IT202100023444A1 - Un dispositivo radar uwb - Google Patents
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Description
Domanda di Brevetto per Invenzione Industriale a titolo:
?UN DISPOSITIVO RADAR UWB?
DESCRIZIONE
Campo di applicazione
La presente invenzione ? applicabile al settore delle telecomunicazioni ed ha particolarmente per oggetto radar per la ricezione e trasmissione di segnali in radiofrequenza.
Pi? in dettaglio, la presente invenzione si riferisce ad un dispositivo radar UWB.
Stato della tecnica
Nel campo delle telecomunicazioni ? nota la tecnica di trasmissione denominata UWB, ossia Ultra WideBand, sviluppata per trasmettere e ricevere segnali mediante l'utilizzo di impulsi in radiofrequenza di durata temporale estremamente ridotta e, quindi, con occupazione spettrale molto ampia. Questi impulsi sono rappresentati da pochi cicli d'onda di una portante in radiofrequenza e quindi lo spettro in frequenza associato a questa forma d'onda ? estremamente ampio ovvero restituisce impulsi ambipolari la cui durata ? talmente breve da non richiedere una portante.
Il vantaggio di tale tecnica risiede nel fatto che la brevit? dell'impulso rende la trasmissione del segnale poco sensibile alle interferenze dovute alle riflessioni multiple dell'onda stessa e, contemporaneamente, particolarmente adatto alla misura del tempo di volo dei segnali radio.
La larghezza della banda fa s? che la densit? spettrale di potenza sia molto bassa limitando, tra l?altro, le interferenze verso le applicazioni circostanti. Tale banda, che pu? raggiungere larghezze rilevanti, ? ottenibile con potenze elettriche in antenna estremamente basse.
Per queste caratteristiche tale tecnica viene utilizzata anche nel campo dei radar.
Come noto, il radar ? un sistema che utilizza onde elettromagnetiche per il rilevamento e la determinazione della posizione, ed eventualmente della velocit?, di oggetti sia fissi che mobili.
In particolare, il funzionamento del radar si basa sul fenomeno fisico della riflessione della radiazione elettromagnetica quando questa colpisce un oggetto di dimensioni maggiori della lunghezza d'onda della radiazione incidente.
Caratteristica rilevante ? che il segnale debba avere un?ottima direttivit?, ovvero i radar devono essere caratterizzati da antenne con la capacit? di irradiare il segnale secondo una direzione privilegiata. Tale caratteristica dei dispositivi radar ? necessaria per poter distinguere oggetti, siano essi fissi o mobili, posti alla medesima distanza dal radar. Inoltre, la direttivit? del segnale permette di indirizzare gran parte dell?energia nella direzione scelta, incrementando la distanza massima di rilevamento.
Un?altra caratteristica rilevate ? che il segnale deve consentire la pi? alta risoluzione possibile del rilevamento e avere una ridotta dispersione in modulo e in fase per garantire che il segnale irradiato sia il pi? possibile coincidente con quello di alimentazione dell?antenna al fine di aumentare la risoluzione spaziale del radar.
In particolare, tali aspetti sono molto importanti in caso di rilevazioni radar del tipo 2D e/o 3D, in cui le peculiarit? dei radar UWB richiedono l?utilizzo di tecniche di beamforming per eseguire rilevazioni efficaci.
Il beamforming ? una particolare tecnologia che consente di direzionare e concentrare il segnale trasmesso (in questo caso un segnale UWB) in una direzione piuttosto che in un'altra e, nel caso dei radar UWB, necessita dell?utilizzo di pi? antenne disposte in posizioni differenti in modo da generare e trasmettere segnali con fasi differenti.
Tuttavia, nelle architetture note dei radar UWB per ottenere antenne eccitate con fasi diverse ? necessario predisporre una pluralit? di circuiti di trasmissione e in ricezione. Ci? comporta, innanzitutto, che le differenze nei tempi di propagazione del segnale nei diversi circuiti riducono l?accuratezza della risoluzione ?cross-range? (ovvero del rilevamento dell?angolo di arrivo del segnale del target).
Inoltre, la necessit? di predisporre di un numero notevole di circuiti, sia per la trasmissione che per la ricezione, richiede un?area di silicio molto vasta. Per di pi?, il loro utilizzo comporta necessariamente un consumo energetico molto elevato per il loro funzionamento.
Presentazione dell?invenzione
Scopo della presente invenzione ? mettere a disposizione un dispositivo radar UWB che consenta di superare almeno parzialmente gli inconvenienti sopra evidenziati.
In particolare, scopo della presente invenzione ? mettere a disposizione un radar di tipo UWB adatto ad essere utilizzato per rilevazioni 2D e/o 3D.
Un altro scopo della presente invenzione ? mettere a disposizione radar UWB in grado di eseguire tecniche di beamforming in modo efficace per migliorare il rilevamento rispetto ai radar equivalenti presenti nella tecnica nota.
Un ulteriore scopo della presente invenzione ? mettere disposizione un radar UWB che permetta di abbassare il consumo energetico richiesto per il suo funzionamento.
Un altro scopo della presente invenzione ? mettere a disposizione un radar UWB la cui componentistica occupa un?area di silicio limitata, o comunque minore rispetto ai dispositivi equivalenti presenti nella tecnica nota.
Un ulteriore scopo della presente invenzione ? mettere a disposizione un dispositivo radar UWB in grado di limitare le differenze nei tempi di propagazione (fase) del segnale nei circuiti riceventi e/o trasmettitori in modo da migliorare il rilevamento dell?angolo di arrivo del segnale del target.
Gli scopi detti, nonch? altri che appariranno pi? chiaramente nel seguito, sono raggiunti da un dispositivo radar UWB avente due o pi? prime antenne in accordo con le rivendicazioni che seguono le quali sono da considerarsi parte integrante del presente brevetto.
In particolare, esso comprende un gruppo di generazione e trasmissione di un segnale UWB, comprendente a sua volta un numero predeterminato di circuiti di generazione e trasmissione, e un gruppo di ricezione per elaborare il segnale UWB ricevuto.
Secondo un altro aspetto dell?invenzione, il dispositivo radar comprende anche almeno un?unit? logica di elaborazione e controllo ubicata operativamente a valle del suddetto gruppo di ricezione.
Secondo un ulteriore aspetto dell?invenzione, il numero predeterminato dei circuiti di generazione e trasmissione del segnale ? inferiore al numero delle prime antenne.
Quindi, il dispositivo radar dell?invenzione comprende, vantaggiosamente, un numero ridotto di circuiti di generazione e trasmissione che ? minore rispetto al numero di circuiti equivalenti presenti nei radar noti dove, tipicamente, ad ogni antenna di trasmissione corrisponde un circuito.
Ancora vantaggiosamente, essendo il numero di circuiti del dispositivo dell?invenzione inferiore rispetto ai radar equivalenti noti, esso permette di ottimizzare l?utilizzo del silicio occupando un?area minore rispetto ai dispositivi equivalenti presenti nella tecnica nota.
Inoltre, ancora vantaggiosamente, il dispositivo radar UWB dell?invenzione, avendo un numero inferiore di circuiti di generazione e trasmissione del segnale permette di abbassare il consumo energetico richiesto per il suo funzionamento rispetto ai radar equivalenti noti.
Secondo un altro aspetto dell?invenzione, il dispositivo radar UWB comprende anche un primo selettore operativamente collegato con almeno uno dei circuiti di generazione e trasmissione del segnale e con almeno due delle prime antenne in modo da convogliare il segnale generato dal circuito di generazione e trasmissione vicendevolmente alle almeno due prime antenne.
Inoltre, secondo un ulteriore aspetto dell?invenzione, l?unit? logica di elaborazione e controllo comprende almeno un?unit? di memoria nella quale ? memorizzato almeno un algoritmo di ritardo e somma (?delay and sum?) adatto ad essere eseguito dall?unit? logica di elaborazione e controllo in modo da gestire il cambio di fase dei segnali ricevuti nei canali riceventi.
Vantaggiosamente, l?utilizzo dello stesso circuito di generazione e trasmissione del segnale UWB per pi? antenne, unitamente all?utilizzo dell?algoritmo di ritardo e somma, permette di limitare le differenze di fase del segnale nei circuiti riceventi in modo da migliorare l?accuratezza della risoluzione ?cross-range?, ossia il rilevamento dell?angolo di arrivo del segnale del target.
A ben vedere, il dispositivo radar UWB dell?invenzione ? adatto ad eseguire tecniche di beamforming per migliorare il direzionamento e la concentrazione del segnale trasmesso e, conseguentemente, di migliorare il rilevamento rispetto ai radar equivalenti presenti nella tecnica nota.
Secondo quanto detto risulta quindi evidente come il dispositivo radar dell?invenzione ?, ancora vantaggiosamente, adatto ad essere utilizzato anche per rilevazioni del tipo 2D e/o 3D.
Breve descrizione dei disegni
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell?invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di alcune forme di realizzazione preferite, ma non esclusive, di un dispositivo radar UWB secondo l?invenzione, illustrate a titolo di esempio non limitativo con l'ausilio delle unite tavole di disegno in cui:
la FIG. 1 rappresenta il dispositivo radar UWB secondo l?invenzione in vista schematizzata;
la FIG. 2 rappresenta un confronto tra un segnale periodico noto e un segnale periodico inviato mediante il dispositivo radar di Fig.1;
la FIG.3 rappresenta un dispositivo radar UWB noto in vista schematizzata.
Descrizione dettagliata di un esempio di realizzazione preferita Con riferimento alle figure citate e, in particolare alla Fig.1, si descrive un dispositivo radar UWB 1 avente delle prime antenne 3 secondo l?invenzione. Ovviamente, il numero delle prime antenne non deve essere considerato limitativo per differenti forme di esecuzione dell?invenzione.
Secondo un aspetto dell?invenzione esso comprende un gruppo di generazione e trasmissione di un segnale UWB 5, un gruppo di ricezione di un segnale UWB 6, per elaborare il segnale ricevuto, ed un?unit? logica di elaborazione e controllo 8 ubicata operativamente a valle del citato gruppo di ricezione 6.
Secondo un altro aspetto dell?invenzione il gruppo di generazione 5 comprende un numero predeterminato di circuiti di generazione e trasmissione 10 di un segnale UWB.
In particolare, il numero predeterminato di circuiti di generazione 10 ? inferiore al numero delle prime antenne 3 comprese nel dispositivo radar 1. Ci? consente, vantaggiosamente, di occupare una superficie di area di silicio minore rispetto ai dispositivi radar UWB equivalenti presenti nella tecnica nota dove, generalmente, ad ogni prima antenna corrisponde un circuito di generazione e trasmissione, come osservabile in Fig.3.
Secondo un ulteriore aspetto dell?invenzione, il dispositivo radar 1 comprende anche un primo selettore 14 operativamente collegato con un circuito di generazione e trasmissione 15 e con due prime antenne 16 in modo da convogliare il segnale generato dal circuito 15 vicendevolmente sulle due prime antenne 16.
In altri termini, il dispositivo radar UWB 1 comprende un primo selettore 14 adatto a collegare i circuiti di generazione e trasmissione 10 con pi? di una prima antenna 3.
Vantaggiosamente, ci? consente di inviare i segnali UWB generati dallo stesso circuito di generazione e trasmissione 15 mediante pi? prime antenne 3 in modo da eliminare, o almeno limitare, le differenze di fase che inevitabilmente scaturiscono dalla generazione di segnali su circuiti differenti.
Ovviamente, anche il numero delle prime antenne a cui ? operativamente collegato ciascun circuito di generazione e trasmissione non deve essere considerato limitativo per differenti forme di esecuzione dell?invenzione.
Secondo un altro aspetto dell?invenzione, l?unit? logica di elaborazione e controllo 8 comprende un?unit? di memoria 19 nella quale ? memorizzato un algoritmo di ritardo e somma, ossia un algoritmo del tipo DAS (Delay And Sum), adatto ad essere eseguito dall??unit? logica 8 stessa, in modo da gestire il cambio di fase dei segnali ricevuti nel gruppo di ricezione 6.
Vantaggiosamente, mediante tale logaritmo e utilizzando lo stesso circuito di generazione e trasmissione 15 per inviare il segnale mediante pi? prime antenne 16, il dispositivo radar 1 consente di migliorare l?accuratezza della risoluzione ?cross-range?, ossia di ottimizzare il rilevamento dell?angolo di arrivo del segnale del target.
Inoltre, ancora vantaggiosamente, il dispositivo radar UWB 1 risulta particolarmente adatto ad essere utilizzato per rilevazioni del tipo 2D e/o 3D.
Ancora vantaggiosamente, esso permette di eseguire tecniche di beamforming per migliorare il direzionamento e la concentrazione del segnale trasmesso e, conseguentemente, di migliorare il rilevamento rispetto ai radar equivalenti presenti nella tecnica nota.
A ben vedere, quindi, il dispositivo radar UWB 1 dell?invenzione ha un costo minore rispetto ai radar equivalenti presenti nella tecnica nota, in quanto ? necessaria, come detto, un?area di silicio minore, consuma una potenza minore dato l?utilizzo di un singolo circuito di generazione e trasmissione 15, consente di avere una maggiore risoluzione spaziale e pu? essere utilizzato anche per rilevamenti del tipo 2D o 3D.
Tuttavia, rispetto allo stato dell?arte il dispositivo dell?invenzione ha una ridotta velocit? di scansione in quanto il tempo di ciclo per l?invio di ciascun segnale ? grande, dato che per pi? prime antenne il segnale ? generato da un singolo circuito di generazione.
Secondo un ulteriore aspetto dell?invenzione, il circuito di generazione e trasmissione 15, differentemente dalla tecnica nota osservabile nel grafico a sinistra della Fig.2, genera e trasmette segnali periodici ciascuno comprendente una pluralit? di impulsi, come nel grafico a destra della stessa Fig.2.
Vantaggiosamente, tale tecnica di invio di pi? impulsi per un singolo periodo consente di aumentare l?energia complessiva irradiata durante una singola lettura e, ancora vantaggiosamente, permette di sfruttare meno letture consecutive (integrazione coerente) rispetto ai dispositivi equivalenti noti.
In questo modo, ancora vantaggiosamente, mediante il dispositivo radar UWB 1 ? possibile compensare il tempo di ciclo ottenendo velocit? massime di lettura paragonabili allo stato dell?arte.
Inoltre, secondo un altro aspetto dell?invenzione, gli impulsi generati e trasmessi sono codificati in modo da aumentare la potenza del segnale UWB complessivo a parit? di ampiezza del singolo impulso.
Quindi, ancora vantaggiosamente, la generazione di pi? impulsi permette di migliorare il rapporto segnale-rumore, spesso abbreviato con la sigla inglese SNR (Signal to Noise Ratio), a parit? di potenza di picco.
Ancora vantaggiosamente, ci? permette di migliorare la velocit? di scansione rispetto ai dispositivi radar UWB equivalenti presenti nella tecnica nota.
Secondo un ulteriore aspetto dell?invenzione, il dispositivo radar 1 comprende anche pi? seconde antenne 22. Inoltre, il gruppo di ricezione 6 comprende a sua volta un numero predeterminato di circuiti di ricezione di un segnale UWB 23, il quale ? inferiore al numero delle seconde antenne 22.
Analogamente a quanto descritto per il gruppo di generazione 5, anche nel gruppo di ricezione vi sono un numero limitato di circuiti di ricezione 23 rispetto al numero di seconde antenne 22 e, quindi, anche in questo caso vi ? una minore area di silicio occupata rispetto ai dispositivi equivalenti noti.
Secondo un altro aspetto dell?invenzione, il dispositivo radar 1 comprende anche un secondo selettore 26 operativamente collegato con un circuito di ricezione del segnale 28 e con almeno una coppia di seconde antenne 29 in modo da convogliare il segnale ricevuto vicendevolmente da quest?ultime al circuito di ricezione 28.
Oltre a ci?, secondo una variante esecutiva dell?invenzione, non rappresentata nelle figure, il gruppo di ricezione comprende un numero predeterminato di circuiti di ricezione di un segnale UWB che ? inferiore al numero di prime antenne.
Per di pi?, sempre secondo tale variante esecutiva, il dispositivo radar UWB comprende anche un secondo selettore operativamente collegato con il circuito di ricezione del segnale e le prime antenne in modo da convogliare il segnale ricevuto vicendevolmente da quest?ultime al circuito di ricezione del segnale.
In altri termini, secondo tale variante esecutiva le prime antenne sono conformati sia per agire in trasmissione che in ricezione dei segnali UWB.
In particolare, secondo la forma di esecuzione dell?invenzione che si descrive, il numero predeterminato di circuiti di generazione e trasmissione del segnale UWB ? pari a uno.
Analogamente, sempre secondo la forma di esecuzione dell?invenzione che si descrive, il numero predeterminato di circuiti di ricezione del segnale UWB ? anch?esso pari a uno.
Vantaggiosamente, ci? consente di minimizzare il pi? possibile l?area di silicio occupata e, conseguentemente, di abbattere i costi di produzione dei dispositivi radar UWB rispetto ai radar equivalenti noti.
Alla luce di quanto precede, si comprende quindi che il dispositivo radar UWB dell?invenzione raggiunge tutti gli scopi prefissati.
In particolare, esso permette di utilizzare un?area di silicio minore e, quindi, consente di diminuire i costi di produzione rispetto ai radar equivalenti presenti nella tecnica nota.
Inoltre, il dispositivo radar dell?invenzione permette anche di abbassare il consumo energetico richiesto per il suo funzionamento rispetto ai radar noti.
Oltre a ci?, il dispositivo radar UWB dell?invenzione permette di limitare le differenze nei tempi di propagazione del segnale nei circuiti riceventi in modo da migliorare il rilevamento dell?angolo di arrivo del segnale del target.
Infine, il dispositivo dell?invenzione ? in grado di eseguire tecniche di beamforming in modo efficace per migliorare il rilevamento rispetto ai radar equivalenti presenti nella tecnica nota e, conseguentemente, ? particolarmente adatto ad essere utilizzato per rilevazioni 2D e/o 3D.
L?invenzione ? suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nelle rivendicazioni allegate. Tutti i particolari e le fasi potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti, ed i materiali potranno essere diversi a seconda delle esigenze, senza uscire dall'ambito di tutela del trovato definito dalle rivendicazioni allegate.
Claims (9)
1. Un dispositivo radar UWB avente due o pi? prime antenne (3) e comprendente:
- un gruppo di generazione e trasmissione (5) di un segnale UWB comprendente un numero predeterminato di circuiti di generazione e trasmissione (10) di un segnale UWB;
- un gruppo di ricezione (6) di un segnale UWB per elaborare il segnale UWB ricevuto;
- almeno un?unit? logica di elaborazione e controllo (8) ubicata operativamente a valle di detto un gruppo di ricezione (6);
detto un dispositivo radar UWB (1) essendo caratterizzato dal fatto che: - detto numero predeterminato di detti circuiti di generazione e trasmissione (10) del segnale ? inferiore al numero di dette due o pi? prime antenne (3);
- detto un dispositivo radar UWB (1) comprendendo almeno un primo selettore (14) operativamente collegato con almeno uno di detti circuiti di generazione e trasmissione (15) del segnale e con almeno due di dette prime antenne (16) in modo da convogliare il segnale generato da detto almeno uno di detti circuiti di generazione e trasmissione (15) del segnale vicendevolmente a dette almeno due di dette prime antenne (16);
- detta almeno un?unit? logica di elaborazione e controllo (8) comprendendo almeno un?unit? di memoria (18) nella quale ? memorizzato almeno un algoritmo di ritardo e somma adatto ad essere eseguito da detta almeno un?unit? logica di elaborazione e controllo (8) in modo da gestire il cambio di fase dei segnali ricevuti in detto gruppo di ricezione (6).
2. Dispositivo radar secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto circuito di generazione e trasmissione (15) genera e trasmette segnali periodici, ciascuno di detti segnali periodici comprendendo una pluralit? di impulsi.
3. Dispositivo radar secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto di comprendere due o pi? seconde antenne (22) e che detto un gruppo di ricezione (6) comprende un numero predeterminato di circuiti di ricezione (23) di un segnale UWB, detto numero predeterminato di detti circuiti di ricezione (23) del segnale essendo inferiore al numero di dette due o pi? seconde antenne (22).
4. Dispositivo radar secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un secondo selettore (26) operativamente collegato con almeno uno di detti circuiti di ricezione (28) del segnale e con almeno due di dette seconde antenne (29) in modo da convogliare il segnale ricevuto vicendevolmente da dette almeno due di dette seconde antenne (29) a detto almeno uno di detti circuiti di ricezione (28) del segnale.
5. Dispositivo radar secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detto un gruppo di ricezione comprende un numero predeterminato di circuiti di ricezione di un segnale UWB, detto numero predeterminato di detti circuiti di ricezione del segnale essendo inferiore al numero di dette due o pi? prime antenne.
6. Dispositivo radar secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un secondo selettore operativamente collegato con almeno uno di detti circuiti di ricezione del segnale e con almeno due di dette prime antenne in modo da convogliare il segnale ricevuto vicendevolmente da dette almeno due di dette seconde antenne a detto almeno uno di detti circuiti di ricezione del segnale.
7. Dispositivo radar secondo una o pi? delle rivendicazioni da 2 a 6, caratterizzato dal fatto che detti impulsi sono codificati in modo da aumentare la potenza del segnale UWB complessivo a parit? di ampiezza del singolo impulso.
8. Dispositivo radar secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto numero predeterminato di circuiti di generazione e trasmissione (10) del segnale UWB ? pari a uno.
9. Dispositivo radar secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto numero predeterminato di circuiti di ricezione (23) del segnale UWB ? pari a uno.
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| IT102021000023444A IT202100023444A1 (it) | 2021-09-10 | 2021-09-10 | Un dispositivo radar uwb |
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| EP2315311A1 (en) * | 2009-10-23 | 2011-04-27 | The European Union, represented by the European Commission | An ultra-wideband radar imaging system using a two-dimensional multiple-input multiple output (MIMO) transducer array |
| US20120229322A1 (en) * | 2007-11-20 | 2012-09-13 | Kirsen Technologies, Inc. | Apparatus For Remote Detection and Monitoring of Concealed Objects |
| US20210139045A1 (en) * | 2017-02-23 | 2021-05-13 | Richard Anthony Bishel | Vehicle Guidance System |
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- 2022-09-07 CA CA3231156A patent/CA3231156A1/en active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120229322A1 (en) * | 2007-11-20 | 2012-09-13 | Kirsen Technologies, Inc. | Apparatus For Remote Detection and Monitoring of Concealed Objects |
| EP2315311A1 (en) * | 2009-10-23 | 2011-04-27 | The European Union, represented by the European Commission | An ultra-wideband radar imaging system using a two-dimensional multiple-input multiple output (MIMO) transducer array |
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Also Published As
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