Een compacte 140GHz-radarchip om kleine bewegingen zoals hartslag te detecteren

Evolutie in radartechnologie maakt slimme toepassingen mogelijk

Sinds de introductie van de eerste radarsystemen in de jaren ‘30 is radartechnologie enorm geëvolueerd. In al die jaren zijn wetenschappers er in geslaagd om radars alsmaar kleiner, zuiniger en goedkoper te maken, terwijl ze de resolutie en rekenkracht verder opdreven. Deze evolutie, in combinatie met de vooruitgang in chiptechnologie gaf aanleiding tot de eerste compacte laagvermogen millimetergolf-radars die werken in een frequentiegebied van 30 tot 300GHz. Deze radars zijn in staat om objecten op korte afstand te detecteren, en worden alsmaar meer ingezet om slimme toepassingen mogelijk te maken. 

In principe kan je deze radars in bijna elk object inbouwen. Vandaag vind je ze bijvoorbeeld al terug in een aantal exclusieve wagens, waar ze ingezet worden om aanrijdingen te voorkomen, om andere weggebruikers te detecteren of als parkeerhulp. Maar ze kunnen ook gebruikt worden om de veiligheid van gebouwen te verhogen (bijv. als slimme personenteller of om indringers te detecteren), om de gezondheid van autobestuurders te monitoren, om vitale functies van patiënten op te volgen, of om handbewegingen te herkennen – een kritisch onderdeel van intuïtieve mens-machine-interactie.

Om deze en andere scenario’s mogelijk te maken, wordt vandaag verder gesleuteld aan de kostprijs, het energieverbruik, de afmetingen en de resolutie (of: hoe goed ze twee objecten uit elkaar kunnen houden) van de radarsystemen.

De troeven van hoogfrequente radars

Hoewel alle radarsystemen hetzelfde basisprincipe hanteren, worden ze in verschillende ‘vormen’ gemaakt. Radarsystemen kunnen bijvoorbeeld verschillen in de frequentie van hun draaggolf (bijv. 8GHz, 60GHz, 79GHz of 140GHz), in bandbreedte, of in de manier waarop de draaggolf gemoduleerd wordt (bijv. frequentie- of fase-modulatie). De draaggolf kan uitgezonden worden als een puls, of als een constant signaal. Iedere keuze heeft een impact op de kostprijs, de afmeting, het energieverbruik en de prestaties van de radar. De toepassing bepaalt welk type radar best wordt ingezet.

Om een gevoelige, compacte radar te maken die heel kleine bewegingen (zoals een hartslag) moet kunnen detecteren, is een hoogfrequente radar het meest aangewezen. Door frequenties boven 100GHz in te zetten, kan de radar breedbandig worden gemaakt – wat op zijn beurt resulteert in een betere diepteresolutie. Deze diepteresolutie bepaalt de afstand tussen twee objecten (in lijn met de radar) waarbij de radar de objecten nog als afzonderlijk kan waarnemen.

Bij hogere frequenties kan ook de Dopplershift – en dus de snelheid waarmee het object beweegt – veel nauwkeuriger worden gemeten. Een Dopplershift wordt waargenomen als een verandering in de frequentie van de golf die weerkaatst wordt door een object dat ten opzichte van de radar beweegt. Zo draait de fase van het ontvangen, weerkaatste signaal voor een millimeter aan beweging het ontvangen signaal (met een draaggolf-frequentie van 140GHz) net geen 360 graden, wat zorgt dat minuscule bewegingen erg precies kunnen worden gemeten.

Hoe hoger de frequentie van de draaggolf, hoe kleiner ook de antennes kunnen gemaakt worden. Voor frequenties boven 100GHz kunnen de antennes zelfs mee op de chip geïntegreerd worden. Dat maakt het uiteindelijke radarsysteem compacter en goedkoper in vergelijking met het off-chip integreren van grote antennes op een PCB. Deze oplossing maakt ook een grotere bandbreedte mogelijk. 

Een geïntegreerde 140GHz-radarchip in 28nm CMOS

Onderzoekers bij imec zijn er in geslaagd om een uiterst compacte radarchip te maken waarmee vitale functies en kleine gebaren kunnen worden gedetecteerd. De radar werkt bij een frequentie van 140GHz, heeft een bereik van 0,15 tot 10 meter, een diepteresolutie beter dan 15mm en een bandbreedte van meer dan 10GHz. 

De draaggolf wordt uitgezonden als een frequentie-gemoduleerde continue golf (FMCW, frequency modulated continuous wave). De transceiver (zendontvanger) is gemaakt in 28nm CMOS-technologie, wat op grote volumeschaal een lagere productiekost garandeert.   

De sleutelingrediënten

De twee voornaamste bouwblokken van de radar zijn: een transceiver met geïntegreerde antennes, en een phase-locked loop (PLL) die de gemoduleerde draaggolf genereert. 

Als eerste stap in de werking van de radar wordt een frequentie-gemoduleerde continue golf uitgezonden door de PLL – die eveneens in 28nm CMOS werd gemaakt. De draagfrequentie wordt hierbij gemoduleerd over een grote bandbreedte door middel van een lineaire zaagtand. De snelheid waarmee deze zaagtand herhaald wordt, wordt ‘chirp’-snelheid genoemd. Deze chirp-snelheid ligt voor de nieuwe PLL uitzonderlijk hoog: een bandbreedte van 1,5GHz wordt in amper 30µs bereikt. Hierdoor kan de frequentiemodulatie aan een hoog tempo worden uitgevoerd. Het gemoduleerde signaal, ook wel ‘chirp’-signaal genoemd, is gecenterd rond 16GHz. 

Dit centrale 16GHz chirp-signaal wordt verstuurd naar de zender op de transceiver-chip. Vervolgens wordt het signaal geconverteerd naar 144GHz, versterkt en uitgezonden via de antenne-op-chip. Na reflectie door het object wordt het signaal opgepikt door de ontvanger en vermenigvuldigd met het originele chirp-signaal. De vertraging waarmee het signaal ontvangen wordt (waargenomen als een frequentie-offset), is een maat voor de afstand tot het object. Nadien wordt het analoge signaal geconverteerd naar een digitaal signaal, waaruit parameters zoals afstand en snelheid kunnen wordt afgeleid.

De transceiver presteert erg goed, wat uitgedrukt wordt door de uitzonderlijk hoge EIRP (effective-isotropic-radiated power) van 11dBm van de zender, en de goede ‘noise figure’ en ‘conversion gain’ van de ontvanger (8dB en 84dB respectievelijk). De transceiver-chip verbruikt minder dan 500mW.

Een hoge hoekresolutie dankzij MIMO

Bepaalde toepassingen zoals gebarenherkenning vragen om een minimale hoek-resolutie, waardoor de beweging uiteindelijk in drie dimensies kan worden gevat. Een elegante manier om de hoekresolutie te vergroten, is het MIMO-radar principe waarbij meerdere transceiver-chips worden gebruikt. Volgens dit principe wordt het initiële chirp-signaal over een PCB verstuurd naar de verschillende zenders, die vervolgens simultaan (orthogonale) signalen uitsturen.   

Imec werkt aan verschillende configuraties, zoals een 2x2 MIMO radar van slechts enkele vierkante centimeters groot. Deze radar wordt gevormd door 3 transceiver-chips in een rij en wordt ook wel 1x4 virtuele MIMO radar genoemd. Door het commerciële MUSIC-algoritme te gebruiken kon met deze MIMO-radar een hoekresolutie van 7,5° bekomen worden. 

Het meten van ademhaling en hartslag: een ‘proof of concept’

Experimenten hebben uitgewezen dat met de radar ook vitale functies kunnen gemeten worden. Het gaat hierbij vooral over het meten van ademhaling en hartslag – bijvoorbeeld om de hartslag van patiënten op te volgen of om de hartslag van een bestuurder tijdens het rijden te checken.

In een reeks experimenten werd aangetoond dat de radar in real time de ademhaling en hartslag van een persoon kan detecteren. 

De hartslag werd hierbij gemeten aan de hand van micro-huid-bewegingen. Het imec-team werkt momenteel aan een draagbare demonstrator van zijn 1x4 MIMO setup. 

Het gebruik van de radar voor gebarenherkenning

Het team heeft onderzocht of de radar ook kan gebruikt worden om vinger- en handbewegingen te herkennen ter ondersteuning van mens-machine interface-systemen. Ook al reflecteert een hand typisch niet veel energie, toch kan de zeer gevoelige radar deze bewegingen waarnemen. Dit is mogelijk omdat de radar door zijn hoge afstands- en hoekresolutie gevoelig is aan de kleine ‘sub’-bewegingen van de vingerkootjes. Deze hebben zogenoemde micro-Dopplersignalen tot gevolg, die de radarchip verwerkt. 

Hieraan werden machine-learning technieken toegevoegd om het systeem te trainen op basis van gekende data. Op deze manier is het systeem in staat om de Doppler-signatuur van bewegende objecten te herkennen. 

De auteurs bedanken Panasonic, Sony, de Vlaamse overheid en de Europese Commissie voor hun bijdrage en steun aan dit werk.

Meer weten?

• Wil je de 140GHz radar live aan het werk zien? Breng dan zeker een bezoek aan de techexpeditie van imecs Future Summits, op 14 en 15 mei in Antwerpen.
• Imec ontwikkelt ook andere radaroplossingen, zoals een 8GHz UWB radar voor slimme gebouwen en een 79GHz radar voor automotive toepassingen. Contacteer ons via dit contactformulier indien je in één van imecs radartechnologieën geïnteresseerd bent.
• Het imecteam beschreef de 140GHz transceiver in meer detail in een ISSCC-paper. Wil je deze paper graag ontvangen, dan kan je die aanvragen via ons contactformulier.