Da esquerda para a direita: evolução dos sensores EHF com radar integrado, fonte: Google AI

As ondas milimétricas (MMW) ou frequências extremamente altas (EHF) são uma faixa de ondas de rádio com comprimento de onda de 10 mm a 1 mm, que corresponde a uma frequência de 30 GHz a 300 GHz. Eles são usados ​​em radares militares e policiais, scanners de segurança, terapia EHF para o tratamento de muitas doenças, instrumentos astronômicos.

Mas agora se aproxima a era em que os radares de ondas milimétricas (mmWave, 60 GHz) estão prontos para uso comercial generalizado. Em breve, eles poderão ser incorporados em smartphones comuns. Isso abre possibilidades radicalmente novas para o uso de dispositivos portáteis: reconhecimento de gestos em carros, monitoramento remoto do sono, rastreamento do movimento de todas as pessoas no escritório e muito mais.

Anteriormente, o uso do radar mmWave em eletrônicos de consumo exigia aprovação especial da FCC. O Google foi o primeiro a recebê-lo em 2018, depois Vayyar, Amazon e algumas outras empresas.

Em 13 de julho de 2021, a FCC propôs abrir a banda de 60 GHz para aplicativos comerciais de ondas milimétricas. A decisão acendeu a luz verde para dezenas de start-ups e novos produtos comerciais que foram autorizados a usar livremente radares EHF sem autorização especial da FCC.

A possibilidade de uma ampla aplicação de radares EHF também surgiu devido ao progresso na fabricação de CMOS RF

RFCMOS

O chip RF CMOS (RF CMOS) ou RFIC integra radiofrequência (RF), eletrônica analógica e digital. Recentemente, tornou-se possível colocar radares, antenas e núcleos computacionais em um mesmo chip, o que possibilita a produção de sensores mmWave a um preço muito menor.

O radar funciona transmitindo ondas eletromagnéticas e processando as ondas de resposta refletidas dos objetos ao redor. O sinal de 60 GHz tem um comprimento de onda de 5 mm, o que permite que o mmWave receba informações detalhadas sobre nós e nosso ambiente físico.

Por exemplo, é assim que o resultado do processamento do sinal EHF refletido em um smartphone se parece quando uma pessoa se aproxima (esquerda), se afasta (centro) ou faz um gesto com a mão (direita).

Dados de radar EHF em um smartphone, fonte: Google AI

4D

Em microcircuitos EHF, geralmente existem várias antenas, então o sensor recebe uma imagem, por assim dizer, em quatro dimensões. Além de três coordenadas, o sensor também captura a velocidade de cada ponto refletido. Saiba mais sobre como funcionam os radares 4D aqui.

O diagrama abaixo compara quatro tipos de sensores comuns: ultrassom, câmera (2D), lidar (3D) e radar (4D). Como você pode ver, o radar é o único sensor que recebe informações sobre a velocidade de um objeto.

Outra vantagem do radar é que ele pode ver através de plástico e outros materiais. Isso o torna uma excelente opção para eletrônicos de consumo, pois pode ser colocado sob o corpo de qualquer gadget.

O radar é imune a fatores ambientais como luz, temperatura e poeira, por isso funciona muito bem em ambientes onde o fotossensor é inútil. Ao mesmo tempo, é extremamente confiável, não há literalmente nada para quebrar no microcircuito: não há partes móveis ou lentes.

O benefício real dos radares mmWave vem quando eles são integrados aos sistemas de IA. Por exemplo, pesquisadores da Carnegie Mellon University no ano passado treinaram uma rede neural que categoriza com precisão diferentes tipos de atividade a partir de dados de radar: acenar com os braços, agachar, andar de bicicleta, bater palmas, saltar, pular.

Radares EHF em eletrodomésticos

O primeiro protótipo de um dispositivo comercial com radar embutido foi apresentado pelo estúdio Google ATAP (Advanced Technology & Projects) em 2015. Foi um projeto de smartwatch Google Soli desenvolvido por uma equipe liderada por Ivan Popyrev (ver artigo em e).

Em suma, o Project Soli é um radar em um chip em miniatura que pode ser incorporado em qualquer objeto ao redor: por exemplo, um espelho, um fogão, uma TV. Qualquer objeto que interage com uma pessoa. Agora eles reconhecerão os gestos dos dedos com uma precisão inferior a 1 mm.

Não há necessidade de instalar câmeras volumosas e equipamentos adicionais, especialmente porque nenhuma câmera será capaz de rastrear movimentos a uma frequência de 10.000 FPS, como Soli faz. Gestos sem toque podem ser usados ​​para estender a interface do usuário de vários dispositivos.

Em outubro de 2019, o radar Soli foi incorporado ao smartphone Pixel 4 (nome de marketing (Motion Sense), onde acelerou o processo de desbloqueio facial juntamente com suporte para reconhecimento de vários gestos básicos, como controle de música. Mas desde então, o chip não foi incluído em nenhum smartphone Pixel Provavelmente, os desenvolvedores decidiram trabalhar na aplicação desta tecnologia em smartphones.

Além disso, em 2021, o Google lançou seu monitor inteligente Nest Hub de segunda geração com Sensor de sono.

Smart Display Nest Hub

O recurso Sleep Sensing usa o radar da Soli para monitorar o sono da pessoa ao lado da tela com base em seus movimentos e respiração - tudo sem uma câmera ou algum tipo de sensor vestível.Uma desmontagem deste gadget de US$ 60 revelou um chip de radar Infineon que custa US$ 3,65.

Google Nest Hub (2ª geração)

A Amazon lançou a campainha inteligente Ring Video Doorbell Pro 2 com um radar EHF integrado no início de 2021. A funcionalidade correspondente para os consumidores é apresentada como funções de 'Detecção de movimento 3D' e 'Visão de olho de pássaro'. O radar tem menos falsos positivos e um alcance mais amplo do que uma câmera IR padrão. Além disso, ele vê através de arbustos, árvores e outros obstáculos.

A Amazon também seguiu o exemplo do Google usando o radar EHF para monitorar a qualidade do sono.

A Apple ainda não lançou nada com um radar embutido, mas no início de 2021 recebeu uma patente para um dispositivo com um conjunto circular de antenas de radar.

Com base na tecnologia mmWave, os dispositivos de monitoramento de escritório de última geração funcionam, que rastreiam com precisão a localização dos funcionários no escritório em tempo real.

Novelic, Arbe, Vayyar, Uhnder e Oculii e outros estão trabalhando em radares EHF automotivos.

A startup Miku desenvolveu um monitor de bebê com um radar embutido Miku Pro Smart Baby Monitor, que não apenas captura o bebê em vídeo, mas monitora remotamente a taxa de respiração e a qualidade do sono.

A tecnologia também pode ser usada para comunicação sem fio em ambientes internos e externos. Todas as principais operadoras de celular estão agora trabalhando na implementação do mmWave. Há também projetos de terceiros, como o Facebook Terragraph e a startup Aervivo.

O padrão WiGig (WiFi na frequência de 60 GHz) foi adotado em 2009 e está gradualmente ganhando força. Por exemplo, a Intel criou um adaptador sem fio para o headset Vive VR usando WiGig, que tem latência quase zero e uma taxa de dados de 4,6 Gbps.

O mais recente padrão WiFi combina técnicas de radar e comunicação para detecção sem fio com roteadores WiFi. Ou seja, o roteador WiFi poderá rastrear efetivamente o movimento de objetos pelo apartamento e reconhecer gestos.

Como você pode ver, o progresso na produção de radares EHF e a decisão da FCC de abrir o espectro de 60 GHz ajudaram vários gadgets com funcionalidades fundamentalmente novas a entrar no mercado. Aparentemente, o mmWave é outra tecnologia inovadora que afetará muito as interfaces ao nosso redor. Talvez em algumas décadas, o reconhecimento de gestos seja uma característica natural de muitos gadgets e outros objetos ao redor.

Para promover o novo padrão e APIs unificadas, a Ripple Technology Alliance foi formada em janeiro de 2022.

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