- Anritsu présente les technologies de radars et de capteurs à ondes millimétriques à 60 GHz, en mettant l’accent sur les défis à relever pour les déployer et les solutions de test à mettre en oeuvre.
Auteur : Miki Matsuura de chez Anritsu
Légende photo : Capteur de présence 60GHz mmWave de la gamme eMotion Ultra proposé par LinknLink
Les progrès technologiques ont accéléré la numérisation et l’automatisation des systèmes, entraînant l’adoption généralisée de systèmes dits intelligents tant dans la vie quotidienne que dans l’industrie. Les capteurs, grâce auxquels les systèmes détectent leur environnement et y réagissent, sont au cœur de ces progrès. Les méthodes de détection traditionnelles, telles que les capteurs infrarouges ou à ultrasons, disposent souvent d’une précision réduite dans certaines conditions. En revanche, le radar à ondes millimétriques offre une précision et une fiabilité supérieures, fonctionnant efficacement même là où d’autres capteurs échouent. Par conséquent, le radar à ondes millimétriques est de plus en plus utilisé dans la sécurité automobile, les solutions pour la domotique, l’automatisation industrielle et les soins de santé.
La technologie des radars à ondes millimétriques de 60GHz
À mesure que l’automatisation et les technologies numériques continuent de progresser, les technologies de détection prennent de plus en plus d’importance dans tous les secteurs industriels. En effet, pour que les systèmes atteignent un niveau supérieur d’automatisation et d’intelligence, ils doivent percevoir leur environnement avec précision et y répondre de manière appropriée. En particulier, la capacité à détecter la « présence », la « position » et le « mouvement » d’objets avec une grande précision est un facteur clé pour garantir la sécurité, la commodité et des opérations permettant de réduire la main-d’œuvre. Elle est directement liée au fonctionnement stable de ces systèmes.
Le principal moteur de cette croissance est que le radar 60 GHz offre des performances supérieures par rapport aux méthodes de détection conventionnelles telles que les caméras et les capteurs infrarouges/ultrasons. Contrairement aux capteurs optiques, le radar 60 GHz peut fonctionner dans des environnements sombres, à travers les vêtements ou la literie, et même dans des conditions météorologiques défavorables, ce qui en fait une solution attrayante pour les applications automobiles, industrielles, médicales et pour lamaison intelligente. Sa courte longueur d’onde (5mm) et sa large bande passante pouvant atteindre 7 GHz offrent une haute résolution spatiale, autorisant une mesure de distance au centimètre près et la détection de mouvements même infimes.
La polyvalence de cette technologie se reflète dans son large éventail d’applications. Dans le secteur automobile, le radar 60 GHz est utilisé pour la surveillance de l’habitacle, la détection d’occupation des sièges et l’évaluation de l’état de santé du conducteur, améliorant ainsi à la fois la sécurité et le confort. Les maisons intelligentes bénéficient de la reconnaissance gestuelle et de la détection de présence, permettant des commandes automatisées et une surveillance respectueuse de la vie privée. Les environnements industriels utilisent le radar 60 GHz pour la gestion de la sécurité des travailleurs, la surveillance des équipements et la détection d’intrusion. Dans les villes intelligentes, il permet l’analyse des flux de foule, la sécurité et la gestion énergétique des bâtiments.
Capacités de détection du radar/capteur à ondes millimétriques à 60 GHz
Le radar à ondes millimétriques à 60 GHz est une technologie qui se distingue par sa large bande passante et sa haute fréquence. Il permet la détection très précise de grandeurs physiques telles que la distance, la vitesse, l’angle et la position. Grâce à sa courte longueur d’onde et à sa large bande passante, ce système radar excelle dans la surveillance précise, même des mouvements subtils, ce qui le rend idéal pour des applications allant de la reconnaissance gestuelle à la détection des signes vitaux, y compris la mesure sans contact de la respiration et de la fréquence cardiaque à travers les vêtements ou la literie.
Fondamentalement, la détection par radar consiste à émettre des signaux électromagnétiques vers une cible et à analyser les signaux réfléchis. Ce processus permet de déterminer les paramètres clés de la cible. Parmi les méthodes disponibles, le radar à onde continue modulée en fréquence (FMCW) est couramment utilisé dans les appareils à 60 GHz en raison de son efficacité et de sa fiabilité. Le radar FMCW émet un signal en forme de « chirp » dont la fréquence varie linéairement dans le temps. Lorsque ces signaux se réfléchissent sur des objets, le radar les reçoit et compare les signaux émis et reçus pour produire un signal de fréquence intermédiaire (FI). Grâce au traitement numérique du signal — plus précisément à la transformée de Fourier —, le système génère un spectre de fréquences qui révèle la distance à chaque objet en fonction des différences spectrales déterminées.
Pour la détection de la vitesse, le radar analyse les différences de phase entre les chirps successifs du signal FI. Lorsque les objets se déplacent, la phase du signal réfléchi se déphase. En calculant ce déphasage, il est possible de déterminer avec précision la vitesse à l’aide de l’analyse FFT Doppler et de formules mathématiques. La capacité à détecter un angle repose sur la mesure des différences de phase entre plusieurs antennes de réception. En calculant ces différences, le système détermine l’angle d’arrivée du signal réfléchi, permettant ainsi la détection angulaire.
La détection des gestes exploite la capacité du radar à suivre les changements dynamiques de distance, de vitesse et d’angle. Des algorithmes analysent les séries chronologiques de ces valeurs physiques pour classer les gestes de la main. Des avancées récentes ont intégré des techniques d’apprentissage automatique afin d’améliorer encore la précision et la fiabilité de la reconnaissance. Dans les applications de détection des signes vitaux, le radar peut détecter les mouvements thoraciques infimes associés à la respiration et aux battements cardiaques. Le système analyse les changements de phase du signal reçu pour permettre l’estimation sans contact des signes vitaux, une fonctionnalité essentielle pour les environnements de soins et de santé et les maisons intelligentes.
Enjeux liés aux tests des radars à ondes millimétriques à 60 GHz
Performances de détection :
Le radar à ondes millimétriques à 60 GHz offre une haute résolution spatiale et une excellente précision de détection de mouvement grâce à sa courte longueur d’onde. Pour maintenir en permanence ces performances de détection il est nécessaire d’optimiser les caractéristiques de rayonnement de l’antenne, le blindage électromagnétique interne et le placement des composants à l’intérieur du boîtier.
Le développement et la sélection de matériaux à faibles pertes sont également cruciaux. Les ondes électromagnétiques dans la bande des 60 GHz sont sensibles aux métaux, à l’humidité et aux variations de température. Les développeurs utilisent donc généralement des matériaux plastiques à faibles pertes et à haute perméabilité aux ondes électromagnétiques, tels que le PTFE, le PPS et le PEEK. L’optimisation de la propagation des ondes électromagnétiques implique de minimiser la réflexion interne par l’application de traitements de surface et la conception minutieuse des formes des composants. Lors de la conception du produit, il est essentiel d’évaluer avec précision la permittivité relative et la tangente de perte du diélectrique des matériaux utilisés. Ces valeurs affectent directement les propriétés de transmission et de réflexion des ondes électromagnétiques, ce qui a un impact sur la sensibilité et la résolution globales du système. L’évaluation des propriétés diélectriques des matériaux reste un défi majeur dans la conception de circuits haute fréquence.
Conformité aux réglementations et mesures anti-interférences radio :
La bande 60 GHz partage des fréquences avec d’autres systèmes de transmission sans fil. Par conséquent, les développeurs doivent se conformer à la législation en matière de radiocommunications de chaque pays et mettre en œuvre des mesures pour prévenir les interférences avec d’autres systèmes. De plus, ils doivent évaluer quantitativement les caractéristiques radio telles que l’écart de fréquence et la largeur de bande occupée (OBW).
Réduction des investissements en termes d’équipements de test :
Lors de la réalisation de tests des radars à ondes millimétriques, il est important non seulement de sélectionner des instruments de test capables d’une détection de haute précision, mais aussi d’optimiser les coûts d’investissement. Les analyseurs de spectre capables de mesurer directement la bande 60 GHz sont généralement coûteux, et plusieurs unités peuvent être nécessaires pour le développement et l’inspection. Une solution pratique consiste à combiner un analyseur de spectre à faible coût avec un mélangeur de fréquences externe pour convertir les signaux à haute fréquence en une gamme de fréquence mesurable. Cependant, cette configuration peut introduire des « images réponses » en fréquence (composantes de signaux indésirables), ce qui soulève des inquiétudes quant à la réduction de la précision des mesures.
En résumé, garantir les performances d’un radar à ondes millimétriques à 60 GHz nécessite une approche globale et équilibrée pour résoudre les défis techniques liés à la conception des antennes, à la conformité réglementaire, à la rentabilité des mesures et à l’optimisation des matériaux.
Solutions de test pour relever ces défis
Test des performances de détection :
Afin de supprimer les images réponses en fréquence et de minimiser les coûts d’investissement tout en garantissant le niveau requis de performances de détection, des solutions techniques spécifiques sont nécessaires pour permettre des mesures de haute précision, même avec des configurations incluant un mélangeur externe. Les analyseurs de spectre d’Anritsu, des gammes MS2830A / MS2840A / MS2850A, sont équipés de la technologie brevetée de suppression des images réponses en fréquence « PS, Polarity Swap ». Cette fonction applique un traitement de modulation de phase exclusif aux signaux provenant de mélangeurs externes, éliminant ainsi les effets des réponses d’images en fréquence. Par conséquent, même avec une configuration à mélangeur externe, les développeurs peuvent effectuer des mesures à large bande du spectre, de la fréquence, de la bande passante occupée et de la puissance dans la bande des 60 GHz.
Vérification des matériaux à faibles pertes :
La mesure des propriétés diélectriques des matériaux haute fréquence peut être effectuée à l’aide de l’une des deux méthodes suivantes : la « méthode du résonateur » et la « méthode de propagation ». La méthode du résonateur convient aux matériaux présentant une faible perte diélectrique (DF), tels que les résines et les céramiques, ainsi qu’aux échantillons en couches minces. Elle détermine la constante diélectrique et la perte en observant les variations de la fréquence de résonance et de la valeur Q. Cette approche se caractérise par une grande précision et une bonne reproductibilité, mais ne convient pas aux matériaux présentant des pertes importantes. En revanche, la méthode de propagation est utilisée pour les matériaux présentant une DF élevée, tels que les peintures, le caoutchouc et les adhésifs. Elle évalue la constante diélectrique en fonction des caractéristiques de transmission et de réflexion. Elle convient aux échantillons d’une épaisseur de 100 μm ou plus et permet d’effectuer des mesures dans des conditions proches de celles d’une utilisation réelle.
Un analyseur de réseau vectoriel (VNA) est utilisé pour mesurer les propriétés diélectriques des matériaux haute fréquence. Le matériau à tester est monté dans un dispositif de fixation relié au VNA, et la constante diélectrique est calculée à partir des paramètres S obtenus. Cette méthode nécessite également de prendre en compte l’environnement de mesure, notamment la température, l’humidité et le degré de vide ; c’est pourquoi un banc de contrôle environnemental dédié est utilisé pour simuler des conditions environnementales spécifiques.
Pour améliorer la fiabilité de l’évaluation des matériaux, les développeurs doivent choisir des méthodes et des systèmes de mesure qui tiennent pleinement compte de la bande de fréquences cible, de la forme et de l’épaisseur de l’échantillon, ainsi que de l’environnement dans lequel le dispositif sera utilisé. Une mesure précise de la constante diélectrique constitue le fondement qui garantit à la fois les performances et la fiabilité des radars à ondes millimétriques à 60 GHz.
