新しいミリ波MIMOレーダーシステムの設計

22 Feb 2021 • 1 minute read

レーダーは、反射した電波を使用して、物体の距離、角度、または速度を決定します。かつては航空宇宙および防衛産業の独占的な領域であったこれらの検出システムは、現在、消費者産業、特に自動車レーダーで人気を集めています[1]。部分的には、シリコンゲルマニウム（SiGe）やCMOS技術などの大量の半導体プロセスにより、大量の商用アプリケーション向けの費用効果の高いシステムが可能になっているため、商用採用が可能です。

このブログでは、商用レーダーアプリケーション向けの60GHz周波数変調連続波（FMCW）、周波数分割多重（FDM）、マルチインマルチアウト（MIMO）レーダーシステムについて説明します。独自のアーキテクチャにより、チャネル間の位相コヒーレンスを維持しながら、TXチャネルとRXチャネルの総数をシステム内のチップ数に応じてスケーリングできます。このアプローチは、高いフレームレート測定、優れた位相安定性、および広い視野（FoV）を提供します。レーダーアーキテクチャと集積回路は、システムをはるかに大規模なレーダーシステムに拡張できるように設計されています。

レーダーシステムの使用目的は、人、ドローン、その他の自律システムの流れを補足するために、レーダー自体が移動している可能性があるときに、近くの移動物体を短距離かつ高解像度で検出することでした。さらに、このシステムは、同時のローカリゼーションおよびマッピング（SLAM）、オブジェクト検出（自動車）、および医療アプリケーション向けのリモートマルチターゲットバイタルサイン測定をサポートできます。FDMは、高解像度の要件に対応するための最良の選択であると判断されました。一方、コード分割（CDM）は複雑すぎ、高速で移動するオブジェクトを正確に追跡する必要があるため、時分割（TDM）は実用的ではありませんでした。さらに、FDMにより、胸部の小さな動きの検出による心拍数や呼吸数のリモート監視などのアプリケーションをサポートする正確な位相測定が可能になります。

60GHz FMCW MIMO レーダーシステム

レーダーシステムの要件には、200Hzを超える高速イメージング、5cm未満の距離分解能、マルチターゲット取得、移動ターゲット機能、および微動に対する高感度がすべて、小型、軽量、低コストのフットプリントに含まれていました。

システムの仕様は次のとおりです。

5°の角度分解能
3〜5cmの距離の解像度
160°水平視野
25°の仰角FoV（VTTは160°x 160°FoVの3Dシステムも提供しています）

このシステムは、静止している人間サイズの物体に対して20〜25メートルの最大検出範囲を提供します。バックグラウンドでの減算を適用することにより、この距離は移動するターゲットに対して最大60メートル増加します。このシステムは、アンテナを物理的にスキャンすることなく、複数の移動物体の同時検出もサポートしています。レーダーシステムは多くの潜在的な使用モデルを提供しますが、複数人のバイタルサイン抽出機能は将来のアプリケーションにとって特に興味深いものです。レーダーシステムのもう1つの重要な機能は、その速度です。データ分析の場合、視覚的なグラフィックスと視覚化された50〜100 FPSをサポートしていない場合、レーダー技術は200フレーム/秒（FPS）で動作できます。

基本的なFMCWの動作

従来のパルスレーダーは、短いパルスを放射し、返されたターゲットエコーの飛行時間を観察することにより、ターゲットまでの距離を検出します。これには、レーダーに高い瞬間送信電力が必要であり、多くの場合、大型で高価な物理装置を備えたレーダーになります。

FMCWレーダーは、図1に示すエコーが返る時間よりもずっと大きい期間である周期がTの鋸歯状関数のような低周波数波形で周波数変調された連続したマイクロ波信号を放射することにより、はるかに小さい瞬間送信電力と物理サイズを使用して同様の結果を達成します。

パルスレーダーシステムとは異なり、FMCWシステムは同時に送信と受信を行うため、パルス送信中にパルスレーダーの受信機がオフになったときに発生するブラインド距離が無くなります。これにより、FMCWシステムはレーダーに非常に近い物体からの反射信号を検出できるようになり、数センチメートルまでの距離を測定できるようになります。システムは、帯域幅の逆数に比例する優れた範囲分解能を実現します。つまり、デルタx = c /（2 *デルタf）と、狭い中間周波数（IF）帯域幅で高い信号対雑音比（SNR）を実現します。

図 1:FMCWレーダーシステムで使用される鋸歯状波

Cadence AWR Visual System Simulator (VSS) 通信およびレーダーシステム設計ソフトウェアに実装されているシステムの非常に簡単なダイアグラムを図2に示します。信号源は送信側と受信側に分割され、送信機の電力増幅器と受信機の低雑音増幅器の系（図示せず）の詳細をさらに発展させることができます。正しく動作するには、送信機と受信機の信号経路を十分に分離する必要があります。この要件は、特定の設計部分に影響を与え、許容可能な送信電力レベルを制限します。そうしないと、送信側からの電力が受信回路に漏れ、低雑音増幅器やダウンコンバージョンミキサが飽和する可能性があります。

この単純なダイアグラムでは、信号は、レーダー断面積（RCS）、距離、速度、周囲条件などの特性を含むAWRVSSソフトウェアレーダーターゲットモデルを使って送信アンテナと受信アンテナの間で放射されます。ミキサは、ローカル発振器である電圧制御発振器（VCO）からの掃引周波数を使用して、ターゲットから反射された信号をダウンコンバートします。これら2つの信号の差をとると、ターゲットまでの距離に正比例するビート信号が作成されます。この中間周波数（IF）は、信号処理のためにアナログ-デジタルコンバータに供給されます。この信号処理は、高速フーリエ変換を使用してターゲット距離を抽出します。複数のアンテナを使用することにより、フーリエ変換を使用して、検出されたオブジェクトの2D画像を生成するためのデジタルビームフォーミングをサポートすることもできます。

図 2:AWR VSSソフトウェアでのFMCWレーダーシステムの基本構造

（増幅器段[PA、LAN]および個々のMIMOチャネルは表示されていません）

なぜFMCW MIMOなのか？

技術的要件（高速イメージング、複数のターゲットの高解像度）に対処するために、開発者はFDM MIMOアーキテクチャを選択しました。MIMOを使用すると、要素の数を大幅に減らすことができます。NtTXエレメントとNr RXエレメントを備えたMIMOレーダーの場合、TXアレイからRXアレイへのNt×Nr個の異なる伝搬チャネルがあります。したがって、64個の仮想チャネルは8個の受信チャネルと8個の送信チャネルのみで合成できます。これにより、システムの複雑さ、サイズ、およびコストが大幅に削減されます。

FDMは、重複しない周波数を各送信機から同時に送信するため、受信機で異なる送信機信号を分離できます[2]。この設計では、周波数掃引（チャープ）は、6倍の周波数逓倍器に給電する掃引された10GHzのフェーズロックループ信号発生器を使用して、送信/受信チャネルの外側で生成されました。ダイレクトデジタルシンセサイザ（DDS）を使用して、個々の送信機チャネルごとに1MHzの周波数オフセットを持つ低周波IQ変調信号を生成し、外部アナログ-デジタルコンバータ（ADC）を使用して、ダウンコンバートされた受信信号からIF信号をデジタル化しました。

FDM MIMOアンテナは同時に送信するため、すべてのRXチャネルは、一定の周波数オフセットで区切られたすべてのTXチャネルを受信します。復調器は、元のチャープ周波数をLOとして使用して、ターゲットで反射された信号の遅延に起因する周波数シフトを含む周波数オフセット信号をダウンコンバートし、TXチャネルはデジタルバックエンドで分離されています。このアプローチでは、すべてのMIMOチャネルを同時に測定するため、移動するターゲットを処理できますが、図3に示すように、送信機の周波数をシフトするために各送信機に変調器が必要であり、IF信号の帯域幅が広いためADCがより高速になります。

図 3:2つのRXチャネルと2つのTXチャネルを備えた概念としてのシステムブロックダイアグラム

システムレベルの設計と検証

AWR VSS設計ソフトウェアを使用して、MIMOレーダーの主な側面をシステムレベルで調査しました。図4に示すように、信号源、低雑音増幅器（LNA）、ミキサ、電力増幅器（PA）、周波数逓倍器、アンテナ、レーダーターゲットをブロックレベルで表示しています。このソフトウェアにより、設計者はすべての主要なパラメータを調整および最適化し、回路レベルの詳細が追加されたときにレーダーシステムの実際の動作を組み込むことができました。

図 4:FMCW MIMOレーダーのAWRVSSソフトウェアシステムダイアグラム

AWR VSSソフトウェアは、2つの受信のダウンコンバーターチャネルでIF出力を解析しました。図1に示す式から、ビート周波数 (Fb) は、58.5〜61.5 GHzの3GHz帯域幅（BW）、1msのパルス持続時間（t）、および15メートルのターゲット距離（r）の周波数掃引（チャープ）のために300kHzに等しいと決定されます。したがって、復調された信号は、Fbと各チャネルごとのオフセット周波数の合計になります。図5に示すように、チャネル1のTX 1（緑）で受信したダウンコンバート信号の解析は1MHz + 0.3MHz = 1.3MHzであり、受信したダウンコンバート信号TX 2（赤）は2MHz + 0.3MHz = 2.3MHzです。

図 5:レーダーの解析結果

RFICの設計と分析

レーダーシステムの中核はTXおよびRXのRF集積回路（RFIC）であり、どちらも図6に示すように、非常に小さな領域を占める4つのチャネルをサポートします。システムにチップを追加して、チャネル数を増やすことができます。1つのRFICが複数のチャネルをサポートして、組み立ての労力を軽減し、チャネル数が非常に多いシステムのスケーリングを可能にすることが強みです。個別のTXチップとRXチップにより、独立したTX / RXスケーリングが可能になり、TX / RXリークが減少し、フィード構造へのより近い配置がサポートされて、プリント回路基板（PCB）の損失が減少します。

図 6:4チャンネルのTXチップ（左）と4チャンネルのRXチップ（右）

単一の外部VCOとフェーズロックループ（PLL）は、すべてのRFICに分配されローカル発振器（LO）信号を提供し、優れた位相ノイズ相関をもたらします。多くのチャネルがあるシステムでは、60GHz LO信号の配線が非常に難しいため、PCBでの配線を容易にするために低周波数（10GHz）外部信号が使用されます。この9.75GHz〜10.25GHzのチャープは、ダイ上で目的の動作周波数に乗算されます。

Cadence AWR Microwave Office 回路設計ソフトウェアをAWR AXIEM 3D平面電磁界（EM）解析と組み合わせて使用し、AWRソフトウェアで利用可能なIHP SG13S SiGeプロセス設計キット（PDK）を使用してトランジスタレベルからTXおよびRXチップを設計しました。ミリ波アプリケーション向けのSG13S 130nm SiGe BiCMOS技術は、高速HBT（fT = 240GHzおよび fmax= 330GHz）を備えています。

4チャネルTx RFICのブロックレベルの回路図を図7の左側に示し、実際のTXチップを右側に示します。アクティブバラン、6X（2Xおよび3Xカスケード）高調波乗算器の系、およびエレメントの電力増幅器（PA）の1つが強調表示され、RFIC上の位置を示しています。3つのアクティブ電力分割器を使用して信号を4つの対称の配線に分割し、それぞれを2段の多相フィルタに供給して、高調波乗算器から不要な成分を除去し、バッファ増幅器、IQ変調器、電力増幅器段が続いています。

図 7:TXチップ内のPAおよび6X高調波乗算器の系の回路図レベルの設計例

PAの詳細な回路図は、AWR Microwave Office用のファウンドリのPDKの部品を使用して作成されました。これは、図8に示すように、変圧器、差動伝送配線、インダクタに分けられています。これらの受動構造は電気的に大きいため（波長に比例）、AWR AXIEM平面電磁界ソルバを使用した電磁界解析と最適化が必要です。電磁界部品は、AWR Microwave Officeソフトウェアとの協調解析用に回路図にサブ回路として組み込まれています。これらの構造の電磁界解析をPDKモデルと組み合わせて含めることにより、チップレベルの増幅器の測定結果と解析結果は、図9に示すように優れた一致を示しています。

図 8:トランス、差動伝送配線、インダクタを含むPA回路図

図 9:利得とリターンロスのPAの解析と測定結果

出力のアクティブバラン、高調波乗算器の系、およびアクティブ電力分割器の解析（図10）は、10GHzの入力信号と2.4Vのバイアス電圧を使用して実行されました。図11に示す解析結果は、乗算器の動作に関する非常に有用な洞察を提供し、設計者とエンドユーザーが生成されているスプリアス信号の電力レベルを理解できるようにしました。レーダー設計の観点からは、設計手順を実行し、これら3つの信号を抑制するように回路を微調整するために、この情報を入手することは非常に有益です。

図 10:6Xマルチプライヤの詳細な回路図

図 11:6倍乗数測定結果（左）と解析結果（右）

MIMOレーダー測定結果

図12の受信器のRF部分は、PCBにフリップチップとして取り付けられた2つのRX RFICによってサポートされる合計8つのRXチャネルを示しています。ラボでのテスト用のスタンドに取り付けられたPCBの前面と背面（高速信号処理バックエンド）を図13に示します。受信機の位相と振幅は、シングルポイントターゲット測定から校正されます。位相および振幅の補正係数は、ポイントターゲットの測定値が正しい角度でポイントターゲットの画像を提供するように決定されます。

図 12:PCBに取り付けられた2つのRXチップフリップチップを備えた8つのRXチャネル

図 13:PCBに取り付けられたチップを示すシステムの前面（左）と背面（右）

2D MIMOレーダーの「人の流れ」（図14）の測定結果は、100〜200FPSで同時に複数の人を検出できることを確認しました。範囲分解能は3-5cm、角度分解能は3.5度でした。画像形成中、ハミングウィンドウ関数が距離方向に適用され、-25dBサイドローブレベルのテイラーウィンドウが方位角方向に適用されました。テイラーウィンドウ関数は、角度分解能をわずかに低下させますが、サイドローブレベルを改善し、より高いダイナミックレンジで画像を形成できるようにします。生成された画像では、さまざまなターゲットが適切に分離されています。

図 14:レーダー測定テスト用の「人の流れ」セットアップ

正確な位相測定は、ターゲットの非常に小さな動きを測定する場合、たとえば、胸の変位から人間の心拍数と呼吸数を決定する場合に役立ちます。周波数多重化は、すべてのチャネルが同時に測定されるため、位相の測定には時分割多重化よりも優れています。これは、図15に示すレーダーベースの複数人の心拍変動（HRV）抽出の結果に示されています。心拍数、HRV、呼吸などのバイタルサインはレーダー信号から観察できます。

図 15:複数人のHR、HRV、および呼吸抽出の結果

結論

FDMを使用する商用アプリケーション向けの新しい60GHz MIMO RMCWレーダーシステムの設計について説明しました。このシステムは、高いフレームレート測定、優れた位相安定性、および大きなFoVを提供し、独自のアーキテクチャと集積回路は、チャネル間の位相コヒーレンスを維持しながら、システムをはるかに大きなレーダーシステムに拡張できるように設計されています。2Dおよび3D画像システムの両方が実証されており、著者の知る限り、これはこの種の最初の3Dイメージングミリ波周波数分割MIMOシステムです。

参考

[1] J. Hasch, E. Topak, R. Schnabel, T. Zwick, R. Weigel, and C. Waldschmidt, “Millimeter-wave technology for automotive radar sensors in the 77 GHz frequency band,” IEEE Trans.Microw.Theory Techn., vol. 60, no. 3, pp. 845–860, Mar. 2012.

[2] C. Pfeffer, R. Feger, C. Wagner, and A. Stelzer, “FMCW MIMO radar system for frequency-division multiple TX-beamforming,” IEEE Trans.Microw.Theory Techn., vol. 61, no. 12, pp. 4262–4274, Dec. 2013.

By:Dr.Tero Kiuru and Henrik Forstén
VTT Technical Research Centre of Finland Ltd.

Translator: Tsutomu Sugawara

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