据布线附近,或与现有的自动化系统相结合,以降低安装成本和安装系统的数量。封装天线传感器具有适合较小外壳的能力,较小的外形使得更干净的工业设计成为可能,有助于清除当今商业建筑中传感装置常见的视觉天花板杂乱或“天花板痤疮”。
 
自动门:在狭小空间内进行基于位置和速度的操作
智能传感器通过提供安全、经济、节能的解决方案,在自动门应用中发挥着关键作用。除了TI毫米波传感器的优势外,对于设计人员和制造商不一定拥有天线设计方面的RF专业知识的情况,封装天线设计还带来了更多优势。封装天线传感器的易于集成使他们能够专注于使门变得更加智能,而不是将资源投入到传感器开发上。由于宽视场,一个传感器就能够覆盖特定的门的整个感兴趣区域。
 
  

图3.使用TI毫米波传感器的楼宇自动化感测应用包括老年人监控和空调。
 
封装天线设计解决了典型的门传感器检测区域可能无法达到的“盲区”的常见问题,从而系统中无需多个传感器。
 
使用封装天线设计可方便地统计旋转门中的人数以避免过度拥挤或确定阻挡车库门的障碍物的高度,能够无缝地适用于体积较大的传感器模块不可行的狭窄空间。封装天线传感器小巧的外形可无缝集成到入口系统中,同时仍覆盖宽视场,便于门的操作,如图4所示。  

结论
结合TI毫米波技术的现有优势,楼宇和工厂设计人员可以通过封装天线传感器设计将自动化和智能提升到新的水平。这些封装天线传感器具有宽视场、更小的外形和简化的设计,使工业系统设计人员能够快速、轻松地将毫米波技术集成到现有设计和新应用中。
 
 

图4.TI毫米波封装天线传感器支持的楼宇和仓库自动化入口系统示例。
 
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