天線封裝簡化設計　毫米波感測守護工控安全

傳統的感測技術已應用於解決人流統計、動作偵測、工業區域掃描以及機器人技術來偵測物體並避免碰撞等挑戰性問題。

隨著愈來愈多的工業應用朝向自主功能發展，感測對於產生與處理各類型資料變得愈趨重要，因此系統可以自主並做出即時決策。藉由像是德州儀器(TI)的高度整合式毫米波雷達感測器，感測器內部可進行大量運算處理，並賦能智慧邊緣(Intelligence at the Edge)。該毫米波感測器可在室內與室外應用的各種環境和照明條件下運作。這些耐用的感測器可以直接安裝在機殼背部，毋需外部透鏡、光圈或感測器表層的塑膠，便可在許多建築物和工廠應用中準確進行感測。TI的60GHz調頻連續波(FMCW)毫米波技術可為全球大多數工業應用提供開放波段毫米波感測。為了更優化工業感測，小尺寸封裝天線感測器採用過往不可能實現的外型尺寸設計。

天線封裝感測器設計

在採用射頻(RF)感測器的系統中，天線設計與感測器選擇同樣重要。天線配置決定最大物體範圍、最大視野(FoV)和解析度，對許多應用而言極為重要。由於具備單一感測器與正確的天線配置，工業系統得以涵蓋廣泛區域，以便同時進行物體偵測。毫米波天線長久以來皆採用Rogers材料，並於印刷電路板(PCB)上設計，以進行高準確度感測。雖然這種設計相當有效，不過確實需要RF專業知識才能設計和製造搭配感測器使用的天線。

新型天線封裝(AoP)設計可大幅簡化電路板製造與系統設計，工程師僅需具備基本的RF專業知識，便可輕鬆將毫米波感測器整合至系統中。相較於一般的TI 60GHz感測器，AoP感測器的電路板面積減少了40%；而相較於其他雷達技術，電路板面積則減少了75%。圖1說明從傳統的60GHz毫米波感測器轉換為60GHz毫米波AoP感測器時可能縮減的尺寸。

使用毫米波AoP感測器的主要效益包括：

・降低系統與製造成本以及複雜度，加快上市時程—FR4設計更加簡化，並節省費用，可彈性在任何地方製造。

・內部設計和開發感測器解決方案僅需要基本的RF專業知識。

・體積小巧，適用於需要較小感測器尺寸的工業市場應用。

・零耗損的電路板布線提高效率，提供更佳的範圍效能。

毫米波感測器以AoP設計進行工業3D感測

毫米波感測器需要從環境中擷取定位與精確資料。關鍵資料集包括物體距離感測器的範圍和物體的速度。為求盡可能收集實用的資料，3D感測系統也需要偵測物體高度並濾除地面雜波，才可最大化感測器精準度和測量效能。

AoP天線的廣泛FoV配置可在方位角和仰角提供130度的視角，達到真正的3D感測，無論感測器為吊掛或側裝式。該天線配置以及小型毫米波AoP感測器幾乎可在建築物自動化、工廠自動化、智慧家庭、個人電子產品和工業系統等所有地方進行雷達感測。

機器人技術預防大範圍碰撞

工業機器人設計目的為與人類共同作業情況下緩慢移動(圖2)。藉由3D感測功能界定安全和危險區域，機械手臂和自動化機器人製造商必須在機器人系統中實現高水準的環境感知和備援，藉以快速偵測並預防可能發生的碰撞。

如圖3所示，毫米波AoP感測器支援多種機器人應用。廣泛的FoV將機器人周圍的涵蓋範圍擴大，避免在工廠內部發生碰撞，小巧的體積便於安裝在像清潔機器人這類較小的機器人裝置中。

除了機器人應用的3D物體偵測之外，AoP感測器設計也解決了工廠自動化的三大難題：

・單一感測器實現廣泛涵蓋範圍

AoP設計可在130度FoV範圍內偵測物體，進而實現更廣泛的涵蓋範圍；同時可偵測多個移動物體或人體，更有效管理機器人的意外事件，進而減少區域掃描所需的感測器數量，並降低整體系統成本。

・小型化體積

AoP感測器因外型尺寸較小，可安裝於較小的機殼中，對於輕巧型自主機器人設計相當重要，例如，自動駕駛汽車、物流機器人，以及工廠中小型機械手臂的偵測與閃避應用。

・快速上市

由於不需要昂貴的PCB基板和複雜的RF專業知識，AoP感測器可簡化設計和製造流程，實現內部設計並縮短上市時程。

占位偵測：壁掛和天花板吊掛位置簡化感測

建築物自動化中的感測解決方案通常需要偵測與掌握商業或住宅建築中房間或特定區域的占用情況。除了毫米波技術達到的效益(例如動態靈敏度、定位精準度和私密性)之外，AoP設計可為建築物自動化市場帶來附加價值。

而該毫米波AoP感測器具有廣泛FoV與小型尺寸。如圖4所示，可針對特殊建築物自動化的感測應用，例如老年人的監控和空調系統，實現安裝與設計彈性。

解決方案複雜程度對於建築物自動化的感測技術可造成難以想像的阻礙。AoP感測器可簡化並加速設計流程，工程師可針對建築物自動化應用投入於人員偵測和識別的軟體差異化。

AoP感測器的天線配置適用於壁掛和吊掛方式。在建築物自動化中，這類廣泛FoV提供安裝彈性，可將感測器放置在更靠近商業建築物的電源和資料路由器位置旁，或者與現有自動化系統整合，減少安裝成本與安裝系統數量。

輕巧尺寸適合安裝在較小的機殼中，因此可實現更簡潔的工業設計，有助於消除現今商業建築感測裝置中常見的天花板雜物，這類雜物通常極為顯眼，而且不美觀。

自動門：狹窄空間位置和速度操作

智慧感測器提供安全、符合成本效益且節能的解決方案，在自動門應用中發揮關鍵作用。除了毫米波感測器的優勢之外，對於未必具備天線設計RF專業知識的設計人員或製造商而言，AoP設計同時展現了更多優勢。

由於AoP感測器相當容易整合，設計人員和製造商可專注於提升門禁智慧化，毋須浪費資源開發感測器。

透過廣泛FoV，僅需一個感測器即可涵蓋所有門禁或整個特定區域的門禁系統。一般的門禁感測器的偵測區域無法感測到「盲區(Dead Zone)」，然而AoP設計可解決常見的盲區偵測問題，因此系統不需要多個感測器。

使用AoP設計可簡化通過旋轉門的人流計算，避免造成擁擠，並可確定阻擋車庫門的障礙物高度，該項設計可順利安裝在大型感測器模組無法裝入的狹窄空間中。如圖5所示，小型尺寸的AoP感測器可整合於出入口系統中，而且可透過廣泛FoV順利進行門禁操作。

結合毫米波技術的既有效益，建築物和工廠設計人員可透過AoP感測器設計將自動化和智慧化提升到新的境界。這些感測器採用廣泛FoV、小型尺寸和簡化設計，工業系統設計人員可將毫米波技術迅速整合到現有設計和新型態的應用中。

(本文作者皆為德州儀器工業雷達產品行銷)