封裝天線設(shè)計簡化毫米波在樓宇和工廠中的感測

隨著越來越多的工業(yè)應(yīng)用向自動化方向發(fā)展，傳感對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時決策。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。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。為了使工業(yè)感測更加簡單，小尺寸的封裝天線傳感器可以實現(xiàn)以前從未有過的外形設(shè)計。

封裝天線傳感器設(shè)計

在基于射頻（RF）傳感器的系統(tǒng)中，天線設(shè)計與傳感器的選擇同樣重要。天線配置決定了最遠(yuǎn)目標(biāo)探測距離、最大視場（FoV）和分辨率，這對許多應(yīng)用都非常重要。只需單個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。傳統(tǒng)上，采用Rogers材料的毫米波天線被設(shè)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(yè)知識來設(shè)計和制造與傳感器配套的天線。

新型封裝天線（AoP）設(shè)計極大地簡化了電路板制造和系統(tǒng)設(shè)計，使得具有較少RF專業(yè)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(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。

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

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

圖1.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(shè)計（b）。

小巧的外形。

-適用于需要更小傳感器面積的工業(yè)市場。

零電路板布線損耗，使得效率更高。

-更遠(yuǎn)的探測距離性能。

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

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感測系統(tǒng)還應(yīng)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(cè)面，都能實現(xiàn)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(dá)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(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現(xiàn)的三個應(yīng)用：機(jī)器人、占用檢測和自動門。

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候，它被設(shè)計得運(yùn)動緩慢。為了實現(xiàn)快速檢測和避免可能發(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)中實現(xiàn)更高級別的環(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區(qū)域。

圖2.TI毫米波封裝天線傳感器可實現(xiàn)工廠和家庭中各種機(jī)器人的自動化。

TI毫米波封裝天線傳感器支持各種機(jī)器人應(yīng)用，如圖2所示。寬視場可以覆蓋機(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)計中，如清潔機(jī)器人。

除了機(jī)器人應(yīng)用的3D目標(biāo)檢測外，封裝天線傳感器設(shè)計還解決了工廠自動化的三個主要挑戰(zhàn)：

單傳感器覆蓋范圍廣：封裝天線設(shè)計可以檢測130度視場的目標(biāo)，實現(xiàn)了更廣泛的區(qū)域覆蓋，從中可以檢測多個移動目標(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，這對于時尚的小型自動機(jī)器人設(shè)計非常重要，例如自動導(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：不需要昂貴的PCB基板和RF專業(yè)知識，封裝天線傳感器簡化了設(shè)計和制造流程，實現(xiàn)了內(nèi)部設(shè)計并縮短了產(chǎn)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(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)動敏感度、定位精度和隱私性的優(yōu)勢外，封裝天線設(shè)計還為樓宇自動化市場帶來了額外的價值。

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(dú)特的樓宇自動化感測應(yīng)用（如老人監(jiān)控和空調(diào)）帶來安裝和設(shè)計靈活性，如圖3所示。

解決方案的復(fù)雜性可能成為感測技術(shù)進(jìn)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(shè)計過程，使樓宇自動化應(yīng)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(yè)建筑中的電力和數(shù)據(jù)布線附近，或與現(xiàn)有的自動化系統(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)勢外，對于設(shè)計人員和制造商不一定擁有天線設(shè)計方面的RF專業(yè)知識的情況，封裝天線設(shè)計還帶來了更多優(yōu)勢。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，一個傳感器就能夠覆蓋特定的門的整個感興趣區(qū)域。

圖3.使用TI毫米波傳感器的樓宇自動化感測應(yīng)用包括老年人監(jiān)控和空調(diào)。

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

使用封裝天線設(shè)計可方便地統(tǒng)計旋轉(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，同時仍覆蓋寬視場，便于門的操作，如圖4所示。

結(jié)論

結(jié)合TI毫米波技術(shù)的現(xiàn)有優(yōu)勢，樓宇和工廠設(shè)計人員可以通過封裝天線傳感器設(shè)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(shè)計，使工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計人員能夠快速、輕松地將毫米波技術(shù)集成到現(xiàn)有設(shè)計和新應(yīng)用中。

其他資源

了解工業(yè)毫米波封裝天線傳感器。

閱讀白皮書“選擇60   GHz 毫米波傳感器而不是24 GHz，以實現(xiàn)更智能的工業(yè)應(yīng)用?！?/p>

查看參考設(shè)計“基于Sitara?   處理器和毫米波傳感器且使用ROS的自主機(jī)器人參考設(shè)計”。

圖4.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(tǒng)示例。