mmWave Technology Applications: Commercial mmWave embedded system design considerations
Karvinen, Lari (2021)
2021
Sähkötekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Electrical Engineering
Informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunta - Faculty of Information Technology and Communication Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2021-05-24
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202105185162
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202105185162
Tiivistelmä
The objective of this thesis was to examine Texas Instruments' mmWave product line of single-chip FMCW radar sensor and their utilization potential in commercial embedded systems. This work was done for Wapice Ltd.
To achieve these goals both literary survey and experimental research were carried out. Chapter 2 of this thesis presents the theoretical foundations for different types of radar systems from simple pulsed radar to a modern FMCW radar system. Then, Chapter 3 specifically examines TI mmWave technology, presenting both the capabilities of the technology as well as important design considerations for ensuring a successful product development process. Main advantages of mmWave sensors are their high accuracy and excellent immunity to many environmental conditions.
Chapter 4 compares mmWave technology against other modern sensor technologies. While having some drawbacks, mmWave sensors compare favourably and can be considered as a valid solution for both presented example use cases.
To gain insight into the actual product development process with an mmWave sensor solution, Chapter 5 first presents an mmWave based system for monitoring both traffic patterns and road snow conditions with a single radar sensor. The tools used are presented and experiments are carried out to assess the proposed system's feasibility. Experiments demonstrated that mmWave sensors provide the performance needed for this application but further algorithm work is needed to produce a functioning system.
The most substantial challenges in utilizing mmWave technology are the need for a PCB radar antenna and the regulatory compliance aspects of a radar device. However, introduction of Antenna-on-Package technology has the potential of removing these challenges. This thesis concludes that mmWave sensors provide a versatile and strong performance sensing solution for use in commercial embedded systems. Tämän diplomityön tavoite oli tarkastella Texas Instrumentsin yhdelle piirille integroituja mmWave-tuoteperheen FMCW-tutkasensoreita, sekä niiden hyödyntämismahdollisuuksia kaupallisissa sulautetuissa järjestelmissä. Tämä työ on tehty Wapice Oy:lle.
Tavoitteiden saavuttamiseksi toteutettiin sekä kirjallisuuskatsaus, että kokeellista tutkimusta. Kappale 2 esittää teoreettisen pohjan erilaisille tutkajärjestelmille, aloittaen yksinkertaisesta pulssitutkasta ja päätyen moderniin taajuusmoduloituun jatkuva-aaltotutkaan. Tämän jälkeen kappale 3 keskittyy tarkastelemaan TI:n mmWave-tutkateknologiaa, esitellen sekä teknologian toiminnallista kyvykkyyttä että tärkeitä suunnittelunäkökulmia, jotka auttavat onnistuneen tuotekehitysprosessin varmistamisessa. Eräitä mmWave-teknologian vahvuuksia ovat sen tarjoama suuri tarkkuus ja erinomainen immuniteetti mittausympäristön olosuhteille.
Kappale 4 vertailee mmWave-teknologiaa muiden modernien sensoriteknologioiden kanssa. Huolimatta muutamista heikkouksista, mmWave-tuoteperheen sensorit vertautuivat suotuisasti muihin teknologioihin ja niitä voidaan pitää hyvänä vaihtoehtona molempiin esitettyihin esimerkkisovelluksiin.
Käytännön kokemusta ja näkökulmia mmWave-laitteiden kehityksestä haettiin kappaleessa 5 esitetyn sovellusprototyypin avulla. Kappaleessa esiteltiin järjestelmä, jossa yhdellä tutkasensorilla pystyttäisiin tuottamaan tietoa sekä liikennemääristä että tiellä vallitsevista lumiolosuhteista. Kappaleessa esiteltiin käytetyt kehitystyökalut ja suoritettiin mittauksia esitellyn järjestelmän toimivuuden tutkimiseksi. Kokeiden perusteella mmWave-sensorien tarjoama suorituskyky soveltuu järjestelmän toteuttamiseen mutta toimivan järjestelmän saavuttaminen vaatisi huomattavaa ohjelmisto- ja algoritmikehitystä.
Suurimmat haasteet mmWave-teknologian hyödyntämiselle ovat sensorin tarvitsema piirilevyantenni, sekä tutkalaitteita koskevien säädösten mukainen sertifiointiprosessi. Antennin suoraan osaksi piirin koteloa integroivat Antenna-on-Package -ratkaisut voivat kuitenkin lievittää näitä ongelmia mahdollistamalla ulkoisesta antennista luopumisen ja mahdollisesti sertifiointiprosessin keventymisen. Tässä työssä tehtyjen löydösten ja analyysien perusteella voidaan todeta, että mmWave-teknologialla on mahdollista toteuttaa monipuolisia ja suorituskykyisiä sensoriratkaisuja kaupallisiin sulautettuihin järjestelmiin.
To achieve these goals both literary survey and experimental research were carried out. Chapter 2 of this thesis presents the theoretical foundations for different types of radar systems from simple pulsed radar to a modern FMCW radar system. Then, Chapter 3 specifically examines TI mmWave technology, presenting both the capabilities of the technology as well as important design considerations for ensuring a successful product development process. Main advantages of mmWave sensors are their high accuracy and excellent immunity to many environmental conditions.
Chapter 4 compares mmWave technology against other modern sensor technologies. While having some drawbacks, mmWave sensors compare favourably and can be considered as a valid solution for both presented example use cases.
To gain insight into the actual product development process with an mmWave sensor solution, Chapter 5 first presents an mmWave based system for monitoring both traffic patterns and road snow conditions with a single radar sensor. The tools used are presented and experiments are carried out to assess the proposed system's feasibility. Experiments demonstrated that mmWave sensors provide the performance needed for this application but further algorithm work is needed to produce a functioning system.
The most substantial challenges in utilizing mmWave technology are the need for a PCB radar antenna and the regulatory compliance aspects of a radar device. However, introduction of Antenna-on-Package technology has the potential of removing these challenges. This thesis concludes that mmWave sensors provide a versatile and strong performance sensing solution for use in commercial embedded systems.
Tavoitteiden saavuttamiseksi toteutettiin sekä kirjallisuuskatsaus, että kokeellista tutkimusta. Kappale 2 esittää teoreettisen pohjan erilaisille tutkajärjestelmille, aloittaen yksinkertaisesta pulssitutkasta ja päätyen moderniin taajuusmoduloituun jatkuva-aaltotutkaan. Tämän jälkeen kappale 3 keskittyy tarkastelemaan TI:n mmWave-tutkateknologiaa, esitellen sekä teknologian toiminnallista kyvykkyyttä että tärkeitä suunnittelunäkökulmia, jotka auttavat onnistuneen tuotekehitysprosessin varmistamisessa. Eräitä mmWave-teknologian vahvuuksia ovat sen tarjoama suuri tarkkuus ja erinomainen immuniteetti mittausympäristön olosuhteille.
Kappale 4 vertailee mmWave-teknologiaa muiden modernien sensoriteknologioiden kanssa. Huolimatta muutamista heikkouksista, mmWave-tuoteperheen sensorit vertautuivat suotuisasti muihin teknologioihin ja niitä voidaan pitää hyvänä vaihtoehtona molempiin esitettyihin esimerkkisovelluksiin.
Käytännön kokemusta ja näkökulmia mmWave-laitteiden kehityksestä haettiin kappaleessa 5 esitetyn sovellusprototyypin avulla. Kappaleessa esiteltiin järjestelmä, jossa yhdellä tutkasensorilla pystyttäisiin tuottamaan tietoa sekä liikennemääristä että tiellä vallitsevista lumiolosuhteista. Kappaleessa esiteltiin käytetyt kehitystyökalut ja suoritettiin mittauksia esitellyn järjestelmän toimivuuden tutkimiseksi. Kokeiden perusteella mmWave-sensorien tarjoama suorituskyky soveltuu järjestelmän toteuttamiseen mutta toimivan järjestelmän saavuttaminen vaatisi huomattavaa ohjelmisto- ja algoritmikehitystä.
Suurimmat haasteet mmWave-teknologian hyödyntämiselle ovat sensorin tarvitsema piirilevyantenni, sekä tutkalaitteita koskevien säädösten mukainen sertifiointiprosessi. Antennin suoraan osaksi piirin koteloa integroivat Antenna-on-Package -ratkaisut voivat kuitenkin lievittää näitä ongelmia mahdollistamalla ulkoisesta antennista luopumisen ja mahdollisesti sertifiointiprosessin keventymisen. Tässä työssä tehtyjen löydösten ja analyysien perusteella voidaan todeta, että mmWave-teknologialla on mahdollista toteuttaa monipuolisia ja suorituskykyisiä sensoriratkaisuja kaupallisiin sulautettuihin järjestelmiin.