封裝天線設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化毫米波在樓宇和工廠中的感測(cè)

Prajakta Desai；Keegan Garcia；Osamah Ahmad

傳統(tǒng)的傳感技術(shù)已被用于解決人數(shù)統(tǒng)計(jì)、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、工業(yè)區(qū)域掃描和檢測(cè)目標(biāo)并避免碰撞的機(jī)器人技術(shù)等具有挑戰(zhàn)性的問題。

隨著越來越多的工業(yè)應(yīng)用向自動(dòng)化方向發(fā)展，傳感對(duì)于生成和處理各種數(shù)據(jù)變得尤為重要，這使得系統(tǒng)可以變得自主并做出實(shí)時(shí)決策。德州儀器（TI）高度集成的毫米波（mmWave）雷達(dá)傳感器內(nèi)部可進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理，從而實(shí)現(xiàn)邊緣智能化。

TI毫米波傳感器可在室內(nèi)、室外的各種環(huán)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(shù)能夠在許多樓宇和工廠中進(jìn)行精確感測(cè)。TI的60 GHz調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）毫米波技術(shù)可為全球大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用提供開放式毫米波感測(cè)。為了使工業(yè)感測(cè)更加簡(jiǎn)單，小尺寸的封裝天線傳感器可以實(shí)現(xiàn)以前從未有過的外形設(shè)計(jì)。

封裝天線傳感器設(shè)計(jì)

在基于射頻（RF）傳感器的系統(tǒng)中，天線設(shè)計(jì)與傳感器的選擇同樣重要。天線配置決定了最遠(yuǎn)目標(biāo)探測(cè)距離、最大視場(chǎng)（FoV）和分辨率，這對(duì)許多應(yīng)用都非常重要。只需單個(gè)傳感器和正確的天線配置，工業(yè)系統(tǒng)便可以覆蓋廣泛的區(qū)域，進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)。傳統(tǒng)上，采用Rogers材料的毫米波天線被設(shè)計(jì)在印刷電路板（PCB）上，以提供高精度的感測(cè)。盡管非常有效，但這確實(shí)需要RF專業(yè)知識(shí)來設(shè)計(jì)和制造與傳感器配套的天線。

新型封裝天線（AoP）設(shè)計(jì)極大地簡(jiǎn)化了電路板制造和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使得具有較少RF專業(yè)知識(shí)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(tǒng)中。與標(biāo)準(zhǔn)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(dá)技術(shù)相比，電路板面積減少75％。圖1顯示了從傳統(tǒng)的60 GHz毫米波傳感器到60 GHz毫米波封裝天線傳感器時(shí)可能減小的尺寸。

使用TI毫米波封裝天線傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)包括：

降低系統(tǒng)和制造的成本和復(fù)雜性，加快產(chǎn)品上市速度。

使用更簡(jiǎn)單，更便宜的FR4設(shè)計(jì)，可以靈活地在世界任何地方生產(chǎn)。

內(nèi)部設(shè)計(jì)和開發(fā)傳感器解決方案只需要極少RF專業(yè)。

圖1.對(duì)比采用外部天線的60 GHz 55 mm×55 mm TI毫米波評(píng)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(píng)估板設(shè)計(jì)(b)

小巧的外形。

適用于需要更小傳感器面積的工業(yè)市場(chǎng)。

零電路板布線損耗，使得效率更高。

更遠(yuǎn)的探測(cè)距離性能。

使用封裝天線設(shè)計(jì)的TI毫米波傳感器進(jìn)行工業(yè)3D感測(cè)

毫米波傳感器需要從其環(huán)境中捕獲位置和精確數(shù)據(jù)。關(guān)鍵數(shù)據(jù)集包括目標(biāo)相對(duì)于傳感器的的距離和目標(biāo)的速度。為了加強(qiáng)有用數(shù)據(jù)的收集，3D感測(cè)系統(tǒng)還應(yīng)該能夠檢測(cè)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(cè)量性能。

封裝天線傳感器的天線的寬視場(chǎng)配置可同時(shí)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(cè)面，都能實(shí)現(xiàn)真正的3D感測(cè)。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(dá)感測(cè)幾乎可以在樓宇自動(dòng)化、工廠自動(dòng)化、智能家居、個(gè)人電子和工業(yè)系統(tǒng)中的任何地方使用。

讓我們關(guān)注封裝天線傳感器實(shí)現(xiàn)的三個(gè)應(yīng)用：機(jī)器人、占用檢測(cè)和自動(dòng)門。

機(jī)器人：在大范圍內(nèi)防止碰撞

當(dāng)工業(yè)機(jī)器人在人旁邊工作的時(shí)候，它被設(shè)計(jì)得運(yùn)動(dòng)緩慢。為了實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)和避免可能發(fā)生的碰撞，機(jī)械臂和自主機(jī)器人制造商需要在機(jī)器人系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的環(huán)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(xiǎn)區(qū)域。

TI毫米波封裝天線傳感器支持各種機(jī)器人應(yīng)用。寬視場(chǎng)可以覆蓋機(jī)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(jī)器人設(shè)計(jì)中，如清潔機(jī)器人。

除了機(jī)器人應(yīng)用的3D目標(biāo)檢測(cè)外，封裝天線傳感器設(shè)計(jì)還解決了工廠自動(dòng)化的三個(gè)主要挑戰(zhàn)：

單傳感器覆蓋范圍廣：封裝天線設(shè)計(jì)可以檢測(cè)130度視場(chǎng)的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了更廣泛的區(qū)域覆蓋，從中可以檢測(cè)多個(gè)移動(dòng)目標(biāo)或人員，從而在機(jī)器人應(yīng)用里更好地進(jìn)行事件管理。這反過來減少了用于區(qū)域掃描的傳感器數(shù)量，并降低了整體系統(tǒng)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(duì)于時(shí)尚的小型自動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)非常重要，例如自動(dòng)導(dǎo)引車輛、輸送機(jī)器人以及工廠中的小型機(jī)械臂，用于感知和避免碰撞。

更快投入市場(chǎng)：不需要昂貴的PCB基板和RF專業(yè)知識(shí)，封裝天線傳感器簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和制造流程，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部設(shè)計(jì)并縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間。

占用檢測(cè)：墻壁和天花板安裝的簡(jiǎn)化感測(cè)

樓宇自動(dòng)化中的傳感解決方案通常涉及檢測(cè)和了解商業(yè)或住宅樓宇中的房間或感興趣區(qū)域的占用。除了TI毫米波技術(shù)帶來的運(yùn)動(dòng)敏感度、定位精度和隱私性的優(yōu)勢(shì)外，封裝天線設(shè)計(jì)還為樓宇自動(dòng)化市場(chǎng)帶來了額外的價(jià)值。

TI毫米波封裝天線傳感器具有寬視場(chǎng)和小巧的外形，可為獨(dú)特的樓宇自動(dòng)化感測(cè)應(yīng)用（如老人監(jiān)控和空調(diào)）帶來安裝和設(shè)計(jì)靈活性。

解決方案的復(fù)雜性可能成為感測(cè)技術(shù)進(jìn)入樓宇自動(dòng)化中的難以置信的障礙。封裝天線傳感器簡(jiǎn)化并加速了設(shè)計(jì)過程，使樓宇自動(dòng)化應(yīng)用中的工程師可以將注意力集中在用于檢測(cè)和識(shí)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(dòng)化中，這種寬視場(chǎng)提供了安裝的靈活性，使傳感器可以安裝在商業(yè)建筑中的電力和數(shù)據(jù)布線附近，或與現(xiàn)有的自動(dòng)化系統(tǒng)相結(jié)合，以降低安裝成本和安裝系統(tǒng)的數(shù)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(yè)設(shè)計(jì)成為可能，有助于清除當(dāng)今商業(yè)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(dòng)門：在狹小空間內(nèi)進(jìn)行基于位置和速度的操作

智能傳感器通過提供安全、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的解決方案，在自動(dòng)門應(yīng)用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。除了TI毫米波傳感器的優(yōu)勢(shì)外，對(duì)于設(shè)計(jì)人員和制造商不一定擁有天線設(shè)計(jì)方面的RF專業(yè)知識(shí)的情況，封裝天線設(shè)計(jì)還帶來了更多優(yōu)勢(shì)。封裝天線傳感器的易于集成使他們能夠?qū)Ｗ⒂谑归T變得更加智能，而不是將資源投入到傳感器開發(fā)上。由于寬視場(chǎng)，一個(gè)傳感器就能夠覆蓋特定的門的整個(gè)感興趣區(qū)域。

封裝天線設(shè)計(jì)解決了典型的門傳感器檢測(cè)區(qū)域可能無法達(dá)到的“盲區(qū)”的常見問題，從而系統(tǒng)中無需多個(gè)傳感器。

使用封裝天線設(shè)計(jì)可方便地統(tǒng)計(jì)旋轉(zhuǎn)門中的人數(shù)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(tǒng)中，同時(shí)仍覆蓋寬視場(chǎng)，便于門的操作。

結(jié)論

結(jié)合TI毫米波技術(shù)的現(xiàn)有優(yōu)勢(shì)，樓宇和工廠設(shè)計(jì)人員可以通過封裝天線傳感器設(shè)計(jì)將自動(dòng)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(chǎng)、更小的外形和簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)，使工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠快速、輕松地將毫米波技術(shù)集成到現(xiàn)有設(shè)計(jì)和新應(yīng)用中。

審核編輯：郭婷