Van links naar rechts: evolutie van EHF-sensoren met ingebouwde radar, bron: Google AI

Millimetergolven (MMW) of extreem hoge frequenties (EHF) is een reeks radiogolven met een golflengte van 10 mm tot 1 mm, wat overeenkomt met een frequentie van 30 GHz tot 300 GHz. Ze worden gebruikt in militaire en politieradars, veiligheidsscanners, EHF-therapie voor de behandeling van vele ziekten, astronomische instrumenten.

Maar nu nadert het tijdperk waarin millimetergolf (mmWave, 60 GHz) radars rijp zijn voor wijdverbreid commercieel gebruik. Binnenkort mogen ze ingebouwd worden in reguliere smartphones. Dit opent radicaal nieuwe mogelijkheden voor het gebruik van draagbare gadgets: gebarenherkenning in auto's, slaapbewaking op afstand, het volgen van de bewegingen van alle mensen op kantoor en nog veel meer.

Voorheen vereiste het gebruik van mmWave-radar in consumentenelektronica een speciale FCC-goedkeuring. Google was de eerste die het in 2018 ontving, daarna Vayyar, Amazon en enkele andere bedrijven.

Op 13 juli 2021 stelde de FCC voor om de 60 GHz-band open te stellen voor commerciële mmWave-toepassingen. De beslissing leidde tot groen licht voor tientallen start-ups en nieuwe commerciële producten die zonder speciale FCC-toestemming vrij EHF-radars mochten gebruiken.

De mogelijkheid van een brede toepassing van EHF-radars bleek ook vanwege de vooruitgang in de productie van RF CMOS

RFCMOS

De RF CMOS-chip (RF CMOS) of RFIC integreert radiofrequentie (RF), analoge en digitale elektronica. Sinds kort is het mogelijk om radar, antennes en rekenkernen op dezelfde chip te plaatsen, waardoor het mogelijk wordt om mmWave-sensoren te produceren tegen een veel lagere prijs.

Radar werkt door elektromagnetische golven uit te zenden en de responsgolven te verwerken die worden gereflecteerd door omringende objecten. Het 60 GHz-signaal heeft een golflengte van 5 mm, waardoor mmWave gedetailleerde informatie over ons en onze fysieke omgeving kan ontvangen.

Zo ziet het resultaat van het verwerken van het gereflecteerde EHF-signaal op een smartphone eruit als een persoon nadert (links), zich verwijdert (midden) of een handgebaar maakt (rechts).

EHF-radargegevens op een smartphone, bron: Google AI

4D

Op EHF-microschakelingen zitten meestal meerdere antennes, waardoor de sensor als het ware een beeld in vier dimensies ontvangt. Naast drie coördinaten registreert de sensor ook de snelheid van elk gereflecteerd punt. Lees hier meer over hoe 4D-radars werken.

In het onderstaande diagram worden vier typen algemene sensoren vergeleken: echografie, camera (2D), lidar (3D) en radar (4D). Zoals je kunt zien, is de radar de enige sensor die informatie ontvangt over de snelheid van een object.

Een ander voordeel van de radar is dat hij door plastic en andere materialen heen kan kijken. Dit maakt het een uitstekende keuze voor consumentenelektronica, omdat het onder de behuizing van elke gadget kan worden geplaatst.

De radar is immuun voor omgevingsfactoren zoals licht, temperatuur en stof, dus het werkt uitstekend in omgevingen waar de fotosensor nutteloos is. Tegelijkertijd is het uiterst betrouwbaar, er valt letterlijk niets te breken in de microschakeling: er zijn geen bewegende delenzen.

Het echte voordeel van mmWave-radars komt wanneer ze zijn geïntegreerd in AI-systemen. Zo hebben onderzoekers van de Carnegie Mellon University vorig jaar een neuraal netwerk getraind dat verschillende soorten activiteit nauwkeurig categoriseert uit radargegevens: armzwaaien, hurken, fietsen, klappen, uitvallen, springen.

EHF-radars in huishoudelijke apparaten

Het eerste prototype van een commercieel apparaat met ingebouwde radar werd in 2015 getoond door de Google ATAP-studio (Advanced Technology & Projects). Het was een Google Soli smartwatch-project ontwikkeld door een team onder leiding van Ivan Popyev (zie artikel onder e).

Kortom, Project Soli is een radar op een miniatuurchip die kan worden ingebed in alle omringende objecten: bijvoorbeeld een spiegel, een fornuis, een tv. Elk object dat interageert met een persoon. Nu zullen ze vingergebaren herkennen met een nauwkeurigheid van minder dan 1 mm.

Het is niet nodig om omvangrijke camera's en extra apparatuur te installeren, vooral omdat geen enkele camera bewegingen kan volgen met een frequentie van 10.000 FPS, zoals Soli doet. Aanraakloze gebaren kunnen worden gebruikt om de gebruikersinterface van verschillende apparaten uit te breiden.

In oktober 2019 werd Soli-radar ingebouwd in de Pixel 4-smartphone (marketingnaam (Motion Sense), waar het het gezichtsontgrendelingsproces versnelde, samen met ondersteuning voor de herkenning van verschillende basisgebaren, zoals muziekbesturing. Maar sindsdien is de chip is niet opgenomen in een smartphone Pixel Waarschijnlijk hebben de ontwikkelaars besloten om te werken aan de toepassing van deze technologie in smartphones.

Daarnaast lanceerde Google in 2021 zijn tweede generatie Nest Hub smart display met Sleep Sensing.

Smart Display Nest Hub

De Sleep Sensing-functie gebruikt Soli's radar om de slaap van de persoon naast het scherm te volgen op basis van hun bewegingen en ademhaling - allemaal zonder een camera of een soort draagbare sensor.Een demontage van deze gadget van $ 60 onthulde een Infineon-radarchip die $ 3,65 kost.

Google Nest Hub (2e generatie)

Amazon lanceerde begin 2021 de Ring Video Doorbell Pro 2 slimme deurbel met ingebouwde EHF-radar. De bijbehorende functionaliteit voor consumenten wordt aangeprezen als '3D-bewegingsdetectie' en 'Bird's Eye View'-functies. De radar heeft minder valse positieven en een groter bereik dan een standaard IR-camera. Bovendien ziet hij door struiken, bomen en andere obstakels.

Amazon heeft ook het voorbeeld van Google gevolgd door EHF-radar te gebruiken om de slaapkwaliteit te bewaken.

Apple heeft nog niets uitgebracht met een ingebouwde radar, maar kreeg begin 2021 wel patent op een toestel met een cirkelvormige radarantenne-array.

Gebaseerd op mmWave-technologie werken de volgende generatie kantoorbewakingsapparaten, die de locatie van werknemers op kantoor nauwkeurig in realtime volgen.

Novelic, Arbe, Vayyar, Uhnder en Oculii en anderen werken aan EHF-radars voor auto's.

Startup Miku heeft een babyfoon ontwikkeld met ingebouwde radar Miku Pro Smart Baby Monitor, die niet alleen de baby vastlegt op video, maar ook op afstand de ademhalingsfrequentie en slaapkwaliteit monitort.

De technologie kan ook worden gebruikt voor draadloze communicatie, zowel binnen als buiten. Alle grote mobiele operators werken nu aan de implementatie van mmWave. Er zijn ook projecten van derden, zoals Facebook Terragraph en startup Aervivo.

De WiGig-standaard (WiFi met een frequentie van 60 GHz) werd al in 2009 aangenomen en wint geleidelijk aan aan kracht. Intel heeft bijvoorbeeld een draadloze adapter voor de Vive VR-headset gemaakt met behulp van WiGig, die een latentie van bijna nul heeft en een gegevenssnelheid van 4,6 Gbps.

De nieuwste wifi-standaard combineert radar- en communicatietechnieken voor draadloze detectie met wifi-routers. Dat wil zeggen, de wifi-router kan de beweging van objecten in het appartement effectief volgen en gebaren herkennen.

Zoals u kunt zien, heeft de vooruitgang in de productie van EHF-radars en de beslissing van de FCC om het 60 GHz-spectrum te openen, ertoe geleid dat een aantal gadgets met fundamenteel nieuwe functionaliteit op de markt zijn gekomen. Blijkbaar is mmWave een andere baanbrekende technologie die grote invloed zal hebben op de interfaces om ons heen. Misschien is gebarenherkenning over een paar decennia een natuurlijk kenmerk van veel gadgets en andere omringende objecten.

Om de nieuwe standaard en uniforme API's te promoten, werd in januari 2022 de Ripple Technology Alliance opgericht.

bbabo.Net