Perché i sistemi radar per autoveicoli stanno passando dai 24 GHz ai 77 GHz?

Se avete guidato recentemente un nuovo modello di automobile,  probabilmente avrete goduto dei sistemi avanzati di assistenza alla guida come la frenata autonoma d’emergenza, gli avvisi di avvicinamento trasversale dei veicoli o l’assistenza al cambio di corsia. Ma avete mai pensato a come l’auto sappia quando fermarsi per evitare una collisione frontale? Quale sistema impedisce ai conducenti di cambiare corsia, se questa è occupata? Quando si esce da un parcheggio, come fa un’auto a “sapere” che un altro veicolo si sta avvicinando lungo la via?

Gran parte della risposta a tutte queste domande è il radar automobilistico. Il radar è semplicemente un metodo che utilizza le onde radio per determinare la distanza, l’angolo e la velocità relativa degli oggetti. Nei sistemi di sicurezza dei veicoli di oggi, i radar vengono utilizzati in combinazione con telecamere, ultrasuoni e altri sensori per ottenere informazioni sui dintorni di un veicolo. L’utilizzo di una tecnologia di elaborazione di alto livello per facilitare la fusione di questi dati provenienti dai sensori può consentire una migliore identificazione degli oggetti e un miglioramento del processo decisionale che permette al veicolo di decidere, ad esempio, se il conducente si sta spostando involontariamente nella corsia adiacente o se sta cambiando corsia volontariamente. La necessità di queste informazioni ha portato a un forte aumento del numero di automobili costruite con uno o più sistemi radar.

La domanda da parte dei clienti per sistemi come il rilevamento del punto cieco (BSD, blind-spot detection), l’assistenza al cambio di corsia (LCA, lane-change assist) e l’avviso di avvicinamento trasversale dei veicoli anteriore/posteriore (F/RCTA, front/rear cross-traffic alert), la frenata autonoma d’emergenza (AEB, autonomous emergency braking) e il cruise control adattivo (ACC, adaptive cruise control) hanno favorito un aumento della produzione di sensori radar. Molti veicoli sono dotati di uno o più radar come mostrato in Figura 1.

Figura 1: Sistemi radar automobilistici

Tradizionalmente, molti di questi sistemi hanno utilizzato frequenze nella banda a 24 GHz. Per il settore automobilistico sono attualmente disponibili sia una banda stretta (NB, narrow band) che una banda ultra larga (UWB, ultra-wide band). La NB a 24 GHz non regolata copre 200 MHz, da 24,05 GHz a 24,25 GHz. La UWB a 24 GHz copre 5 GHz, da 21,65 GHz a 26,65 GHz.

A causa delle normative e degli standard per lo spettro sviluppati dall’ETSI (Istituto Europeo per gli Standard nelle Telecomunicazioni) e dalla Federal Communications Commission americana (FCC), l’uso della banda UWB verrà gradualmente eliminato entro l’anno 2022 (il «giorno del tramonto») sia in Europa che negli USA.

Nell’eliminare gradualmente la UWB a 24 GHz, le autorità regolatrici hanno aperto le frequenze per i radar automobilistici nella banda a 77 GHz. Come mostra la Figura 2, la larghezza di banda disponibile tra 77 e 81 GHz fornisce fino a 4 GHz di larghezza di banda di sweep, decisamente superiore rispetto ai 200 MHz disponibili nella NB a 24 GHz.

Figura 2: Bande radar disponibili nel settore automobilistico

Perché la larghezza di banda è così importante?

Gli odierni sistemi radar non emettono più un ping ad alta energia per misurare il tempo necessario a ricevere il segnale riflesso. Un radar a onda continua modulato in frequenza (FMCW) trasmette un chirp, ossia una scansione di frequenza (rampa), compatibile con la larghezza di banda del sistema. Gli oggetti sul percorso del segnale riflettono questo chirp. La differenza tra la frequenza del chirp prodotto dal trasmettitore e la frequenza del segnale riflesso ricevuto (in qualsiasi momento) è in correlazione lineare con la distanza tra trasmettitore e oggetto.

Sia la risoluzione che l’accuratezza di questa misurazione di distanza sono importanti. La risoluzione determina quanto devono essere lontani gli oggetti per poter essere distinguibili come due oggetti distinti. Per accuratezza si intende esattamente l’accuratezza di misurazione della distanza. L’errore di misurazione della distanza e la distanza minima risolvibile sono inversamente proporzionali alla larghezza di banda del chirp. A causa dell’ampiezza delle frequenze disponibili, un passaggio da 24 GHz a 77 GHz permette di raggiungere prestazioni 20 volte superiori in termini di risoluzione di campo e accuratezza. La risoluzione di campo di un sistema a 77 GHz può essere di 4 cm rispetto ai 75 cm di un radar a 24 GHz, consentendo una migliore rilevazione di più oggetti ravvicinati fra loro.

Risoluzione

È possibile utilizzare le differenze di fase tra il segnale trasmesso e il segnale al ricevitore per misurare la velocità relativa di un oggetto. Al calare della lunghezza d’onda, la risoluzione e l’accuratezza di questa misurazione della velocità migliorano in proporzione. Pertanto, il passaggio da 24 GHz a 77 GHz dei sensori permette di migliorare di 3 volte le misurazioni della velocità.

Dimensioni del sistema

Se queste ragioni non fossero sufficienti per convincere i progettisti di sistemi a passare alla banda a 77 GHz, l’abbandono dei 24 GHz offre un vantaggio ancora più convincente: le dimensioni della soluzione! Poiché la lunghezza d’onda dei segnali a 77 GHz è pari a un terzo di quella di un sistema a 24 GHz, le dimensioni di uno schema di antenne per un dato campo visuale e guadagno si riducono a un terzo per entrambe le dimensioni X e Y. In altre parole, l’area totale necessaria per un’antenna a 77 GHz è pari a un nono delle dimensioni di un’antenna simile a 24 GHz. Ciò consente di realizzare moduli molto più piccoli in punti dell’auto con limiti di spazio. In alcuni casi, i moduli radar possono essere di dimensioni tanto ridotte quanto le comuni telecamere degli odierni sistemi di sicurezza automobilistici. Le dimensioni relative di queste antenne sono mostrate in Figura 3.

Figura 3: Dimensioni relative delle antenne per 24 GHz e 77 GHz

Contemporaneamente all’aumento della domanda di sensori radar per autoveicoli, stanno cambiando anche i sensori stessi. Tale cambiamento ha senso, poiché il passaggio da 24 GHz a 77 GHz offre una maggiore accuratezza e una migliore risoluzione in un package più contenuto. Considerando questi aspetti, è facile capire perché i radar automobilistici stiano passando da 24 GHz a 77 GHz.

Risorse supplementari

Per ulteriori informazioni sulle soluzioni per piccoli sistemi a 77 GHz, è possibile consultare le seguenti risorse:

• Progetto di riferimento per radar a corto raggio (SRR) con AWR1642.
• Pagina delle applicazioni per radar a raggio ultra corto di Texas Instruments.
• Il white paper «Sensore AWR1642 a onde millimetriche: radar on-chip a 76-81 GHz per applicazioni radar a corto raggio».
• Il white paper «I sensori intelligenti di TI, l’ideale per le applicazioni di guida automatica»
• Il white paper «Le basi dei sensori a onde millimetriche».