Från vänster till höger: utveckling av EHF-sensorer med inbyggd radar, källa: Google AI

Millimetervågor (MMW) eller extremt höga frekvenser (EHF) är en rad radiovågor med en våglängd på 10 mm till 1 mm, vilket motsvarar en frekvens på 30 GHz till 300 GHz. De används i militär- och polisradar, säkerhetsskannrar, EHF-terapi för behandling av många sjukdomar, astronomiska instrument.

Men nu närmar sig eran när millimetervågsradar (mmWave, 60 GHz) är mogna för utbredd kommersiell användning. Snart kommer de att få byggas in i vanliga smartphones. Detta öppnar upp radikalt nya möjligheter för att använda bärbara prylar: gestigenkänning i bilar, fjärrövervakning av sömn, spårning av alla människors rörelser på kontoret och mycket mer.

Tidigare krävde användningen av mmWave-radar i hemelektronik särskilt FCC-godkännande. Google var först med att ta emot det 2018, sedan Vayyar, Amazon och några andra företag.

Den 13 juli 2021 föreslog FCC att 60 GHz-bandet skulle öppnas för kommersiella mmWave-applikationer. Beslutet gav grönt ljus för dussintals nystartade företag och nya kommersiella produkter som fritt fick använda EHF-radar utan särskilt FCC-tillstånd.

Möjligheten till en bred tillämpning av EHF-radar dök också upp på grund av framstegen i tillverkningen av RF CMOS

RFCMOS

RF CMOS-chippet (RF CMOS) eller RFIC integrerar radiofrekvens (RF), analog och digital elektronik. På senare tid har det blivit möjligt att placera radar, antenner och beräkningskärnor på samma chip, vilket gör det möjligt att producera mmWave-sensorer till ett mycket lägre pris.

Radar fungerar genom att sända elektromagnetiska vågor och bearbeta de svarsvågor som reflekteras från omgivande föremål. 60 GHz-signalen har en våglängd på 5 mm, vilket gör att mmWave kan ta emot detaljerad information om oss och vår fysiska miljö.

Det är till exempel så resultatet av att bearbeta den reflekterade EHF-signalen på en smartphone ser ut om en person närmar sig (vänster), rör sig bort (mitten) eller gör en handgest (höger).

EHF-radardata på en smartphone, källa: Google AI

4D

På EHF-mikrokretsar finns det vanligtvis flera antenner, så sensorn får en bild så att säga i fyra dimensioner. Förutom tre koordinater fångar sensorn även hastigheten för varje reflekterad punkt. Läs mer om hur 4D-radar fungerar här.

Diagrammet nedan jämför fyra typer av vanliga sensorer: ultraljud, kamera (2D), lidar (3D) och radar (4D). Som du kan se är radarn den enda sensorn som tar emot information om ett föremåls hastighet.

En annan fördel med radarn är att den kan se igenom plast och andra material. Detta gör den till ett utmärkt val för hemelektronik eftersom den kan placeras under kroppen på vilken gadget som helst.

Radarn är immun mot miljöfaktorer som ljus, temperatur och damm, så den fungerar utmärkt i miljöer där fotosensorn är oanvändbar. Samtidigt är det extremt pålitligt, det finns bokstavligen ingenting att bryta i mikrokretsen: det finns inga rörliga delar eller linser.

Den verkliga fördelen med mmWave-radar kommer när de integreras i AI-system. Till exempel tränade forskare vid Carnegie Mellon University förra året ett neuralt nätverk som exakt kategoriserar olika typer av aktivitet från radardata: armviftande, hukande, cykling, klappning, longering, hoppning.

EHF-radar i hushållsapparater

Den första prototypen av en kommersiell enhet med en inbyggd radar visades av Google ATAP (Advanced Technology & Projects) studio 2015. Det var ett Google Soli smartwatch-projekt utvecklat av ett team ledd av Ivan Popyrev (se artikel om e).

Kort sagt, Project Soli är en radar på ett miniatyrchip som kan bäddas in i alla omgivande föremål: till exempel en spegel, en spis, en TV. Alla föremål som interagerar med en person. Nu kommer de att känna igen fingergester med en noggrannhet på mindre än 1 mm.

Det finns inget behov av att installera skrymmande kameror och ytterligare utrustning, särskilt eftersom inga kameror kommer att kunna spåra rörelser med en frekvens på 10 000 FPS, som Soli gör. Beröringsfria gester kan användas för att utöka användargränssnittet för olika enheter.

I oktober 2019 byggdes Soli-radarn in i Pixel 4-smarttelefonen (marknadsföringsnamn (Motion Sense), där den påskyndade ansiktsupplåsningsprocessen tillsammans med stöd för igenkänning av flera grundläggande gester, som musikkontroll. Men sedan dess har chippet har inte inkluderats i någon smartphone Pixel Förmodligen beslutade utvecklarna att arbeta med tillämpningen av denna teknik i smartphones.

Dessutom lanserade Google 2021 sin andra generationens Nest Hub-smartskärm med sömnsensor.

Smart Display Nest Hub

Sömnavkänningsfunktionen använder Solis radar för att övervaka sömnen hos personen bredvid skärmen baserat på deras rörelser och andning – allt utan kamera eller någon form av bärbar sensor.En rivning av denna $60 gadget avslöjade ett Infineon radarchip som kostar $3,65.

Google Nest Hub (andra generationen)

Amazon lanserade Ring Video Doorbell Pro 2 smart dörrklocka med en inbyggd EHF-radar i början av 2021. Motsvarande funktionalitet för konsumenter säljs som funktionerna "3D-rörelsedetektion" och "Fågelperspektiv". Radarn har färre falska positiva och ett bredare räckvidd än en vanlig IR-kamera. Dessutom ser han genom buskar, träd och andra hinder.

Amazon har också följt Googles ledning genom att använda EHF-radar för att övervaka sömnkvaliteten.

Apple har ännu inte släppt något med en inbyggd radar, men i början av 2021 fick man patent på en enhet med en cirkulär radar-antennuppsättning.

Baserat på mmWave-teknik fungerar nästa generations kontorsövervakningsenheter, som exakt spårar var anställda på kontoret befinner sig i realtid.

Novelic, Arbe, Vayyar, Uhnder och Oculii och andra arbetar med EHF-radar för fordon.

Startup Miku har utvecklat en babyvakt med en inbyggd radar Miku Pro Smart Baby Monitor, som inte bara fångar barnet på video, utan även fjärrövervakar andningsfrekvens och sömnkvalitet.

Tekniken kan även användas för trådlös kommunikation både inomhus och utomhus. Alla större mobiloperatörer arbetar nu med implementeringen av mmWave. Det finns även tredjepartsprojekt som Facebook Terragraph och startupen Aervivo.

WiGig-standarden (WiFi med en frekvens på 60 GHz) antogs redan 2009 och håller gradvis på att ta fart. Till exempel skapade Intel en trådlös adapter för Vive VR-headsetet med WiGig, som har nästan noll latens och en datahastighet på 4,6 Gbps.

Den senaste WiFi-standarden kombinerar radar- och kommunikationstekniker för trådlös avkänning med WiFi-routrar. Det vill säga, WiFi-routern kommer effektivt att kunna spåra rörelsen av föremål runt lägenheten och känna igen gester.

Som du kan se hjälpte framsteg i produktionen av EHF-radarer och FCC:s beslut att öppna 60 GHz-spektrumet ett antal prylar med fundamentalt ny funktionalitet att komma in på marknaden. Tydligen är mmWave en annan banbrytande teknik som i hög grad kommer att påverka gränssnitten runt omkring oss. Kanske om några decennier kommer gestigenkänning att vara en naturlig del av många prylar och andra omgivande föremål.

För att främja den nya standarden och enhetliga API:erna bildades Ripple Technology Alliance i januari 2022.

bbabo.Net