Ultragevoelige en energiezuinige radar maakt intuïtieve mens-computer-interactie mogelijk

Deze week, op de International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) in San Francisco demonstreert imec de mogelijkheden van een 60 GHz-radar voor bewegingsdetectie. Wanneer bezoekers naar de indoor-radar zwaaien, wordt de positie en de snelheid van hun hand in real-time getoond. Bijzonder aan deze radar is dat hij weinig stroom verbruikt en dat de RF-front-end volledig geïntegreerd zit in een 28 nanometer-CMOS-chip.  

Radartechnologie is de voorbije jaren enorm geëvolueerd. Tien jaar geleden begon imec te onderzoeken hoe een radarsensor zuiniger, kleiner en goedkoper gemaakt kon worden. De integratie in algemeen beschikbare CMOS-technologie vormde daarbij een historische doorbraak. Sindsdien werden millimetergolfradars geschikt voor massaproductie tegen een lage prijs per eenheid. Het groeiende productievolume van radarsensoren voor auto’s hielp de kostprijs verder omlaag. 

Radar als interface van de toekomst 

Vandaag is radartechnologie klaar voor de volgende stap: het gebruik in wearables, mobiele telefoons, drones en allerhande IoT-sensoren. Dat zal een brede waaier aan nieuwe toepassingen openen. Eén daarvan is zelfs nu al te koop. Google heeft een door Infineon ontwikkelde 60 GHz-radar geïntegreerd in haar nieuwste smartphone, de Pixel 4. De radarchip kan onder meer handgebaren herkennen, zodat je de telefoon kunt bedienen door met je hand boven het scherm te wapperen.  

 “Die eerste radar in een telefoon is leuk als technologische showcase, maar voor een echte doorbraak, moeten nog enkele technologische hordes genomen worden”, vertelt Barend van Liempd, programma-manager radar bij imec. “Wij willen het verschil maken door voor CMOS te kiezen in plaats van voor silicium-germanium. Daardoor kan de transceiver beter geïntegreerd worden in de digitale postprocessor, wat belangrijke voordelen biedt op vlak van snelheid en vermogen.” 

“Als je een radarchip in een mobiele telefoon kan integreren, dan kan het eigenlijk in eender welk toestel”, zegt van Liempd.  Hij is ervan overtuigd dat radar in de toekomst de basis zal vormen om allerlei smart devices aan te sturen. “De technologie kan niet alleen het swipen vervangen, maar ook je toetsenbord of je muis. Zo kan een radarsensor de beweging van je handpalm volgen om interactie op het scherm mogelijk te maken of je toetsaanslagen registeren terwijl je typt op tafel. Ook het aansturen van augmented en virtual reality met je handen of zelfs de interactie met hologrammen wordt mogelijk. Dit soort intuïtieve handelingen zal allerlei nieuwe toepassingen mogelijk maken in de consumentenelektronica.”  

Om die technologie in de huiskamer van mensen te krijgen, moet het energieverbruik naar omlaag. “Je kan radar dan wel integreren in een mobiele telefoon, slimme horloge of drone, maar je wil niet om de haverklap de batterij opladen. De grote uitdaging bestaat er dus in om het vermogen van radarchips drastisch te verminderen. Op dat vlak hebben we recent een gigantische stap vooruitgezet”, zegt van Liempd. 

De 60 GHz-radar, een manusje-van-alles 

Een radar die op een lagere frequentie werkt, verbruikt doorgaans minder stroom maar is ook minder gevoelig. Een 24 GHz-radar is relatief groot in omvang en combineert een laag energieverbruik met een matige resolutie. Wil je zeer nauwkeurig microbewegingen kunnen detecteren, dan lijkt een 140 GHz-radar beter geschikt. Dat is een kleinere sensor die een veel betere resolutie haalt, maar dat gaat dan weer ten koste van een hoger vermogen.  

Tussen die twee uitersten ligt de 60 GHz-radar, die het beste van beide werelden combineert. Deze radar kan zowel ingezet worden voor het detecteren van personen, het herkennen van gebaren als voor het monitoren van iemands hartslag, zonder dat daar veel stroomverbruik voor nodig is. Ten opzichte van de 79 GHz-band die enkel voor automotive toepassingen gereserveerd is, heeft de frequentieband rond 60 GHz dan weer het voordeel dat het een licentievrije ISM-band is, die dus kan opengesteld worden voor allerhande nieuwe toepassingen. Het lage stroomverbruik van de 60 GHz-radar is niet alleen te danken aan een nieuwe transceiver-architectuur, maar ook aan een nieuwe, energiezuinige phase-locked loop (PLL). 

De phase-locked loop, het centrale zenuwstelsel van de radar 

Net zoals de hypothalamus de bloeddruk of hartslag in ons lichaam reguleert, zal de phase-locked loop (PLL) als regelsysteem voor een radar fungeren. Om een antenne efficiënt in CMOS-technologie te kunnen integreren, wordt meestal gebruik gemaakt van een FM-CW-radar (Frequency-modulated continuous-wave). Daarbij wordt een radiogolf uitgestuurd waarvan de draagfrequentie over een bepaalde bandbreedte gemoduleerd wordt. Het is de PLL die deze frequentie zal reguleren. De PLL genereert golven waarvan de frequentie met tussenpozen lineair in de tijd toeneemt volgens een zaagtandfunctie. Op het moment dat de gereflecteerde golf terugkomt, kan uit het frequentieverschil de tijdsvertraging bepaald worden en dus ook de afstand tot het doel.

“Wil je dat uiterst nauwkeurig doen, dan moet de frequentie in zo’n zaagtand perfect lineair stijgen”, vertelt Jan Craninckx, Distinguished Member of Technical Staff bij imec.  “Daarnaast moet de hellingsgraad zo groot mogelijk zijn, zodat de zaagtandjes zo snel mogelijk herhaald worden. Die korte periode zorgt namelijk voor een hogere gedemoduleerde frequentie, waardoor objecten op korte afstand beter kunnen gedetecteerd worden. Bovendien heeft die korte periode nog een ander voordeel: je kan meerdere transceivers tegelijk gebruiken, waardoor je zeer getrouw de hoek kan bepalen waarin een target gedetecteerd wordt”, legt Craninckx uit. 

Om met je radar nauwkeurig de afstand en de richting van een object te bepalen, heb je dus een PLL nodig die golven genereert waarvan de frequentie snel en zeer lineair toeneemt. Daarnaast moet je die gemoduleerde frequentie ook hoog genoeg krijgen, want de bandbreedte bepaalt de resolutie van je radar. De grote uitdaging bestond erin om een PLL te ontwerpen die aan al die voorwaarden voldoet zonder al te veel vermogen te verbruiken.  

Op de International Solid-State Circuits Conference kondigt imec een nieuwe PLL aan die precies daarin slaagt. De PLL in kwestie genereert gemoduleerde golven gecentreerd rond 10 GHz waarvan de frequentie met 1.2 GHz stijgt (of 12 procent) in amper 51,2 microseconden. Op die lineaire toename van 23 MHz per microseconde zit een onzekerheid (een rms-deviatie) van slechts 90 kHz. Dit alles verbruikt amper 12 mW, wat een fenomenale reductie in vermogen betekent ten opzichte van de bestaande PLL’s.  

“Deze PLL is een belangrijke stap vooruit in de ontwikkeling van een energiezuinige 60 GHz-radar”, zegt Craninckx. Het door de PLL gegeneerde 10 GHz-signaal wordt geconverteerd naar 60 GHz, waardoor ook de bandbreedte zes keer groter wordt. Op die manier bekom je een 60 GHz-radar met een bandbreedte van 7,2 GHz die met hoge resolutie objecten kan detecteren. De energiezuinige radarchip kan vervolgens ingezet worden om bewegingen te detecteren, gebaren te herkennen of om iemands hartslag te meten. De potentiële toepassingen daarvan zijn zo breed als men zich maar kan voorstellen. 

Meer weten? 

• Het imec-team beschreef de PLL in meer detail in een ISSCC-publicatie. Wil je deze publicatie graag ontvangen, dan kan je die aanvragen via ons contactformulier.
   
• Geïnteresseerd om met imec’s 60 GHz radarchips te werken? Neem contact op via het contactformulier om een samenwerking te bespreken.  
   
• Het radaronderzoek van imec is grofweg onderverdeeld in twee onderzoeksvelden, radartechnologie voor hoge-resolutie-beeldvorming en radartechnologie voor IoT. Via Imec's R&D-radarplatform, dat voortbouwt op die resultaten, kunnen bedrijven toekomstige toepassingen laten uitwerken. Contacteer ons via het contactformulier als je in een van imec’s radartechnologieën geïnteresseerd bent.