L'institut de recherche Imec développe un radar économe en énergie capable de détecter de très petits mouvements. La technologie ouvre une gamme de nouvelles applications, allant du contrôle d'un smartphone d'un geste de la main à la surveillance automatique de la fréquence cardiaque d'un conducteur.
Cette semaine, à la International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) à San Francisco, l'institut de recherche flamand imec démontre les possibilités d'un radar 60 GHz pour la détection de mouvement. Lorsque les visiteurs saluent le radar intérieur, la position et la vitesse de leur main sont affichées en temps réel. La particularité de ce radar est qu'il consomme peu d'énergie et que le frontal RF est entièrement intégré dans une puce CMOS de 28 nanomètres.
"Si vous pouvez intégrer une puce radar dans un téléphone mobile, vous pouvez en fait l'intégrer dans n'importe quel appareil. La technologie peut remplacer non seulement le balayage, mais aussi votre clavier ou votre souris" Barend van Liempd, programme manager radar chez imec.
La technologie radar a énormément évolué ces dernières années. Il y a dix ans, imec a commencé à étudier comment un capteur radar pourrait être rendu plus économique, plus petit et moins cher. L'intégration dans la technologie CMOS largement disponible a été une percée historique. Depuis lors, les radars à ondes millimétriques sont devenus adaptés à la production de masse à un faible prix unitaire. Le volume de production croissant de capteurs radar pour voitures a contribué à réduire davantage les coûts.
Aujourd'hui, la technologie radar est prête pour la prochaine étape :une utilisation dans les appareils portables, les téléphones mobiles, les drones et toutes sortes de capteurs IoT. Cela ouvrira un large éventail de nouvelles applications. L'un d'eux est même en vente actuellement. Google a intégré un radar 60 GHz développé par Infineon dans son dernier smartphone, le Pixel 4. La puce radar peut, entre autres, reconnaître les gestes de la main, afin que vous puissiez faire fonctionner le téléphone en agitant la main au-dessus de l'écran.
"Ce premier radar dans un téléphone est une belle vitrine technologique, mais quelques obstacles technologiques doivent encore être surmontés pour une véritable percée", déclare Barend van Liempd, responsable du programme radar chez imec. « Nous voulons faire la différence en optant pour le CMOS au lieu du silicium-germanium. En conséquence, l'émetteur-récepteur peut être mieux intégré dans le post-processeur numérique, ce qui offre des avantages importants en termes de vitesse et de puissance. »
"Si vous pouvez intégrer une puce radar dans un téléphone mobile, vous pouvez en fait l'utiliser dans n'importe quel appareil", déclare van Liempd. Il est convaincu que le radar constituera la base du contrôle de toutes sortes d'appareils intelligents à l'avenir. « La technologie peut remplacer non seulement le balayage, mais aussi votre clavier ou votre souris. Par exemple, un capteur radar peut suivre le mouvement de votre paume pour permettre une interaction sur l'écran ou enregistrer vos frappes pendant que vous tapez sur la table. Contrôler la réalité augmentée et virtuelle avec ses mains ou même interagir avec des hologrammes devient possible. Ce type de fonctionnement intuitif permettra toutes sortes de nouvelles applications dans l'électronique grand public.
Pour faire entrer cette technologie dans les salons des gens, la consommation d'énergie doit être réduite. « Vous pouvez intégrer un radar dans un téléphone mobile, une montre intelligente ou un drone, mais vous ne voulez pas recharger la batterie à chaque fois. Le grand défi consiste donc à réduire drastiquement la puissance des puces radar. Nous avons récemment fait un pas de géant dans ce domaine », déclare van Liempd.
Un radar fonctionnant à une fréquence plus basse consomme généralement moins d'énergie mais est également moins sensible. Un radar 24 GHz est de taille relativement grande et combine une faible consommation d'énergie avec une résolution modérée. Si vous souhaitez pouvoir détecter très précisément les micro-mouvements, un radar 140 GHz semble plus adapté. C'est un capteur plus petit qui atteint une bien meilleure résolution, mais au détriment d'une puissance plus élevée.
Entre ces deux extrêmes se trouve le radar 60 GHz, qui combine le meilleur des deux mondes. Ce radar peut être utilisé pour détecter des personnes, reconnaître des gestes et surveiller le rythme cardiaque de quelqu'un, sans nécessiter beaucoup de puissance. Par rapport à la bande 79 GHz, uniquement réservée aux applications automobiles, la bande de fréquence autour de 60 GHz présente l'avantage d'être une bande ISM sans licence, qui peut donc être ouverte à toutes sortes de nouvelles applications. La faible consommation d'énergie du radar 60 GHz n'est pas seulement due à une nouvelle architecture d'émetteur-récepteur, mais également à une nouvelle boucle à verrouillage de phase économe en énergie (PLL).
Tout comme l'hypothalamus régule la pression artérielle ou la fréquence cardiaque dans notre corps, la boucle à verrouillage de phase (PLL) agira comme un système de contrôle pour un radar. Pour intégrer efficacement une antenne dans la technologie CMOS, un radar FM-CW (onde continue modulée en fréquence) est généralement utilisé. † Une onde radio est ainsi émise dont la fréquence porteuse est modulée sur une bande passante déterminée. C'est la PLL qui va réguler cette fréquence. La PLL génère des ondes dont la fréquence croît linéairement avec le temps à intervalles selon une fonction en dents de scie. Lorsque l'onde réfléchie revient, le délai peut être déterminé à partir de la différence de fréquence et donc également de la distance à la cible.
"Si vous voulez faire cela avec une extrême précision, la fréquence dans une telle dent de scie doit augmenter de manière parfaitement linéaire", explique Jan Craninckx, membre émérite du personnel technique chez imec. « De plus, la pente doit être la plus grande possible, afin que les dents de scie se répètent le plus rapidement possible. Cette courte période assure une fréquence démodulée plus élevée, ce qui facilite la détection d'objets à courte distance. De plus, cette courte période présente un autre avantage :vous pouvez utiliser plusieurs émetteurs-récepteurs en même temps, ce qui vous permet de déterminer avec précision l'angle sous lequel une cible est détectée », explique Craninckx.
Pour déterminer avec précision la distance et la direction d'un objet avec votre radar, il vous faut donc une PLL qui génère des ondes dont la fréquence augmente rapidement et de manière très linéaire. Vous devez également obtenir une fréquence modulée suffisamment élevée, car la bande passante détermine la résolution de votre radar. Le grand défi était de concevoir une PLL qui réponde à toutes ces exigences sans consommer trop d'énergie.
À la Conférence internationale des circuits à semi-conducteurs imec annonce une nouvelle PLL qui réussit à faire exactement cela. La PLL en question génère des ondes modulées centrées autour de 10 GHz dont la fréquence augmente de 1,2 GHz (ou 12%) en seulement 51,2 microsecondes. Cette augmentation linéaire de 23 MHz par microseconde a une incertitude (un écart rms) de seulement 90 kHz. Tout cela consomme à peine 12 mW, ce qui représente une réduction de puissance phénoménale par rapport aux PLL existantes.
« Cette PLL est une étape importante dans le développement d'un radar 60 GHz économe en énergie », déclare Craninckx. Le signal de 10 GHz généré par la PLL est converti en 60 GHz, ce qui augmente également la bande passante de six fois. De cette façon, vous obtenez un radar 60 GHz avec une bande passante de 7,2 GHz qui peut détecter des objets avec une haute résolution. La puce radar économe en énergie peut ensuite être utilisée pour détecter des mouvements, reconnaître des gestes ou mesurer la fréquence cardiaque de quelqu'un. Ses applications potentielles sont aussi vastes qu'on peut l'imaginer.
