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封裝天線設計簡化毫米波在樓宇和工廠中的感測

2019-11-19 來源:EEWorld

傳統的傳感技術已被用于解決人數統計、運動檢測、工業區域掃描和檢測目標并避免碰撞的機器人技術等具有挑戰性的問題。


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隨著越來越多的工業應用向自動化方向發展,傳感對于生成和處理各種數據變得尤為重要,這使得系統可以變得自主并做出實時決策。德州儀器(TI)高度集成的毫米波(mmWave)雷達傳感器內部可進行大量數據處理,從而實現邊緣智能化。


TI毫米波傳感器可在室內、室外的各種環境和照明條件下工作。這些極其耐用的傳感器可以直接安裝在塑料外殼后面,無需外部透鏡、開孔或額外微帶天線,這使得該技術能夠在許多樓宇和工廠中進行精確感測。TI的60 GHz調頻連續波(FMCW)毫米波技術可為全球大多數工業應用提供開放式毫米波感測。為了使工業感測更加簡單,小尺寸的封裝天線傳感器可以實現以前從未有過的外形設計。


封裝天線傳感器設計


在基于射頻(RF)傳感器的系統中,天線設計與傳感器的選擇同樣重要。天線配置決定了最遠目標探測距離、最大視場(FoV)和分辨率,這對許多應用都非常重要。只需單個傳感器和正確的天線配置,工業系統便可以覆蓋廣泛的區域,進行目標檢測。傳統上,采用 Rogers 材料的毫米波天線被設計在印刷電路板(PCB)上,以提供高精度的感測。


盡管非常有效,但這確實需要RF專業知識來設計和制造與傳感器配套的天線。


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對比采用外部天線的60 GHz 55 mm×55 mm TI毫米波評估板(a)和采用TI毫米波封裝天線傳感器的新型22 mm×23 mm評估板設計(b)。


新型封裝天線(AoP)設計極大地簡化了電路板制造和系統設計,使得具有較少RF專業知識的工程師也可以非常輕松地將TI毫米波傳感器集成到他們的系統中。與標準TI 60-GHz傳感器相比,封裝天線傳感器可減少40%的電路板面積,與其他雷達技術相比,電路板面積減少75%。上圖顯示了從傳統的60 GHz毫米波傳感器到60 GHz毫米波封裝天線傳感器時可能減小的尺寸。


使用TI毫米波封裝天線傳感器的主要優點包括:


?降低系統和制造的成本和復雜性,加快產品上市速度。

- 使用更簡單,更便宜的FR4設計,可以靈活地在世界任何地方生產。

- 內部設計和開發傳感器解決方案只需要極少RF專業知識。

? 小巧的外形。

- 適用于需要更小傳感器面積的工業市場。

? 零電路板布線損耗,使得效率更高。

- 更遠的探測距離性能。


使用封裝天線設計的TI毫米波傳感器進行工業3D感測


毫米波傳感器需要從其環境中捕獲位置和精確數據。關鍵數據集包括目標相對于傳感器的的距離和目標的速度。為了加強有用數據的收集,3D感測系統還應該能夠檢測物體的高度并濾除地面雜波。這最大化地提高了傳感器的精度和測量性能。


封裝天線傳感器的天線的寬視場配置可同時提供水平和垂直的130度視角。無論傳感器是安裝在天花板上還是側面,都能實現真正的3D感測。這種天線配置以及小尺寸的TI毫米波封裝天線傳感器,使得雷達感測幾乎可以在樓宇自動化、工廠自動化、智能家居、個人電子和工業系統中的任何地方使用。


機器人:在大范圍內防止碰撞


當工業機器人在人旁邊工作的時候,它被設計得運動緩慢。為了實現快速檢測和避免可能發生的碰撞,機械臂和自主機器人制造商需要在機器人系統中實現更高級別的環境感知以及冗余分析性能,可以通過 3D 傳感功能來定義安全或危險區域。


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TI毫米波封裝天線傳感器支持各種機器人應用,如下圖所示。寬視場可以覆蓋機器人周圍的更廣的范圍,以避免在工廠車間的碰撞。小巧的外形使其易于安裝在較小的機器人設計中,如清潔機器人。


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TI毫米波封裝天線傳感器可實現工廠和家庭中各種機器人的自動化。


除了機器人應用的3D目標檢測外,封裝天線傳感器設計還解決了工廠自動化的三個主要挑戰:


? 單傳感器覆蓋范圍廣:封裝天線設計可以檢測130度視場的目標,實現了更廣泛的區域覆蓋,從中可以檢測多個移動目標或人員,從而在機器人應用里更好地進行事件管理。這反過來減少了用于區域掃描的傳感器數量,并降低了整體系統成本。

? 小巧的外形: 封裝天線傳感器的較小外形意味著它們可以裝入更小的外殼中,這對于時尚的小型自動機器人設計非常重要,例如自動導引車輛、輸送機器人以及工廠中的小型機械臂,用于感知和避免碰撞。

? 更快投入市場:不需要昂貴的PCB基板和RF專業知識,封裝天線傳感器簡化了設計和制造流程,實現了內部設計并縮短了產品上市時間。


占用檢測:墻壁和天花板安裝的簡化感測


樓宇自動化中的傳感解決方案通常涉及檢測和了解商業或住宅樓宇中的房間或感興趣區域的占用。除了 TI 毫米波技術帶來的運動敏感度、定位精度和隱私性的優勢外,封裝天線設計還為樓宇自動化市場帶來了額外的價值。


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使用TI毫米波傳感器的樓宇自動化感測應用包括老年人監控和空調。


TI毫米波封裝天線傳感器具有寬視場和小巧的外形,可為獨特的樓宇自動化感測應用(如老人監控和空調)帶來安裝和設計靈活性,如上圖所示。


解決方案的復雜性可能成為感測技術進入樓宇自動化中的難以置信的障礙。封裝天線傳感器簡化并加速了設計過程,使樓宇自動化應用中的工程師可以將注意力集中在用于檢測和識別人員的差異化軟件上。


封裝天線傳感器的天線配置使其既適用于壁掛式也適用于天花板式。在樓宇自動化中,這種寬視場提供了安裝的靈活性,使傳感器可以安裝在商業建筑中的電力和數據布線附近,或與現有的自動化系統相結合,以降低安裝成本和安裝系統的數量。封裝天線傳感器具有適合較小外殼的能力,較小的外形使得更干凈的工業設計成為可能,有助于清除當今商業建筑中傳感裝置常見的視覺天花板雜亂或“天花板痤瘡”。


自動門:在狹小空間內進行基于位置和速度的操作


智能傳感器通過提供安全、經濟、節能的解決方案,在自動門應用中發揮著關鍵作用。除了TI毫米波傳感器的優勢外,對于設計人員和制造商不一定擁有天線設計方面的RF專業知識的情況,封裝天線設計還帶來了更多優勢。封裝天線傳感器的易于集成使他們能夠專注于使門變得更加智能,而不是將資源投入到傳感器開發上。由于寬視場,一個傳感器就能夠覆蓋特定的門的整個感興趣區域。


封裝天線設計解決了典型的門傳感器檢測區域可能無法達到的“盲區”的常見問題,從而系統中無需多個傳感器。


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TI毫米波封裝天線傳感器支持的樓宇和倉庫自動化入口系統示例。


使用封裝天線設計可方便地統計旋轉門中的人數以避免過度擁擠或確定阻擋車庫門的障礙物的高度,能夠無縫地適用于體積較大的傳感器模塊不可行的狹窄空間。封裝天線傳感器小巧的外形可無縫集成到入口系統中,同時仍覆蓋寬視場,便于門的操作,如上圖所示。


TI獨一無二的毫米波傳感器


結合TI毫米波技術的現有優勢,樓宇和工廠設計人員可以通過封裝天線傳感器設計將自動化和智能提升到新的水平。這些封裝天線傳感器具有寬視場、更小的外形和簡化的設計,使工業系統設計人員能夠快速、輕松地將毫米波技術集成到現有設計和新應用中。


點擊這里,查看使用TI毫米波傳感器的參考設計,實現具備以上優勢的解決方案。


作者:

Prajakta Desai

德州儀器工業雷達產品市場經理

Keegan Garcia

德州儀器工業雷達產品市場經理

Osamah Ahmad

德州儀器工業雷達產品市場經理

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