Chip radar sóng milimét: FMCW, khối RF đầu vào/ra và xử lý tín hiệu | METRAVON

METRAVON Chip radar sóng milimet: Nguyên lý hoạt động, kiến trúc và tính năng kỹ thuật

Chip radar sóng milimét tạo và nhận tín hiệu vô tuyến dùng trong một số thiết bị đo khoảng cách. Khi mua thiết bị đo mức, cần phân biệt linh kiện RF với thiết bị truyền tín hiệu hoàn chỉnh: đặc tính linh kiện không chứng minh dải đo sau lắp đặt, tương thích quá trình hay độ chính xác đo mức.

Thiết kế có thể tích hợp khối RF đầu vào/ra, ADC, bộ xử lý và một phần phần mềm phát hiện hoặc phân bố các chức năng đó giữa nhiều linh kiện. METRAVON MV-RD11 và MV-RD14 là thiết bị đo mức chất lỏng hoàn chỉnh. Tên sản phẩm và tần số vận hành không xác định mã linh kiện chip bên trong hay chứng minh có thể truy cập mẫu dữ liệu thô.

Radar sóng milimet là gì?

Sóng milimet thường đề cập đến sóng điện từ trong dải tần số xấp xỉ từ 30 GHz đến 300 GHz, tương ứng với bước sóng khoảng 1 mm đến 10 mm.

Các hệ thống radar thực tế chỉ sử dụng những phần được chọn của phổ này. Các ví dụ phổ biến bao gồm 60 GHz, 77 GHz, 79 GHz và khoảng 80 GHz được sử dụng rộng rãi trong đo lường mức công nghiệp.

Hai khái niệm cần được phân biệt rõ ràng: tần số trung tâm xác định băng tần radar, còn băng thông điều chế hiệu dụng là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng độ phân giải khoảng cách FMCW.

Radar sóng milimet là một công nghệ cảm biến chủ động

Radar chủ động truyền năng lượng điện từ và phân tích tín hiệu phản xạ từ mục tiêu.

Mục tiêu không cần phải mang theo thiết bị truyền tín hiệu. Miễn là nó phản xạ đủ năng lượng điện từ về phía radar, hệ thống có thể phát hiện ra nó.

Radar FMCW đo khoảng cách như thế nào?

Nhiều radar sóng milimet hiện đại sử dụng công nghệ FMCW, hay Sóng liên tục điều chế tần số.

Radar liên tục phát tín hiệu quét tần số biến đổi theo thời gian. Khi tín hiệu phản xạ từ mục tiêu về máy thu, trễ truyền tạo chênh lệch tần số giữa hồi âm trễ và tín hiệu đang phát.

Bộ trộn kết hợp hồi âm nhận được với tín hiệu tham chiếu phát để tạo tín hiệu phách. Với mục tiêu đứng yên lý tưởng và quét tần tuyến tính, tần số phách tỷ lệ với độ dốc quét nhân trễ đi-về. Chuyển động, rò tín hiệu, nhiễu và nhiều vật phản xạ làm ước lượng thực phức tạp; thiết bị hoàn chỉnh phải chọn đúng bề mặt mong muốn, không chỉ phát hiện đỉnh phổ.

Do đó, radar FMCW sử dụng độ trễ lan truyền gián tiếp thông qua so sánh tần số thay vì chỉ dựa vào bộ đếm thời gian bay tốc độ cao trực tiếp.

Những khối nào thường được tích hợp trong chip radar sóng milimet?

Tại sao tần số cao hơn hỗ trợ ăng-ten nhỏ gọn hơn?

Với khẩu độ ăng-ten tương đương, bước sóng ngắn hơn có thể giảm độ rộng góc chùm sóng. Hoặc khẩu độ nhỏ hơn có thể đạt độ rộng chùm tương tự tại tần số cao hơn. Đồ thị bức xạ thực và bản vẽ lắp đặt vẫn quyết định khoảng hở; tần số riêng lẻ không phải đặc tả góc chùm.

Trong radar mức công nghiệp, điều này có nghĩa là các kết nối quy trình tương đối nhỏ vẫn có thể hỗ trợ các chùm đo tập trung, dễ dàng định vị cách xa thành bình chứa, máy khuấy, đường ống và các bộ phận bên trong khác.

Tần số radar cao hơn có tự động đồng nghĩa với độ chính xác cao hơn không?

Hiệu năng đo khoảng cách thực phụ thuộc nhiều yếu tố, gồm:

• Băng thông điều chế hiệu dụng;
• Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm;
• Nhiễu của khối RF đầu vào/ra;
• Thiết kế ăng-ten;
• Hiệu năng ADC;
• Hiệu chuẩn hệ thống;
• Thuật toán phát hiện mục tiêu.

Một radar hoạt động ở tần số 80 GHz không tự động chính xác hơn mọi thiết kế 60 GHz hoặc tần số thấp hơn.

Radar đo vận tốc và góc như thế nào?

Mục tiêu chuyển động gây hiệu ứng Doppler. So sánh thay đổi pha và tần số giữa nhiều lần quét cho phép radar ước lượng vận tốc hướng tâm.

Đo góc thường yêu cầu nhiều anten thu được sắp xếp thành một mảng. Bằng cách so sánh độ lệch pha giữa các kênh, hệ thống có thể ước tính hướng đến.

Độ phân giải góc phụ thuộc vào khẩu độ mảng, sắp xếp kênh, hiệu chuẩn và xử lý. Một giá trị mức đơn không xác định rằng dụng cụ đo góc, vận tốc hướng tâm hoặc bề mặt ba chiều. Xác nhận các chức năng đó một cách rõ ràng nếu dự án yêu cầu chúng.

Nền tảng bán dẫn và tính sẵn có của thành phần

Quy trình chế tạo bán dẫn, danh tính chip và khả năng cung cấp linh kiện lâu dài cần tài liệu nhà cung cấp nếu thuộc hợp đồng. Không thể xác định chúng từ ảnh thiết bị truyền tín hiệu hoặc băng tần. Khi lập kế hoạch thay thế thường lệ, lưu kiểu thiết bị đầy đủ, phiên bản phần cứng hoặc phần sụn, cấu hình được phê duyệt và tài liệu dịch vụ.

Tại sao hiệu suất chip không bằng hiệu suất radar hoàn chỉnh?

Chip radar chỉ là một phần của hệ thống đo lường.

Hiệu suất cuối cùng cũng phụ thuộc vào:

• Thiết kế ăng-ten;
• Bố trí mạch RF trên PCB;
• Thiết kế nguồn điện và EMC;
• Kết cấu vỏ và chụp bảo vệ ăng-ten;
• Thuật toán xử lý tín hiệu;
• Hiệu chuẩn hệ thống;
• Môi trường lắp đặt.

Vì vậy, hai sản phẩm radar dùng linh kiện bán dẫn RF tương tự có thể cho hiệu năng hiện trường rất khác nhau.

Vì sao chip sóng milimét quan trọng trong radar đo mức công nghiệp

Trong thiết bị đo mức FMCW, mạch RF hỗ trợ tạo tín hiệu quét tần và thu hồi âm. Đặc tả thiết bị phải xác định hiệu năng kết hợp của mạch, ăng-ten, xử lý và hiệu chuẩn. Không suy ra băng thông quét hoặc kiến trúc bán dẫn của kiểu METRAVON từ mô tả chung trong ngành về thiết kế 80 GHz.

Tuy nhiên, hiệu năng hiện trường phụ thuộc toàn bộ tổ hợp khối RF đầu vào/ra, ăng-ten, dải động và xử lý hồi âm mức.

Với đơn vị tích hợp hệ thống, bằng chứng hữu ích gồm khoảng đo sử dụng được, đáp ứng và hành vi khi lỗi, đầu ra hỗ trợ, quyền truy cập chẩn đoán và điều kiện của sai số công bố. Những mục này giúp xác định phạm vi cung cấp thiết bị có thể thử được; danh sách khối xử lý nội bộ không làm được điều đó.

Từ kiến trúc RF tới thông số kỹ thuật của thiết bị truyền tín hiệu

Độ phân giải khoảng cách là khả năng phân biệt các mục tiêu gần nhau về khoảng cách. Độ chính xác đo liên quan mức phù hợp với tham chiếu trong điều kiện quy định; độ lặp lại liên quan các phép đo lặp trong cùng điều kiện. Đây là những tuyên bố khác nhau, và bước hiển thị nhỏ không chứng minh điều nào.

Đánh giá cách thiết bị hoàn thiện nhận dạng bề mặt trước khi thay đổi bộ lọc hoặc yêu cầu thiết bị điện tử thay thế. Kiểm tra độ tin cậy radar tại bồn

Câu hỏi về các thành phần và dữ liệu thiết bị

Q1. Liệu một chip radar được đặt tên có chứng minh được độ chính xác của thiết bị truyền tín hiệu mức không?

Không. Danh tính chip không xác định đồ thị bức xạ ăng-ten, bộ phận cách ly quá trình, hiệu chuẩn hoặc cách chọn mục tiêu của thiết bị hoàn chỉnh. So sánh đặc tả toàn bộ thiết bị truyền tín hiệu và thử trong trạng thái vận hành cần thiết. Nếu danh tính linh kiện là yêu cầu hợp đồng, lấy xác nhận rõ từ nhà cung cấp thay vì suy ra từ tần số hoặc vỏ.

Q2. Nhà tích hợp có nên yêu cầu mẫu ADC hoặc giá trị mức đã xử lý không?

Yêu cầu đúng nhu cầu hệ thống nhận. Vòng điều khiển PLC thường cần giá trị theo đơn vị kỹ thuật và trạng thái có tài liệu; phát triển thuật toán có thể cần dữ liệu thô hoặc trung gian mà thiết bị truyền tín hiệu quá trình không cung cấp. Xác nhận truy cập, định dạng, thời gian và hỗ trợ trước khi mua. Đầu ra RS485 tự nó không cung cấp dữ liệu RF hoặc ADC thô.

Chỉ định dữ liệu và tài liệu được gửi

Đối với một đơn đặt hàng thiết bị, hãy tách riêng ba sản phẩm bàn giao: giá trị và trạng thái đo được, chẩn đoán có sẵn cho người dùng và mọi thông tin thành phần hoặc phần sụn theo yêu cầu của hợp đồng. Giải quyết các tài liệu còn thiếu trước khi chọn phần cứng nhận hoặc chấp nhận thiết bị thay thế.

Với thiết bị đo mức hoàn chỉnh, cung cấp bồn, môi chất, vị trí bề mặt gần nhất và xa nhất, cổ lắp đặt cùng giới hạn quá trình. Bổ sung giao tiếp hệ thống nhận và quyền truy cập chẩn đoán cần thiết. Nếu danh tính chip, mẫu thô hoặc hỗ trợ phần sụn thuộc hợp đồng, liệt kê riêng để xác nhận bằng văn bản. Thảo luận về yêu cầu thiết bị radar hoàn chỉnh