封裝天線(xiàn)設計簡(jiǎn)化毫米波在樓宇和工廠(chǎng)中的感測

隨著(zhù)越來(lái)越多的工業(yè)應用向自動(dòng)化方向發(fā)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(shí)時(shí)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(jìn)行大量數據處理，從而實(shí)現邊緣智能化。

TI毫米波傳感器可在室內、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(wú)需外部透鏡、開(kāi)孔或額外微帶天線(xiàn)，這使得該技術(shù)能夠在許多樓宇和工廠(chǎng)中進(jìn)行精確感測。TI的60 GHz調頻連續波（FMCW）毫米波技術(shù)可為全球大多數工業(yè)應用提供開(kāi)放式毫米波感測。為了使工業(yè)感測更加簡(jiǎn)單，小尺寸的封裝天線(xiàn)傳感器可以實(shí)現以前從未有過(guò)的外形設計。

封裝天線(xiàn)傳感器設計

在基于射頻（RF）傳感器的系統中，天線(xiàn)設計與傳感器的選擇同樣重要。天線(xiàn)配置決定了最遠目標探測距離、最大視場(chǎng)（FoV）和分辨率，這對許多應用都非常重要。只需單個(gè)傳感器和正確的天線(xiàn)配置，工業(yè)系統便可以覆蓋廣泛的區域，進(jìn)行目標檢測。傳統上，采用Rogers材料的毫米波天線(xiàn)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(shí)需要RF專(zhuān)業(yè)知識來(lái)設計和制造與傳感器配套的天線(xiàn)。

新型封裝天線(xiàn)（AoP）設計極大地簡(jiǎn)化了電路板制造和系統設計，使得具有較少RF專(zhuān)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中。與標準TI   60-GHz傳感器相比，封裝天線(xiàn)傳感器可減少40％的電路板面積，與其他雷達技術(shù)相比，電路板面積減少75％。圖1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(xiàn)傳感器時(shí)可能減小的尺寸。

使用TI毫米波封裝天線(xiàn)傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)包括：

降低系統和制造的成本和復雜性，加快產(chǎn)品上市速度。

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

-內部設計和開(kāi)發(fā)傳感器解決方案只需要極少RF專(zhuān)業(yè)知識。

圖1.對比采用外部天線(xiàn)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(xiàn)傳感器的新型22 mm×23 mm評估板設計（b）。

小巧的外形。

-適用于需要更小傳感器面積的工業(yè)市場(chǎng)。

零電路板布線(xiàn)損耗，使得效率更高。

-更遠的探測距離性能。

使用封裝天線(xiàn)設計的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據。關(guān)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(xiàn)傳感器的天線(xiàn)的寬視場(chǎng)配置可同時(shí)提供水平和垂直的130度視角。無(wú)論傳感器是安裝在天花板上還是側面，都能實(shí)現真正的3D感測。這種天線(xiàn)配置以及小尺寸的TI毫米波封裝天線(xiàn)傳感器，使得雷達感測幾乎可以在樓宇自動(dòng)化、工廠(chǎng)自動(dòng)化、智能家居、個(gè)人電子和工業(yè)系統中的任何地方使用。

讓我們關(guān)注封裝天線(xiàn)傳感器實(shí)現的三個(gè)應用：機器人、占用檢測和自動(dòng)門(mén)。

機器人：在大范圍內防止碰撞

當工業(yè)機器人在人旁邊工作的時(shí)候，它被設計得運動(dòng)緩慢。為了實(shí)現快速檢測和避免可能發(fā)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(shí)現更高級別的環(huán)境感知以及冗余分析性能，可以通過(guò)3D傳感功能來(lái)定義安全或危險區域。

圖2.TI毫米波封裝天線(xiàn)傳感器可實(shí)現工廠(chǎng)和家庭中各種機器人的自動(dòng)化。

TI毫米波封裝天線(xiàn)傳感器支持各種機器人應用，如圖2所示。寬視場(chǎng)可以覆蓋機器人周?chē)母鼜V的范圍，以避免在工廠(chǎng)車(chē)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。

除了機器人應用的3D目標檢測外，封裝天線(xiàn)傳感器設計還解決了工廠(chǎng)自動(dòng)化的三個(gè)主要挑戰：

單傳感器覆蓋范圍廣：封裝天線(xiàn)設計可以檢測130度視場(chǎng)的目標，實(shí)現了更廣泛的區域覆蓋，從中可以檢測多個(gè)移動(dòng)目標或人員，從而在機器人應用里更好地進(jìn)行事件管理。這反過(guò)來(lái)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(xiàn)傳感器的較小外形意味著(zhù)它們可以裝入更小的外殼中，這對于時(shí)尚的小型自動(dòng)機器人設計非常重要，例如自動(dòng)導引車(chē)輛、輸送機器人以及工廠(chǎng)中的小型機械臂，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(zhuān)業(yè)知識，封裝天線(xiàn)傳感器簡(jiǎn)化了設計和制造流程，實(shí)現了內部設計并縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間。

占用檢測：墻壁和天花板安裝的簡(jiǎn)化感測

樓宇自動(dòng)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域的占用。除了TI毫米波技術(shù)帶來(lái)的運動(dòng)敏感度、定位精度和隱私性的優(yōu)勢外，封裝天線(xiàn)設計還為樓宇自動(dòng)化市場(chǎng)帶來(lái)了額外的價(jià)值。

TI毫米波封裝天線(xiàn)傳感器具有寬視場(chǎng)和小巧的外形，可為獨特的樓宇自動(dòng)化感測應用（如老人監控和空調）帶來(lái)安裝和設計靈活性，如圖3所示。

解決方案的復雜性可能成為感測技術(shù)進(jìn)入樓宇自動(dòng)化中的難以置信的障礙。封裝天線(xiàn)傳感器簡(jiǎn)化并加速了設計過(guò)程，使樓宇自動(dòng)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(xiàn)傳感器的天線(xiàn)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)建筑中的電力和數據布線(xiàn)附近，或與現有的自動(dòng)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(xiàn)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)設計成為可能，有助于清除當今商業(yè)建筑中傳感裝置常見(jiàn)的視覺(jué)天花板雜亂或“天花板痤瘡”。

自動(dòng)門(mén)：在狹小空間內進(jìn)行基于位置和速度的操作

智能傳感器通過(guò)提供安全、經(jīng)濟、節能的解決方案，在自動(dòng)門(mén)應用中發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。除了TI毫米波傳感器的優(yōu)勢外，對于設計人員和制造商不一定擁有天線(xiàn)設計方面的RF專(zhuān)業(yè)知識的情況，封裝天線(xiàn)設計還帶來(lái)了更多優(yōu)勢。封裝天線(xiàn)傳感器的易于集成使他們能夠專(zhuān)注于使門(mén)變得更加智能，而不是將資源投入到傳感器開(kāi)發(fā)上。由于寬視場(chǎng)，一個(gè)傳感器就能夠覆蓋特定的門(mén)的整個(gè)感興趣區域。

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

封裝天線(xiàn)設計解決了典型的門(mén)傳感器檢測區域可能無(wú)法達到的“盲區”的常見(jiàn)問(wèn)題，從而系統中無(wú)需多個(gè)傳感器。

使用封裝天線(xiàn)設計可方便地統計旋轉門(mén)中的人數以避免過(guò)度擁擠或確定阻擋車(chē)庫門(mén)的障礙物的高度，能夠無(wú)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(xiàn)傳感器小巧的外形可無(wú)縫集成到入口系統中，同時(shí)仍覆蓋寬視場(chǎng)，便于門(mén)的操作，如圖4所示。

結論

結合TI毫米波技術(shù)的現有優(yōu)勢，樓宇和工廠(chǎng)設計人員可以通過(guò)封裝天線(xiàn)傳感器設計將自動(dòng)化和智能提升到新的水平。這些封裝天線(xiàn)傳感器具有寬視場(chǎng)、更小的外形和簡(jiǎn)化的設計，使工業(yè)系統設計人員能夠快速、輕松地將毫米波技術(shù)集成到現有設計和新應用中。

其他資源

了解工業(yè)毫米波封裝天線(xiàn)傳感器。

閱讀白皮書(shū)“選擇60   GHz 毫米波傳感器而不是24 GHz，以實(shí)現更智能的工業(yè)應用?！?/p>

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

圖4.TI毫米波封裝天線(xiàn)傳感器支持的樓宇和倉庫自動(dòng)化入口系統示例。