Dokumentacja techniczna

1. Przegląd

WaveCross to radar 24 GHz FMCW MIMO złożony z dwóch płytek 100 × 100 mm: płytki radaru z dwoma układami BGT24LTR22 i mikrokontrolerem STM32H723 oraz wymiennego modułu antenowego z 40 patchami. Płytki łączy sześć kabli półsztywnych, a moduł stoi nad radarem na czterech tulejkach 15 mm.

Zadanie referencyjne to wykrywanie małych dronów: celów wolnych, lecących nisko, o skutecznej powierzchni odbicia około 0,01 m², tysiąc razy mniejszej niż samochód. Sam Doppler tu nie wystarcza, bo nie odróżni 15 m od 150 m, a dron zawieszony w powietrzu ma zerową prędkość radialną. Dlatego radar pracuje w trybie FMCW i mierzy odległość, prędkość i kierunek jednocześnie.

Płytka jest pomyślana jako laboratoryjna: oddaje surowe próbki z przetworników w trybie migawki i ciągły strumień danych po FFT odległości ze wszystkich ośmiu kanałów, każdy etap przetwarzania jest otwartym kodem, a moduł antenowy można zaprojektować od nowa pod własne zastosowanie i wpiąć w ten sam raster otworów.

w prezentacji: radar →

Pasmo

24,06-24,24 GHzw paśmie bez pozwolenia 24,05-24,25 GHz

Tryb

FMCW, MIMO TDM2 nadajniki × 4 odbiorniki → 8 kanałów

Układy RF

2 × BGT24LTR22kaskada master-slave, wspólny generator

Mikrokontroler

STM32H723550 MHz, FFT odległości na pokładzie

Próbkowanie

ok. 580 kSPSna kanał przy 12 bitach, I i Q jednocześnie

Rampy

600 i 450 µsok. 180 MHz, 64 chirpy na nadajnik

Rozdzielczość

≈ 0,83 modległościowa, projektowa

Zasięg

ok. 70 mprojektowy, suma 8 kanałów, wariant optymistyczny

Odświeżanie

ok. 11,5 kl./sprojektowe, szacunek

Moc nadajnika

+5 dBmtypowo, karta katalogowa BGT24LTR22

Antena

40 patchyRO4350B 0,254 mm + FR4, ENIG

Stos

2 × 100 × 100 mmprześwit 15 mm, 6 kabli RG405

IC2 · BGT24LTR22, masterIC1 · BGT24LTR22, slavetor 24 GHzJ1 · pole pod kabelSTM32H723 (spód)tor I/Q (spód)

blok odbiorczyblok nadawczypatchdrzewko zasilającepłot masyport RF

2. Architektura i tor sygnału

Rampę częstotliwości wytwarza przetwornik DAC mikrokontrolera i przez filtr RC podaje ją na wejście VTUNE mastera (IC2). Slave (IC1) ma wyłączony generator, a jego VTUNE jest ściągnięte do masy. Generator pracuje w pętli otwartej: dryf temperaturowy kompensuje oprogramowanie z odczytu napięcia PTAT, a częstotliwość i liniowość rampy trzeba mierzyć przez wyjście dzielnika i poprawiać tablicą.

Układy pracują w kaskadzie master-slave ze wspólnym generatorem. Master nadaje jednym nadajnikiem, a drugim wysyła sygnał generatora siódmym torem 24 GHz (16,36 mm) do slave'a. Dzięki temu oba nadajniki nadają tę samą rampę, a cztery odbiorniki mieszają echo z tym samym sygnałem; nadajniki pracują na zmianę, więc cztery odbiorniki dają osiem kanałów wirtualnych.

Sygnały pośredniej częstotliwości przechodzą przez wzmacniacze z biegunem 284 kHz i trafiają do dwóch przetworników mikrokontrolera: ADC1 próbkuje cztery kanały I, ADC2 cztery kanały Q, parami w tej samej chwili. STM32H723 liczy na pokładzie FFT odległości.

w prezentacji: otwarty kod →

3. Tryb pracy i chirp

Radar bez pozwolenia radiowego może w Polsce zajmować tylko pasmo 24,05-24,25 GHz, przeznaczone dla urządzeń radiolokacyjnych, przy mocy do 100 mW e.i.r.p.; samo pasmo ISM 24,00-24,25 GHz nie zwalnia radaru z pozwolenia. Przemiatanie zajmuje 180 MHz, 24,06-24,24 GHz: generator pracuje w pętli otwartej i dryfuje o −5 MHz/K, więc na każdym brzegu zostaje 10 MHz zapasu, a częstotliwość jest okresowo mierzona przez wyjście dzielnika (DIV_AO).

Dwie rampy, 600 µs i 450 µs, zmieniają się całymi ramkami: para rozwikłuje prędkość w oknie ±37 km/h. W obrębie ramki oba nadajniki nadają na zmianę po 64 chirpy. Parametry rampy to wartości startowe do pierwszych pomiarów: stałe w kodzie, które po kalibracji z odbłyśnikiem mogą pójść w górę albo w dół.

Dla małego drona zasięg ogranicza moc echa. Biegun 284 kHz w torze pośredniej częstotliwości to filtr pierwszego rzędu, a nie ściana; twardą granicę częstotliwości dudnień stawia próbkowanie, a obie wypadają w podobnym miejscu dopiero dla dużych celów.

w prezentacji: chirp →

4. Szyk MIMO

Pozycja kanału wirtualnego to suma pozycji nadajnika i odbiornika. Cztery podtablice odbiorcze tworzą blok 2 × 2, którego kolumny dzieli pełna długość fali, a dwa nadajniki to dwie pionowe kolumny tuż obok siebie, co pół fali. Razem daje to cztery pozycje w azymucie, co pół fali, i dwie w elewacji, dlatego osiągi kątowe podawane są zawsze osobno dla każdej płaszczyzny.

W azymucie szyk jest jednoznaczny w całym zakresie ±90° i rozdziela dwa cele odległe o ok. 25°, czyli ok. 22,5 m na 50 m. W elewacji dwa rzędy podtablic tworzą interferometr: podaje wysokość jednego celu w danej komórce, ale dwóch celów jeden nad drugim nie rozdzieli. Jego niejednoznaczność wypada w zerze charakterystyki podtablicy, z pełnym tłumieniem tylko w tym jednym kierunku: cel albo ziemia 13-18° od osi w elewacji może wrócić do okna stłumiony tylko o 8-19 dB.

Nadajniki pracują na zmianę, więc lecący cel zmienia fazę między chirpem jednego i drugiego nadajnika. Korekta tej fazy musi używać prędkości rozwikłanej z pary ramek: jedno zawinięcie to błąd 180°, który przy nadajnikach odległych o pół fali przerzuca cel na skraj pola widzenia w azymucie. Wykrycie i odległość zostają przy tym poprawne.

w prezentacji: szyk mimo →w modelu 3D →

5. Przetwarzanie i oprogramowanie

Radar oddaje dane na trzech poziomach: surowe próbki z przetworników w trybie migawki, ciągły strumień danych zespolonych po FFT odległości ze wszystkich ośmiu kanałów i listę wykryć. Ciągłego surowego strumienia (ok. 9 MB/s) ta rewizja nie wyśle, bo płytka nie ma USB ani Ethernetu, a surowa ramka nie mieści się w pamięci. Każdy etap przetwarzania to otwarty kod, który można podejrzeć i zmienić.

Przetworniki pracują w trybie jednoczesnym: I i Q jednej anteny są próbkowane w tej samej chwili, ale cztery anteny po kolei. Przesunięcie między antenami rośnie z odległością celu, więc oprogramowanie poprawia je osobno dla każdego prążka; kalibracja tego nie złapie. W obudowie LQFP-100 wejścia tych przetworników to kanały „fast” i „slow”, bez kanałów „direct”, dlatego przetworniki pracują z 12 bitami i ok. 580 kSPS na kanał. Przy 16 bitach rampa 450 µs miałaby granicę ok. 52-62 m, a echa zza ok. 140 m zawijałyby się w widmie jako fałszywe cele.

Antyaliasing to filtr czwartego rzędu 600 kHz w układzie BGT i biegun 284 kHz na płytce. Filtr górnoprzepustowy w układzie tłumi przeciek nadajnik-odbiornik i bliskie odbicia; jako filtr pierwszego rzędu kompensuje tylko połowę spadku echa 1/R⁴ i tylko dla celów, których dudnienia leżą poniżej jego częstotliwości odcięcia.

w prezentacji: otwarty kod →w modelu 3D →

/* konfiguracja ramki, wizualizacja poglądowa */
radar.pasmo        = 180e6;      // Hz
radar.rampa        = 600e-6;     // s
radar.chirpow      = 64;         // na nadajnik
radar.probkowanie  = 580e3;      // próbek/s na kanał, 12 bit
radar.prog         = 16.0;       // dB

for (kanal = 0; kanal < 8; kanal++)
    fft_odleglosci(kanal);

6. Płytka radaru

Sześć torów 24 GHz biegnie od pól lutowniczych na krawędziach do układów BGT24LTR22, a siódmy, 16,36 mm na środku płytki, niesie sygnał generatora z mastera do slave'a. Wylewka masy trzyma się 1,6 mm od linii, więc główny odcinek to mikropasek, a nie linia koplanarna. Tuż przed układem linia zwęża się do 0,310 i 0,200 mm, żeby dopasować się do wejścia układu.

To dopasowanie nie jest kopią płytki ewaluacyjnej Infineona, w której przed padem jest jeszcze odcinek poszerzony do 0,52 mm. Zgrubny model linii daje u nas 0,3-0,7 dB strat niedopasowania na port; bilans łącza przyjmuje 0,146 dB, więc ten zapas jest optymistyczny.

Tory odbiorcze nie są równe: dwa mają po 45,64 mm, dwa po 35,64 mm, a 10 mm to przy 24 GHz około 487° fazy. Różnicę zbiera kalibracja, a częściowo znosi ją przypisanie kanałów do portów modułu antenowego: po dobraniu zostaje 14,2 mm rozrzutu zamiast 34,2 mm przy przypisaniu odwrotnym. Na płytce są 142 elementy; oba układy BGT siedzą na wierzchu, mikrokontroler i tor pośredniej częstotliwości na spodzie.

w prezentacji: płytka radaru →w modelu 3D →

7. Moduł antenowy

Cztery warstwy: 0,254 mm laminatu RO4350B nad masą i nośny rdzeń FR4 sklejony prepregiem. Fala 24 GHz widzi tylko górny dielektryk, więc tylko on musi być drogi. Przy 24,125 GHz fala ma 12,43 mm, a w laminacie kurczy się do 6,50 mm.

Wierzch nie ma maski ani sitodruku: 25 µm lakieru przesunęłoby rezonans patchy o 232 MHz przy zapasie ±112,5 MHz. Gołą miedź chroni ENIG, przy czym nikiel narastający na krawędziach patchy sam obniża rezonans, według szacunku o ok. 40-85 MHz.

Każda z czterech podtablic odbiorczych ma drzewko zasilające z transformatorami ćwierćfalowymi 70,7 Ω. Długości dróg od portu do każdego patcha są równe co do zera, a w całej sieci nie ma ani jednego nieściętego kąta prostego.

Blok nadawczy i odbiorczy dzieli 40 mm i płot masy z 241 przelotek. Odstęp wynika z nasycenia odbiornika, a nie z wyglądu. Model 3D na stronie jest poglądowy: pokazuje prawdziwą topologię miedzi, ale jej wymiary są w nim przybliżone.

w prezentacji: antena →w modelu 3D →

8. Bilans łącza i zasięg

Zasięg liczony jest z bilansu łącza na jeden kanał wirtualny, dla małego drona (σ ≈ 0,01 m²) i celu nieruchomego, w trzech scenariuszach: przy rampie 600 µs 32, 43 i 59 m, przy rampie 450 µs ok. 30, 40 i 55 m, bo krótsza rampa ma szersze pasmo szumowe. Założenia: zysk kolumny nadawczej ok. 11 dBi, podtablicy odbiorczej ok. 15 dBi, 64 chirpy na kanał wirtualny, pasmo szumowe prążka 1/T. Wcześniejsza wersja tej tabeli podawała 42, 56 i 76 m; z tych założeń wychodzi o ok. 4,7 dB mniej.

Publiczne „ok. 70 m” to suma ośmiu kanałów przed wykryciem (od +6 dB niekoherentnie do +9 dB koherentnie) w wariancie optymistycznym; trzyma się tylko w tym wariancie albo przy sumowaniu koherentnym. Dla drona zasięg ogranicza moc; biegun 284 kHz i próbkowanie stawiają granicę dopiero dla dużych celów. Ruch celu w obrębie ramki kosztuje jeszcze ok. 1,5 dB.

Tabela strat pochodzi z geometrii i przyjętych tłumień, nie z pomiaru na gotowym stosie. Kilka jej pozycji jest optymistycznych: linia 0,035 dB/mm (szacunek projektu to ok. 0,06 dB/mm), 0,15 dB na każde ręcznie lutowane przejście kabla i 0,146 dB na strukturę dopasowującą.

w prezentacji: zasięg →

9. Montaż i kalibracja

Moduł antenowy leży nad płytką radaru obrócony o 180°, na czterech tulejkach M2.5 × 15 mm. Raster otworów jest czterokrotnie symetryczny, więc obrót wychodzi sam. Sześć kabli RG405/UT-085 ma po ok. 3 cm zabudowanej długości: dwa gięcia 90° promieniem 4 mm w prześwicie 15 mm.

Kalibracja fazy jest obowiązkowa. Odbłyśnik narożny stoi na osi radaru, raczej 5-15 m na otwartym terenie niż 2-3 m: z bliska echo wpada pod filtr górnoprzepustowy, który przesuwa fazę, a front fali jest jeszcze sferyczny. Z jednej ramki i FFT odległości powstaje wartość zespolona dla każdego kanału, a współczynniki k_n = |ref| / z_n trafiają do pamięci flash, osobno dla rampy 600 µs i 450 µs.

Kalibracja usuwa stałe przesunięcia: rozrzut faz między kanałami układu, różnice długości torów, tolerancje wzmacniaczy i kabli. Przesunięcie próbkowania między antenami, kształt frontu fali i niezrównoważenie I/Q oprogramowanie liczy osobno. Nie usuwa tłumienia ani skutków złego przejścia kabel-mikropasek: przy 3 cm kabla podwójne odbicie ląduje w tym samym prążku co cel, więc daje stratę i tętnienia, a nie fałszywy cel.

w prezentacji: radar →w modelu 3D →

10. Weryfikacja projektu

Moduł antenowy nie był mierzony analizatorem obwodów, więc wszystko, co da się sprawdzić bez sprzętu, sprawdzono geometrycznie: własnym parserem pliku płytki, parserem gerberów, solverem polowym do impedancji i grafem sieci do długości dróg. Gerbery zgadzają się z modelem co do 0,000000000 mm² na wszystkich czterech warstwach.

11. Ryzyka i otwarte zadania

Najpoważniejsze ryzyko płytki antenowej to tolerancje wykonania kontra pasmo patcha. Fabryka nie przyjęła tolerancji ±20 µm (realnie to kilkadziesiąt µm), a nikiel z ENIG dodatkowo obniża rezonans. Przesunięcie o 200 MHz oznacza na brzegu chirpu ok. −8 dB zamiast −10, czyli ok. 1,5 dB dwukierunkowo, a nie płytkę do kosza.

12. Bezpieczeństwo i pasmo

Radar bez pozwolenia radiowego może w Polsce pracować tylko w paśmie 24,05-24,25 GHz, przeznaczonym dla urządzeń radiolokacyjnych, przy mocy do 100 mW e.i.r.p. (rozporządzenie Dz.U. 2022 poz. 567, zmienione Dz.U. 2023 poz. 2567). Samo pasmo ISM 24,00-24,25 GHz nie zwalnia radaru z pozwolenia, dlatego przemiatanie zajmuje 24,06-24,24 GHz, a moc nadajnika ustawia oprogramowanie. Gęstość mocy liczona z mocy średniej na aperturze jest kilka razy niższa niż limit ICNIRP dla ludności.

13. Autorzy i kontakt

Miłosz Krzyżewski · Jakub Polaczek

kontakt@wavecross.eu

Wsparcie i współpraca. Największą pozycją w kosztach jest laminat hybrydowy; bez niego antena nie działa, a z nim koszt produkcji przekracza studencki budżet. Projekt jest otwarty na wsparcie materiałowe, sprzętowe i na współpracę przy pomiarach.

Liczby w tym dokumencie są celami projektowymi, obliczeniami albo danymi katalogowymi; status każdej stoi obok niej. Wyniki pomiarów zostaną opublikowane niezależnie od tego, jakie wyjdą.