Sukurtas mažesnio nei moneta dydžio radaras

radaras

Sukurtas mažesnio nei moneta dydžio radaras

Europos mokslininkai sukūrė radaro, telpančio į nago dydžio mikroschemos korpusą technologiją, atveriančią kelią įvairių naujos kartos prietaisų, galinčių matuoti atstumus ir greitį, kūrimui.

Naujasis prietaisas gali turėti didelį poveikį automobilių, mobiliųjų įrenginių, robotų ir kitoms pramonėms šakoms.

Ši mikroschema sukurta, gavus finansavimą iš Europos Sąjungos 7-osios Bendrosios programos, o projektas vadinosi „Itin kompaktiško ir ekonomiško silicio pagrindu sukurto milimetrinio ilgio bangų jutiklio projektas“ (Silicon-based ultra-compact cost-efficient system design for mm-wave sensors (SUCCESS).
Pirmą kartą pavyko į vieną lustą sutalpinti visus komponentus, reikalingus radarui, veikiančiam aukštesniu nei 100 GHz dažniu.
Angliškai tokie prietaisai vadinami „system-on-chip“ – visa sistema viename luste ir yra labai patogūs integruoti į įvairias kitas elektronikos sistemas.

prototype
Radaro, veikiančio 122 GHz dažniu, lustas

Radaro mikroschemos korpuso matmenys – vos 8 x 8 mm, ir tai tapo dideliu devynių Europos mokslo tyrimų institucijų pasiekimu po trejus metus trukusio darbo.

Radaro veikimo dažnis yra 120 gigahercų (GHz), tai atitinka 2,5 mm elektromagnetinės bangos ilgį, ir gali išmatuoti atstumą iki objekto, esančio iki 3 m atstumu vieno milimetro tikslumu. Jis tai pat gali aptikti judančius daiktus bei apskaičiuoti jų greitį, naudodamasis Doplerio efektu.

Žiūrint iš komercinės perspektyvos, toks radaras yra ypač pigus – apskaičiuota, kad gaminant pramoniniu būdu, viena radaro mikroschema kainuotų vos vieną eurą.

Tai atvertų labai plačias jo panaudojimo galimybes –vibracijoms ir atstumams matuoti svarbių įrengimų viduje, gamybos linijose ir robotuose, automatinėse valdymo sistemose ir daugelyje kitų sričių. Beje, viena iš masiškiausių panaudojimo sričių gali tapti išmanieji telefonai, kurie, be jau paplitusių judesio ar temperatūros, įgytų dar vieną jutiklį.

radaras
Radaro veikimo schema.
Iliustracijos: IHP- Innovations for High Performance Microelectronics, http://www.ihp-microelectronics.com

 

Kurdama tokią miniatiūrinę radaro sistemą, mokslininkų komanda turėjo įveikti įvairias technines problemas, o viena iš sunkiausių buvo visų radarui reikalingų komponentų integravimas į ypač mažą erdvę ir antenos patikimumo užtikrinimas.

Vieno iš mokslininkų, dalyvavusių šiame projekte, profesoriaus Kristofo Šeito (Christoph Scheytt) iš Leibnico inovatyvios mikroelektronikos instituto (Vokietija) teigimu, „Šioje srityje dydis yra labai svarbus. Viena iš priežasčių, kodėl buvo pasirinktas aukštas dažnis yra ta, kad jam reikalingos mažesnės antenos. Pavyzdžiui, FM standarto radijo bangoms, kurių dažnis yra 30–300 MHZ (o tai atitinka 10–1 m ilgio bangas), reikalinga maždaug metro ilgio antena, WiFi maršturizatoriams, veikiantiems aukštesniu dažniu, pakanka apie 10 cm ilgio antenos, o milimetrinio ilgio bangoms, kurių dažnis 30–300 GHZ, jau pakanka milimetrų ilgio antenos. Atsižvelgiant į vis mažėjančius šiuolaikinius elektronikos prietaisus – nuo mobiliųjų telefonų iki robotų, radaro veikimas milimetriniame diapazone tampa labai dideliu privalumu.“

Kita problema – didėjant dažniui, labiau silpsta ir elektromagnetinės bangos medžiagoje – atenuacija. Didėjant dažniui, didėja ir interferencija tarp skirtingų grandyno elementų. Šias problemas padėjo išspręsti kompiuterinis modeliavimas ir atrasta nauja medžiaga antenos pagrindui – poliamido substratas.
Ji, išbandžius daugelį įvairių medžiagų, buvo pasirinka dėl gerų šiluminio laidumo savybių ir dėl to, kad ant jos planarinę anteną buvo galima tiesiog atspausdinti. Todėl antena atsidūrė tiesiog ant lusto paviršiaus, o tai taip pat naujovė – iki šiol panašios sistemos turėdavo antenų „ragučius“, kurie buvo lengvai pažeidžiami net nedidelio mechaninio poveikio. Papildomas privalumas – mažesni matmenys.

Dar viena problema – aukšto dažnio gaminių testavimas. Jis yra brangus, o masinėje gamyboje jo pritaikymas labai sudėtingas. Jei gaminys ir kainuoja vieną eurą, jo kokybės patikrinimas turi būti atliekamas kiekvienam lustui atskirai ir gali kainuoti net 30–40 eurų. Gamyboje tai būtų visiškai nepriimtina.
Mokslininkų komanda pasirinko netradicinį sprendimą – jie įdiegė savikontrolės programą pačioje radaro širdyje – jo mikrokontroleryje.
Tai jau daroma mobiliuosiuose telefonuose, bet jų lustai dirba daug žemesniu dažniu, o milimetrinio diapazono bangų lustams tai yra naujiena.

Ši programa leis technikams lengvai ir pigiai patikrinti, ar gerai veikia antena, kokia yra spinduliuojama galia, ar lustas reikiamai dirba nustatytame dažnių diapazone.
Šį radarą lengva integruoti į kitas elektronines schemas – jo korpusas yra standartinis – paviršinio montažo, o aukšto dažnio signalai yra apdorojami pačiame įrenginyje– siunčiami valdymo signalai ir radaro gauti duomenys, siunčiami atgal į valdymo sistemą, jau yra skaitmeniniai. Taigi tokio milimetrinio dažnio radaro integravimas beveik nesiskirs nuo, pavyzdžiui, įprastinio ultragarsinio jutiklio prijungimo.

Šio sėkmingo projekto partneriai dabar ieško galimybių komerciškai pritaikyti šią technologiją. Pavyzdžiui, vienas iš jų, „Bosch“, numato dideles pigaus radaro galimybes gamybos procesų valdyme, „Silicon Radar GmBH“ (Vokietija) bei „Selmic OY“ (Suomija) numato juos panaudoti bevielio ryšio bei medicinos prietaisuose.

Nuoroda:

Silicon-based Ultra Compact Cost-Efficient System Design for mm Wave-Sensors

http://www.success-project.eu/