Autor: Miki Matsuura
Introducción
Los rápidos avances tecnológicos han acelerado la digitalización y la automatización de los sistemas, lo que ha dado lugar a la adopción generalizada de sistemas inteligentes tanto en la vida cotidiana como en la industria. Los sensores, con los que los sistemas detectan y responden a su entorno, son fundamentales para este progreso. Los métodos de detección tradicionales, como los sensores infrarrojos o ultrasónicos, suelen presentar una precisión reducida en determinadas condiciones. Por el contrario, el radar de ondas milimétricas ofrece una precisión y fiabilidad superiores, funcionando eficazmente incluso donde otros sensores fallan. Como resultado, el radar de ondas milimétricas se utiliza cada vez más en la seguridad automovilística, las soluciones para hogares inteligentes, la automatización industrial y la asistencia sanitaria, impulsando la innovación y mejorando el rendimiento de los sistemas en múltiples sectores.
Este artículo presenta las tecnologías de radar y sensores de ondas milimétricas de 60 GHz, centrándose en lograr tanto una alta precisión de detección como un diseño compacto. También describe los retos que hay que abordar y las soluciones de ensayo necesarias.
Tendencias de la tecnología de radar de ondas milimétricas de 60 GHz
A medida que la automatización y las tecnologías inteligentes siguen avanzando, la tecnología de detección está cobrando cada vez más importancia en todos los sectores industriales. Esto se debe a que, para que los sistemas alcancen un mayor nivel de automatización e inteligencia, deben percibir con precisión su entorno y responder de forma adecuada. En particular, la capacidad de detectar la «presencia», la «posición» y el «movimiento» de los objetos con alta precisión es un factor clave para lograr operaciones seguras, cómodas y que ahorren mano de obra. Está directamente relacionada con el funcionamiento estable de estos sistemas.
El principal motor de este crecimiento es que el radar de 60 GHz ofrece un rendimiento superior en comparación con los métodos de detección convencionales, como las cámaras y los sensores infrarrojos o ultrasónicos. A diferencia de los sensores ópticos, el radar de 60 GHz puede funcionar eficazmente en entornos oscuros, a través de la ropa o la ropa de cama, e incluso en condiciones meteorológicas adversas, lo que lo convierte en una solución atractiva para aplicaciones automovilísticas, industriales, médicas y de hogares inteligentes. Su corta longitud de onda y su amplio ancho de banda de hasta 7 GHz permiten una alta resolución espacial, lo que permite la medición de distancias a nivel centimétrico y la detección incluso de movimientos mínimos.
La versatilidad de la tecnología se refleja en su amplia gama de aplicaciones. En el sector automovilístico, el radar de 60 GHz se utiliza para la monitorización del habitáculo, la detección de ocupación de los asientos y la evaluación del estado de salud del conductor, lo que mejora tanto la seguridad como el confort. Los hogares inteligentes se benefician del reconocimiento de gestos y la detección de ocupación, lo que permite controles automatizados y una monitorización respetuosa con la privacidad. Los entornos industriales utilizan el radar de 60 GHz para la gestión de la seguridad de los trabajadores, la monitorización de equipos y la detección de intrusiones. En las ciudades inteligentes, permite el análisis del flujo de personas, la seguridad y la gestión energética de los edificios.
Capacidades de detección del radar/sensor de ondas milimétricas de 60 GHz
El radar de ondas milimétricas de 60 GHz es una tecnología de vanguardia que se distingue por su amplio ancho de banda y alta frecuencia. Permite la detección de gran precisión de magnitudes físicas como la distancia, la velocidad, el ángulo y la posición. Gracias a su corta longitud de onda y amplio ancho de banda, este sistema de radar destaca en la monitorización precisa —incluso de movimientos sutiles—, lo que lo hace ideal para aplicaciones que van desde el reconocimiento de gestos hasta la detección de signos vitales, incluida la medición sin contacto de la respiración y la frecuencia cardíaca a través de la ropa o la ropa de cama.
Fundamentalmente, la detección por radar consiste en transmitir señales electromagnéticas hacia un objetivo y analizar las señales reflejadas. Este proceso permite determinar los parámetros clave del objetivo. Entre los métodos disponibles, el radar de onda continua modulada en frecuencia (FMCW) se emplea habitualmente en dispositivos de 60 GHz debido a su eficacia y fiabilidad. El radar FMCW transmite una señal chirp cuya frecuencia cambia linealmente con el tiempo. Cuando estas señales se reflejan en los objetos, el radar las recibe y compara las señales transmitidas y recibidas para producir una señal de frecuencia intermedia (IF). Mediante el procesamiento digital de señales —concretamente, la transformada de Fourier—, el sistema genera un espectro de frecuencias que revela la distancia a cada objeto basándose en las diferencias espectrales determinadas.
Para la detección de la velocidad, el radar analiza las diferencias de fase entre chirps sucesivos de la señal IF. A medida que los objetos se mueven, la fase de la señal reflejada se desplaza. Al calcular este desplazamiento de fase, los ingenieros pueden determinar con precisión la velocidad utilizando el análisis FFT Doppler y fórmulas matemáticas. La capacidad de detectar un ángulo se basa en la medición de las diferencias de fase entre múltiples antenas receptoras. Al calcular estas diferencias, el sistema determina el ángulo de llegada de la señal reflejada, lo que permite una detección angular precisa.
La detección de gestos aprovecha la capacidad del radar para seguir los cambios dinámicos en la distancia, la velocidad y el ángulo. Los algoritmos analizan las series temporales de estos valores físicos para clasificar los gestos de las manos. Los avances recientes han incorporado técnicas de aprendizaje automático para mejorar aún más la precisión y la fiabilidad del reconocimiento. En aplicaciones de detección de signos vitales, el radar puede detectar los movimientos minúsculos del tórax asociados a la respiración y los latidos del corazón. El sistema analiza los cambios de fase en la señal recibida para permitir la estimación sin contacto de los signos vitales, una característica esencial para entornos sanitarios y hogares inteligentes.
Retos de las pruebas con radares de ondas milimétricas de 60 GHz
Rendimiento de detección
El radar de ondas milimétricas de 60 GHz ofrece una alta resolución espacial y una excelente precisión en la detección de movimiento debido a su corta longitud de onda. Para mantener de forma constante este rendimiento de detección de alta precisión, los ingenieros deben optimizar las características de radiación de la antena, el blindaje electromagnético interno y la colocación de los componentes dentro de la carcasa.
El desarrollo y la selección de materiales de baja pérdida también son cruciales. Las ondas electromagnéticas en la banda de 60 GHz son sensibles a los metales, la humedad y los cambios de temperatura, por lo que los desarrolladores suelen utilizar materiales plásticos de baja pérdida con una alta permeabilidad a las ondas electromagnéticas, como el PTFE, el PPS y el PEEK. La optimización de la propagación de las ondas electromagnéticas implica minimizar la reflexión interna mediante la aplicación de tratamientos superficiales y el diseño cuidadoso de las formas de los componentes. Durante el diseño del producto, es esencial evaluar con precisión la permitividad relativa y la tangente de pérdida dieléctrica de los materiales utilizados. Estos valores afectan directamente a las propiedades de transmisión y reflexión de las ondas electromagnéticas, lo que repercute en la sensibilidad y la resolución generales del sistema. La evaluación de las propiedades dieléctricas de los materiales sigue siendo un reto clave en el diseño de circuitos de alta frecuencia.
Cumplimiento de la normativa y medidas contra las interferencias de radio
La banda de 60 GHz comparte frecuencias con otros sistemas inalámbricos. Por lo tanto, los desarrolladores deben cumplir con la legislación sobre radiocomunicaciones de cada país e implementar medidas para evitar interferencias con otros sistemas. Además, deben evaluar cuantitativamente las características de radio, como la desviación de frecuencia y el ancho de banda ocupado (OBW).
Reducción de la inversión en equipos de prueba
A la hora de realizar pruebas con radares de ondas milimétricas, es importante no solo seleccionar instrumentos de prueba capaces de realizar mediciones de alta precisión, sino también optimizar los costes de inversión de capital. Los analizadores de espectro capaces de medir directamente la banda de 60 GHz suelen ser caros, y pueden ser necesarias varias unidades para el desarrollo y la inspección. Una solución práctica consiste en combinar un analizador de espectro de bajo coste con un mezclador de frecuencias externo para convertir las señales de alta frecuencia en un rango medible. Sin embargo, esta configuración puede introducir respuestas de imagen (componentes de señal no deseados), lo que suscita preocupaciones sobre la reducción de la precisión de la medición.
En resumen, garantizar el rendimiento de los radares de ondas milimétricas de 60 GHz requiere un enfoque integral y equilibrado para resolver los retos técnicos del diseño de antenas, el cumplimiento normativo, la medición rentable y la optimización de materiales.
Soluciones de prueba para abordar los retos
Pruebas de rendimiento de detección
Para suprimir las respuestas de imagen y minimizar los costes de inversión de capital, al tiempo que se garantiza el nivel requerido de rendimiento de detección, se requieren innovaciones técnicas que permitan realizar mediciones de alta precisión incluso con configuraciones de mezclador externo. Los analizadores de espectro de Anritsu, MS2830A/MS2840A/MS2850A, están equipados con la tecnología patentada de supresión de respuestas de imagen «PS Polarity Swap». Esta función aplica un procesamiento de modulación de fase patentado a las señales procedentes de mezcladores externos, eliminando de forma eficaz los efectos de las respuestas de imagen. Como resultado, incluso con una configuración de mezclador externo, los desarrolladores pueden realizar mediciones de banda ancha y de alta precisión del espectro, la frecuencia, el ancho de banda ocupado y la potencia en la banda de 60 GHz.
Verificación de materiales de baja pérdida
La medición de las propiedades dieléctricas de los materiales de alta frecuencia puede realizarse mediante uno de dos métodos: el «método del resonador» y el «método de propagación». El método del resonador es adecuado para materiales con una baja pérdida dieléctrica (DF), como resinas y cerámicas, así como para muestras de película delgada. Determina la constante dieléctrica y la pérdida observando los cambios en la frecuencia de resonancia y el valor Q. Este enfoque se caracteriza por su alta precisión y reproducibilidad, pero no es adecuado para materiales que sufren pérdidas significativas. Por otro lado, el método de propagación se utiliza para materiales con una DF elevada, como pinturas, caucho y adhesivos. Evalúa la constante dieléctrica basándose en las características de transmisión y reflexión. Es adecuado para muestras con un espesor de 100 μm o más y permite realizar mediciones en condiciones cercanas a las de uso real.
Un analizador de redes vectorial (VNA) se utiliza para medir las propiedades dieléctricas de los materiales de alta frecuencia. El material sometido a ensayo se coloca en un soporte conectado al VNA, y la constante dieléctrica se calcula a partir de los parámetros S obtenidos. Este método también requiere tener en cuenta el entorno de medición, incluyendo la temperatura, la humedad y el grado de vacío, por lo que se utiliza un banco de control ambiental específico para simular condiciones ambientales concretas.
Para mejorar la fiabilidad de la evaluación de los materiales, los desarrolladores deben seleccionar métodos y sistemas de medición que tengan plenamente en cuenta la banda de frecuencia objetivo, la forma y el grosor de la muestra, y el entorno en el que se utilizará el dispositivo. La medición precisa de la constante dieléctrica constituye la base que sustenta tanto el rendimiento como la fiabilidad del radar de ondas milimétricas de 60 GHz.
Resumen
Al potenciar las soluciones de pruebas avanzadas y mejorar la precisión de la evaluación de materiales, los ingenieros pueden aprovechar al máximo el potencial de la tecnología de radar de 60 GHz e impulsar la innovación en los sistemas inteligentes de próxima generación en diversos campos. A medida que avanza la colaboración con la IA, se prevén nuevas mejoras en la resolución espacial y la materialización de soluciones de detección altamente avanzadas y prácticas.
Anritsu ofrece soluciones de medición avanzadas equipadas con tecnologías propias que ayudan a los ingenieros a superar los retos que surgen durante el desarrollo. La empresa mejora la fiabilidad y el rendimiento de las aplicaciones que utilizan radares de ondas milimétricas de 60 GHz, contribuyendo así a la materialización de la sociedad inteligente de próxima generación.
