Da sinistra a destra: evoluzione dei sensori EHF con radar integrato, fonte: Google AI

Le onde millimetriche (MMW) o frequenze estremamente alte (EHF) sono un intervallo di onde radio con una lunghezza d'onda da 10 mm a 1 mm, che corrisponde a una frequenza da 30 GHz a 300 GHz. Sono utilizzati nei radar militari e di polizia, negli scanner di sicurezza, nella terapia EHF per il trattamento di molte malattie, negli strumenti astronomici.

Ma ora si avvicina l'era in cui i radar a onde millimetriche (mmWave, 60 GHz) sono maturi per un uso commerciale diffuso. Presto potranno essere integrati in normali smartphone. Questo apre possibilità radicalmente nuove per l'utilizzo di gadget portatili: riconoscimento dei gesti in auto, monitoraggio remoto del sonno, monitoraggio dei movimenti di tutte le persone in ufficio e molto altro.

In precedenza, l'uso del radar mmWave nell'elettronica di consumo richiedeva una speciale approvazione FCC. Google è stato il primo a riceverlo nel 2018, poi Vayyar, Amazon e alcune altre società.

Il 13 luglio 2021, la FCC ha proposto di aprire la banda a 60 GHz alle applicazioni commerciali mmWave. La decisione ha dato il via libera a dozzine di start-up e nuovi prodotti commerciali che potevano utilizzare liberamente i radar EHF senza un'autorizzazione speciale della FCC.

La possibilità di un'ampia applicazione dei radar EHF è apparsa anche grazie ai progressi nella produzione di CMOS RF

RFCMOS

Il chip RF CMOS (RF CMOS) o RFIC integra elettronica a radiofrequenza (RF), analogica e digitale. Recentemente, è diventato possibile posizionare radar, antenne e core computazionali sullo stesso chip, il che rende possibile la produzione di sensori mmWave a un prezzo molto più basso.

Il radar funziona trasmettendo onde elettromagnetiche ed elaborando le onde di risposta riflesse dagli oggetti circostanti. Il segnale a 60 GHz ha una lunghezza d'onda di 5 mm, che consente a mmWave di ricevere informazioni dettagliate su di noi e sul nostro ambiente fisico.

Ad esempio, ecco come appare il risultato dell'elaborazione del segnale EHF riflesso su uno smartphone se una persona si avvicina (a sinistra), si allontana (al centro) o fa un gesto della mano (a destra).

Dati radar EHF su smartphone, fonte: Google AI

4D

Sui microcircuiti EHF, di solito ci sono diverse antenne, quindi il sensore riceve un'immagine, per così dire, in quattro dimensioni. Oltre coordinate, il sensore cattura anche la velocità di ciascun punto riflesso. Scopri di più su come funzionano i radar 4D qui.

Il diagramma seguente confronta quattro tipi di sensori comuni: ultrasuoni, fotocamera (2D), lidar (3D) e radar (4D). Come puoi vedere, il radar è l'unico sensore che riceve informazioni sulla velocità di un oggetto.

Un altro vantaggio del radar è che può vedere attraverso la plastica e altri materiali. Questo lo rende una scelta eccellente per l'elettronica di consumo in quanto può essere posizionato sotto il corpo di qualsiasi gadget.

Il radar è immune a fattori ambientali come luce, temperatura e polvere, quindi funziona benissimo in ambienti in cui il fotosensore è inutile. Allo stesso tempo, è estremamente affidabile, non c'è letteralmente nulla da rompere nel microcircuito: non ci sono parti mobili o lenti.

Il vero vantaggio dei radar mmWave arriva quando sono integrati nei sistemi di intelligenza artificiale. Ad esempio, i ricercatori della Carnegie Mellon University l'anno scorso hanno addestrato una rete neurale che classifica accuratamente diversi tipi di attività dai dati radar: agitare le braccia, accovacciarsi, andare in bicicletta, battere le mani, affondi, saltare.

Radar EHF negli elettrodomestici

Il primo prototipo di dispositivo commerciale con radar integrato è stato mostrato dallo studio Google ATAP (Advanced Technology & Projects) nel 2015. Era un progetto di smartwatch Google Soli sviluppato da un team guidato da Ivan Popyrev (vedi articolo su e).

In breve, Project Soli è un radar su un chip in miniatura che può essere incorporato in qualsiasi oggetto circostante: ad esempio uno specchio, una stufa, un televisore. Qualsiasi oggetto che interagisce con una persona. Ora riconosceranno i gesti delle dita con una precisione inferiore a 1 mm.

Non è necessario installare telecamere ingombranti e apparecchiature aggiuntive, soprattutto perché nessuna telecamera sarà in grado di tracciare i movimenti a una frequenza di 10.000 FPS, come fa Soli. I gesti touchless possono essere utilizzati per estendere l'interfaccia utente di vari dispositivi.

Nell'ottobre 2019, il radar Soli è stato integrato nello smartphone Pixel 4 (nome commerciale (Motion Sense), dove ha accelerato il processo di sblocco facciale insieme al supporto per il riconoscimento di diversi gesti di base, come il controllo della musica. Ma da allora, il chip non è stato incluso in nessuno smartphone Pixel Probabilmente, gli sviluppatori hanno deciso di lavorare sull'applicazione di questa tecnologia negli smartphone.

Inoltre, nel 2021, Google ha lanciato il suo display intelligente Nest Hub di seconda generazione con rilevamento del sonno.

Smart Display Nest Hub

La funzione di rilevamento del sonno utilizza il radar di Soli per monitorare il sonno della persona accanto al display in base ai suoi movimenti e respirazione, il tutto senza una fotocamera o un qualche tipo di sensore indossabile.Uno smontaggio di questo gadget da $ 60 ha rivelato un chip radar Infineon che costa $ 3,65.

Google Nest Hub (2a generazione)

Amazon ha lanciato il campanello intelligente Ring Video Doorbell Pro 2 con radar EHF integrato all'inizio del 2021. La funzionalità corrispondente per i consumatori è pubblicizzata come funzioni "Rilevamento del movimento 3D" e "Vista a volo d'uccello". Il radar ha meno falsi positivi e una portata più ampia rispetto a una telecamera IR standard. Inoltre, vede attraverso cespugli, alberi e altri ostacoli.

Amazon ha anche seguito l'esempio di Google utilizzando il radar EHF per monitorare la qualità del sonno.

Apple non ha ancora rilasciato nulla con un radar integrato, ma all'inizio del 2021 ha ricevuto un brevetto per un dispositivo con un array di antenne radar circolari.

Basati sulla tecnologia mmWave, i dispositivi di monitoraggio dell'ufficio di nuova generazione funzionano, che tracciano accuratamente la posizione dei dipendenti in ufficio in tempo reale.

Novelic, Arbe, Vayyar, Uhnder e Oculii e altri stanno lavorando su radar EHF per autoveicoli.

Startup Miku ha sviluppato un baby monitor con radar integrato Miku Pro Smart Baby Monitor, che non solo cattura il bambino in video, ma monitora a distanza la frequenza respiratoria e la qualità del sonno.

La tecnologia può essere utilizzata anche per la comunicazione wireless sia all'interno che all'esterno. Tutti i principali operatori di telefonia mobile stanno ora lavorando all'implementazione di mmWave. Ci sono anche progetti di terze parti come Facebook Terragraph e la startup Aervivo.

Lo standard WiGig (WiFi a una frequenza di 60 GHz) è stato adottato nel 2009 e sta gradualmente guadagnando slancio. Ad esempio, Intel ha creato un adattatore wireless per le cuffie Vive VR utilizzando WiGig, che ha una latenza quasi zero e una velocità dati di 4,6 Gbps.

L'ultimo standard WiFi combina radar e tecniche di comunicazione per il rilevamento wireless con router WiFi. Cioè, il router WiFi sarà in grado di tracciare efficacemente il movimento degli oggetti intorno all'appartamento e riconoscere i gesti.

Come puoi vedere, i progressi nella produzione di radar EHF e la decisione della FCC di aprire lo spettro a 60 GHz hanno aiutato una serie di gadget con funzionalità fondamentalmente nuove a entrare nel mercato. Apparentemente, mmWave è un'altra tecnologia rivoluzionaria che influenzerà notevolmente le interfacce intorno a noi. Forse tra qualche decennio, il riconoscimento dei gesti sarà una caratteristica naturale di molti gadget e altri oggetti circostanti.

Per promuovere il nuovo standard e le API unificate, nel gennaio 2022 è stata costituita la Ripple Technology Alliance.

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