Texas Instruments: Integrierte Antennenlösung vereinfacht HF-Implementierung

Die mm-Wave-Sensoren von TI lassen sich sowohl Indoor- als auch Outdoor sowie bei verschiedenen Umgebungsbedingungen und Lichtverhältnissen einsetzten. Zudem sind sie robust und der Entwickler kann sie direkt und ohne Objektive, Öffnungen oder spezielle Sensoroberflächen hinter Kunststoffgehäusen anbringen, was dieser Technik eine präzise Sensorfunktionalität in diversen Gebäude- und Fabrik-Anwendungen verleiht. Die mit 60 GHz arbeitende FMCW-mm-Wave-Technologie (Frequency Modulated Continuous Wave) macht die Open-Band-Millimeterwellen-Sensorik in vielen verschiedenen industriellen Anwendungen möglich. Um die industrielle Sensorik weiter zu rationalisieren, erlauben kleine Antenna-on-Package-Sensoren die Realisierung von Designs in Formaten, die zuvor so nicht möglich waren.

Das Design von Antenna-on-Package-Sensoren

In Systemen auf der Basis von HF-Sensoren ist das Design der Antenne ebenso wichtig wie die Auswahl des Sensors selbst, denn es ist die Antennenkonfiguration, die die maximale Objektentfernung und das maximale Sichtfeld (Field of View, FoV) ebenso bestimmt wie die Auflösung, die für viele Anwendungen wichtig ist. Mit einem einzigen Sensor und der richtigen Antennenkonfiguration kann ein industrielles System für die simultane Objekterkennung einen weiten Bereich abdecken. mm-Wave-Antennen wurden traditionell auf Leiterplatten aus Rogers-Material (geringere Verluste bei hohen Frequenzen) hergestellt, um für eine hochpräzise Sensorik zu sorgen. Dies ist tatsächlich effektiv, setzt aber HF-Know-how für das Design und die Herstellung einer Antenne voraus, die neben dem Sensor arbeiten kann.

Ein Antenna-on-Package-Design (AoP) bringt eine Vereinfachung der Leiterplattenherstellung und des Systemdesigns mit sich, sodass auch Ingenieure mit einem Minimum an HF-Kenntnissen die mm-Wave-Sensoren von TI in ihre Systeme integrieren können. AoP-Sensoren bewirken gegenüber einem herkömmlichen 60-GHz-Sensor von TI eine 40-prozentige Reduzierung der Leiterplattenfläche. Welche Größenreduzierung durch den Umstieg von einem konventionellen 60 GHz mm-Wave-Sensor auf einen 60 GHz mm-Wave-AoP-Sensor möglich wird, ist in Bild 1 illustriert.

Einsatz von mm-Wave-Sensoren mit einem AoP-Design

Ein mm-Wave-Sensor muss sowohl Orts- als auch Genauigkeitsdaten aus seiner Umgebung erfassen. Entscheidende Daten betreffen die Entfernung des jeweiligen Objekts vom Sensor und die Geschwindigkeit des Objekts. Um in maximalem Umfang aussagefähige Daten zu erfassen, sollte ein 3D-Sensorsystem außerdem in der Lage sein, die Höhe eines Objekts zu detektieren und Bodenechos ausfiltern, denn nur so erreicht ein Sensor ein Maximum an Genauigkeit und Messleistung.

Bild 1: Das Evaluation Board für den mm-Wave-AoP-Sensor von TI (links) misst 22 mm × 23 mm und ist damit wesentlich kleiner als das Evaluation Board mit externer Antenne (55 mm × 55 mm). Texas Instruments

Die Konfiguration einer AoP-Antenne für ein weites Sichtfeld ergibt einen Blickwinkel von 130° (Azimut und Elevation), was eine echte 3D-Erfassung ermöglicht – ganz gleich, ob der Sensor an der Decke oder der Wand montiert ist. Diese Antennenkonfiguration zusammen mit den kleinen Abmessungen der mm-Wave-AoP-Sensoren von TI ermöglichen den Einsatz der Radarsensorik nahezu überall in der Gebäude- und Fabrikautomation, im Smart-Home-Bereich, in elektronischen Kleingeräten für den Privatgebrauch und in industriellen Systemen.

Kollisionsvermeidung in weitem Bereich

Industrieroboter sind so konstruiert, dass sie sich langsam bewegen, wenn sie neben Menschen arbeiten. Die Hersteller von Roboterarmen und autonomen Robotern müssen in großem Umfang Umgebungserfassung und Redundanz in ihre Robotersysteme einbauen, um potenzielle Kollisionen rasch zu erkennen und zu vermeiden. Mithilfe von 3D-Sensorik werden zu diesem Zweck sichere Bereiche und Gefahrenzonen definiert.

Bild 2: mmWave-AoP-Sensoren von TI erlauben die Automatisierung in einer Vielzahl von Robotern für Fabriken und den privaten Bereich. Texas Instruments

mm-Wave-AoP-Sensoren eignen sich für verschiedene Roboteranwendungen (Bild 2). Ein weites Blickfeld bedeutet hierbei, dass sich ein größerer Bereich um den Roboter herum abdecken lässt, um Kollisionen in Fabriken zu vermeiden, während die kleinen Abmessungen den Einbau in kleine Roboterdesigns wie etwa Staubsaug-Roboter erleichtern.

Neben der 3D-Objekterkennung für Roboter-Anwendungen zielen AoP-Sensordesigns auf drei wichtige Herausforderungen in der Fabrikautomation:

• Großer Erfassungsbereich mit einem einzigen Sensor: Ein AoP-Design kann Objekte in einem Blickfeld von 130° erkennen. Folglich entsteht ein größerer Bereich, in dem mehrere sich bewegende Objekte oder Personen detektiert werden können, um in der Robotertechnik ein besseres Störfallmanagement zu ermöglichen. Hierdurch verringert sich die Zahl der Sensoren, die zum Scannen eines Bereichs notwendig sind, und somit auch die gesamten Systemkosten.
• Kleines Format: Dank ihrer kleineren Abmessungen lassen sich AoP-Sensoren in kompakten Gehäusen unterbringen. Wichtig ist dies beispielsweise für schlanke, autonome Roboterdesigns wie etwa fahrerlose Transportsysteme, Lieferroboter und kleinere Roboterarme in Fabriken für Sense-and-Avoid-Anwendungen.
• Kurze Markteinführungszeit: Da weder teure Leiterplatten-Substrate noch HF-Know-how erforderlich sind, vereinfachen AoP-Sensoren den Design- und Herstellungsprozess, sodass In-house-Designs möglich werden und sich die Markteinführung beschleunigt.

Präsenzerkennung: Einfachere Sensorik bei Wand- und Deckenmontage

Bei Sensing-Lösungen in der Gebäudeautomation geht es generell um das Detektieren und Auswerten der Belegung von interessierenden Räumen oder von bestimmten Bereichen in gewerblich oder privat genutzten Gebäuden. Abgesehen von den Vorteilen der mm-Wave-Technologie von TI (Bewegungssensitivität, Ortungsgenauigkeit und Wahrung der Privatsphäre), bietet ein AoP-Design einen zusätzlichen Nutzen für den Gebäudeautomations-Markt.

Bild 3: Die Überwachung von Senioren und Klimaanlagensteuerungen gehören zu den Anwendungen für Gebäudeautomations-Applikationen mit mmWave-Sensoren von TI. Texas Instruments

Die mm-Wave-AoP-Sensoren von TI besitzen ein großes Sichtfeld und ein kleines Format, was sich durch Installations- und Designflexibilität bei speziellen Sensorik-Anwendungen in der Gebäudeautomation auszahlt. Zu nennen sind beispielsweise die Überwachung von Senioren oder Klimaanlagen (Bild 3).

Die Komplexität einer Lösung kann eine erhebliche Einstiegshürde für eine Sensing-Technologie in der Gebäudeautomation sein. AoP-Sensoren aber vereinfachen und beschleunigen den Designprozess, damit Ingenieure in Anwendungen der Gebäudeautomation ihre Ressourcen gezielt auf spezielle Software für die Detektierung und Identifikation von Menschen fokussieren können.

Aufgrund seiner Antennenkonfiguration eignet sich der AoP-Sensor für die Wand- und Deckenmontage. Das weite Sichtfeld sorgt in der Gebäudeautomation für Flexibilität bei der Anbringung, sodass Architekten und Planer die Sensoren näher an den Stromversorgungs- und Datenleitungen gewerblicher Gebäude platzieren können. Außerdem lassen sie sich dadurch im Verbund mit bestehenden Automatisierungssystemen so anbringen, dass die Installationskosten sinken und weniger Systeme installiert werden müssen.

Dank der Möglichkeit zum Einbau in kleinere Systeme ebnen die kompakteren Sensoren den Weg zu einer klareren Formensprache, was wiederum dazu beitragen kann, die in heutigen Gewerbegebäuden häufig anzutreffenden, mit Sensoren überfrachteten Decken visuell ansprechender zu gestalten.

Positions- und geschwindigkeitsgesteuerter Betrieb bei engen Verhältnissen

Intelligente Sensoren spielen eine zentrale Rolle in automatischen Türen und Schranken, denn sie ermöglichen Lösungen, die nicht nur sicher, sondern auch energieeffizient sind. Dank ihrer umgänglichen Integration bieten AoP-Sensoren den Designern die Möglichkeit, sich auf die Konstruktion intelligenterer Türen zu konzentrieren, anstatt sich mit der Sensorentwicklung befassen zu müssen.

Bild 4: Beispiele für automatisierte Eingangssysteme in Gebäuden oder Lagerhäusern, die mit mmWave-AoP-Sensoren von TI möglich werden. Texas Instruments

Wegen des großen Sichtfelds kann ein einziger Sensor den gesamten relevanten Bereich um eine Tür oder Schranke abdecken. Da ein AoP-Design damit das häufige Problem der toten Winkel vermeidet, lässt sich das System ohne zusätzliche Sensoren entwickeln.

Das Zählen von Personen in einer Drehtür, um eine Überfüllung zu vermeiden, oder die Höhenbestimmung bei einem Hindernis, das ein Garagentor blockiert, wird durch ein AoP-Design ebenfalls vereinfacht, denn der Sensor passt in kleine Einbauräume, in denen sperrigere Lösungen nicht unterzubringen wären. Das kompakte Format eines AoP-Sensors lässt sich nahtlos in einen Eingangsbereich integrieren und unterstützt dennoch ein weites Sichtfeld, um einen komfortablen Türbetrieb zu gewährleisten (siehe Bild 4).

Zusammenfassung

Im Verbund mit den bestehenden Vorteilen der mm-Wave-Technologie von TI, bieten AoP-Sensordesigns den Planern von Gebäuden oder Fabriken die Möglichkeit, einen neuen Grad an Automatisierung und Intelligenz zu erreichen. Dank des großen Blickfelds, des kleinen Formats und des einfacheren Designs versetzen diese Sensoren die Designer industrieller Systeme in die Lage, die mm-Wave-Technologie schnell und einfach sowohl in bestehende Designs als auch in neue Anwendungen zu integrieren.

(prm)