Radar mmWave : Guide technique complet de la technologie radar à ondes millimétriques 2026

Le radar mmWave (radar à ondes millimétriques) est une technologie de détection radio qui utilise des ondes électromagnétiques dans la plage de fréquences 30–300 GHz (correspondant à des longueurs d''onde de 1–10 mm) pour détecter, localiser et suivre des objets en analysant les réflexions d''un signal transmis, les bandes commerciales les plus courantes étant 24 GHz (24.0–24.25 GHz), 60 GHz (57–64 GHz) et 77 GHz (76–81 GHz). La bande des 60 GHz est devenue la fréquence dominante pour les applications de détection de présence en intérieur car elle fournit 7 GHz de bande passante sans licence, permettant une résolution de portée de 2.1 cm et une détection micro-Doppler de la respiration humaine à 0.2–0.5 Hz à des distances de 6–8 mètres, tandis que la bande des 77 GHz est principalement utilisée pour le radar automobile et les applications industrielles à longue portée, et la bande des 24 GHz est utilisée pour les applications sensibles aux coûts basées uniquement sur le mouvement. Un capteur de présence radar mmWave moderne utilise un traitement par onde continue modulée en fréquence (FMCW), où l''émetteur émet un chirp qui balaye la bande passante disponible et le signal réfléchi est mélangé avec une copie du chirp transmis pour extraire les informations de distance et de vitesse de chaque cible dans la zone de détection. La technologie est passée des origines militaires et automobiles pour devenir la modalité de détection dominante pour la détection de présence commerciale dans les chambres d''hôtel, les bureaux, les établissements de santé et les maisons intelligentes, portée par la miniaturisation des émetteurs-récepteurs mmWave en silicium et la disponibilité du spectre sans licence dans les bandes industrielles-scientifiques-médicales (ISM).

Comprendre le radar mmWave à un niveau technique est précieux pour les ingénieurs concevant des systèmes de détection de présence, pour les équipes d''approvisionnement évaluant les capteurs et pour les architectes de solutions sélectionnant les technologies pour l''automatisation des bâtiments. Cet article fournit un guide technique complet du radar mmWave, couvrant la physique, les bandes de fréquence, le traitement FMCW, la conception d''antennes, l''analyse micro-Doppler et les applications dans la détection de présence.

Radar mmWave : La physique

La physique du radar mmWave est régie par les mêmes principes électromagnétiques que les systèmes radio de fréquence inférieure, mais la courte longueur d''onde (1–10 mm) et les larges bandes passantes disponibles dans la plage de fréquences mmWave confèrent à cette technologie des capacités qui ne sont pas réalisables à des fréquences plus basses.

Radar mmWave : Longueur d''onde et taille d''antenne

La longueur d''onde d''une onde électromagnétique est inversement proportionnelle à sa fréquence : longueur d''onde = vitesse de la lumière / fréquence. À 24 GHz, la longueur d''onde est d''environ 12.5 mm ; à 60 GHz, elle est d''environ 5.0 mm ; à 77 GHz, elle est d''environ 3.9 mm. La longueur d''onde plus courte aux fréquences plus élevées permet des antennes plus petites pour un gain donné, c''est pourquoi les systèmes radar mmWave peuvent être conditionnés dans des modules compacts qui s''intègrent dans les capteurs de présence montés au plafond.

Un réseau d''antennes radar mmWave de 60 GHz avec une configuration MIMO 3×3 s''intègre dans une zone de circuit imprimé de 20×20 mm, permettant un format de pastille de plafond de 70 mm de diamètre. Un réseau d''antennes de 24 GHz avec la même configuration MIMO nécessite une zone de circuit imprimé de 50×50 mm, ce qui est trop grand pour une pastille de plafond compacte. Un réseau d''antennes de 77 GHz s''intègre dans une zone encore plus petite, mais les tolérances de fabrication sont plus strictes et le coût est plus élevé.

Radar mmWave : Bande passante et résolution de portée

La résolution de portée d''un système radar — sa capacité à distinguer deux objets qui sont au même angle mais à des portées différentes — est déterminée par la bande passante du signal transmis. La résolution de portée est c / (2 × B), où c est la vitesse de la lumière et B est la bande passante.

À 24 GHz avec 250 MHz de bande passante, la résolution de portée est d''environ 0.6 m. À 60 GHz avec 7 GHz de bande passante, la résolution de portée est d''environ 2.1 cm. À 77 GHz avec 5 GHz de bande passante, la résolution de portée est d''environ 3 cm.

L''amélioration spectaculaire de la résolution de portée à 60 GHz et 77 GHz est ce qui permet à ces systèmes de détecter le micro-mouvement de la respiration humaine. Une personne qui respire produit un déplacement de la paroi thoracique de 5–20 mm à une fréquence de 0.2–0.5 Hz. Pour détecter ce mouvement, le système radar doit pouvoir résoudre des changements de portée inférieurs au déplacement respiratoire, ce qui nécessite une résolution de portée de l''ordre de 5 mm ou mieux.

Radar mmWave : Propagation et pénétration des matériaux

Les caractéristiques de propagation des signaux radar mmWave sont significativement différentes de celles des systèmes radio de fréquence inférieure. Trois effets de propagation sont particulièrement pertinents : l''atténuation atmosphérique, la pénétration des matériaux et les trajets multiples.

À 60 GHz, l''atténuation atmosphérique est d''environ 15 dB/km en raison de la résonance d''absorption de l''oxygène à cette fréquence. Pour les applications de détection en intérieur où la portée maximale est typiquement de 8–12 m, l''atténuation atmosphérique est négligeable (0.15 dB à 10 m). Cependant, l''absorption de l''oxygène a un effet secondaire bénéfique : elle empêche les signaux de 60 GHz de se propager entre les pièces, ce qui est un avantage en matière de confidentialité pour les déploiements dans les hôtels et les résidentiels.

La pénétration des matériaux est une considération critique pour la détection de présence en intérieur. À 60 GHz, la longueur d''onde de 5 mm est plus courte que l''épaisseur de la plupart des matériaux de construction, et le signal est fortement atténué par les cloisons en placoplâtre, l''ossature en bois et le verre. Une cloison intérieure typique en placoplâtre atténue un signal de 60 GHz de 20–40 dB, ce qui suffit à rendre le signal effectivement invisible à travers le mur.

Les trajets multiples sont le phénomène où le signal radar atteint la cible via plusieurs chemins (chemin direct, réflexion du sol, réflexion du plafond, réflexion des murs). Les trajets multiples peuvent créer des cibles fantômes et peuvent masquer des cibles réelles, et c''est un défi significatif pour le radar mmWave en intérieur.

Radar mmWave : Bandes de fréquence

Le marché du radar mmWave utilise trois bandes de fréquence principales pour les applications commerciales.

Radar mmWave : Bande des 24 GHz

La bande des 24 GHz (24.0–24.25 GHz ISM à bande étroite ou 24.05–24.25 GHz UWB) est la bande mmWave la plus ancienne et la plus mature pour les applications commerciales. L''allocation ISM à bande étroite fournit 250 MHz de bande passante, ce qui est suffisant pour la détection de mouvement mais pas pour la résolution de portée fine ou la détection de micro-mouvement. L''allocation UWB fournit jusqu''à 5 GHz de bande passante, mais l''allocation UWB est en cours de suppression pour les nouveaux designs automobiles en Europe et est de plus en plus restreinte pour d''autres applications.

Pour un capteur radar mmWave de 24 GHz, les applications typiques sont la détection de mouvement uniquement (capteurs de vacance d''escalier, détecteurs de mouvement extérieurs, applications de sécurité de base) et la résolution de portée FMCW de base (où la résolution de portée de 0.6 m est acceptable).

Radar mmWave : Bande des 60 GHz

La bande des 60 GHz (57–64 GHz) est la bande dominante pour la détection de présence en intérieur. Les 7 GHz de bande passante sans licence permettent une résolution de portée de 2.1 cm et une détection micro-Doppler de la respiration humaine. La longueur d''onde de 5 mm permet des réseaux d''antennes très compacts, et la haute absorption d''oxygène fournit une barrière naturelle de confidentialité.

Le radar mmWave de 60 GHz est le choix par défaut pour les nouveaux designs de détection de présence, et l''environnement réglementaire est mature dans le monde entier (FCC Part 15.255 aux États-Unis, EN 305 550 dans l''UE).

Radar mmWave : Bande des 77 GHz

La bande des 77 GHz (76–81 GHz) est principalement une bande de radar automobile, utilisée pour le radar automobile à longue portée (régulateur de vitesse adaptatif, évitement de collision). La longueur d''onde de 3.9 mm permet des antennes encore plus petites qu''à 60 GHz, et les 5 GHz de bande passante sont similaires à 60 GHz. La bande est de plus en plus utilisée pour les applications industrielles qui nécessitent une longue portée (20–30 m) et une résolution angulaire fine.

Pour un capteur radar mmWave de 77 GHz, les applications typiques sont le radar automobile (longue portée), la surveillance de zone industrielle et le suivi d''occupation des grands sites.

Bande	Fréquence	Bande passante	Résolution de portée	Longueur d''onde	Utilisation principale
24 GHz bande étroite	24.0–24.25 GHz	250 MHz	0.6 m	12.5 mm	Mouvement uniquement, sensible au coût
24 GHz UWB	24.05–24.25 GHz	5 GHz	3 cm	12.5 mm	Haute précision (en cours de suppression)
60 GHz	57–64 GHz	7 GHz	2.1 cm	5.0 mm	Détection de présence en intérieur (par défaut)
77 GHz	76–81 GHz	5 GHz	3 cm	3.9 mm	Automobile, industriel longue portée

Radar mmWave : Traitement FMCW

La forme d''onde la plus couramment utilisée dans le radar mmWave commercial est le chirp à onde continue modulée en fréquence (FMCW). Le traitement FMCW est la technique qui permet à un système radar de déterminer la portée et la vitesse des cibles à partir du signal réfléchi.

Radar mmWave : Le chirp FMCW et la fréquence de battement

Dans un radar FMCW, l''émetteur émet un signal dont la fréquence balaie linéairement à travers une bande passante définie sur une courte période appelée durée du chirp (typiquement 50–200 microsecondes). Le signal transmis est mélangé avec une copie de lui-même (le signal de l''oscillateur local), et le signal réfléchi d''une cible est également mélangé avec le signal de l''oscillateur local. Le résultat du mélange du signal réfléchi avec l''oscillateur local est un signal de battement dont la fréquence est proportionnelle au délai entre transmission et réception, qui est proportionnel à la portée de la cible.

La fréquence de battement est f_b = (2 × B × R) / (c × T), où B est la bande passante, R est la portée, c est la vitesse de la lumière et T est la durée du chirp. Pour un système de 60 GHz avec 7 GHz de bande passante et un chirp de 100 microsecondes, une cible à 5 m produit une fréquence de battement d''environ 2.3 MHz.

En effectuant une transformée de Fourier rapide (FFT) sur le signal de battement, le processeur radar peut déterminer la portée de chaque cible dans la zone de détection avec une résolution de c / (2 × B), qui est d''environ 2.1 cm pour une bande passante de 7 GHz.

Radar mmWave : Traitement Doppler et mesure de vitesse

En plus de la portée, un radar FMCW peut déterminer la vitesse d''une cible en analysant la phase du signal de battement à travers plusieurs chirps. Une cible stationnaire produit un signal de battement avec une phase constante à travers les chirps ; une cible en mouvement produit un signal de battement dont la phase change d''un chirp à l''autre, avec le déphasage proportionnel à la vitesse de la cible.

En effectuant une deuxième FFT à travers les chirps de chaque bin de portée (une « FFT Doppler »), le processeur radar peut déterminer la vitesse de chaque cible dans la zone de détection. La résolution de vitesse est déterminée par la longueur d''onde et la durée de trame. Pour un système de 60 GHz avec une durée de trame de 50 ms, la résolution de vitesse est d''environ 0.05 m/s, ce qui est suffisant pour détecter le mouvement lent d''une personne qui respire.

Radar mmWave : Micro-Doppler et analyse de signature humaine

L''effet micro-Doppler est le phénomène où le micro-mouvement des parties d''une cible produit des signatures Doppler distinctives. Dans la détection de présence humaine, la signature micro-Doppler la plus importante est la signature respiratoire : le mouvement périodique de la paroi thoracique à 0.2–0.5 Hz produit une modulation Doppler distincte du bruit de fond et des signatures Doppler des objets inanimés.

Les capteurs de présence radar mmWave modernes utilisent des techniques de traitement du signal pour extraire la signature respiratoire du retour radar. Le traitement implique typiquement une FFT de portée, une FFT Doppler, la génération de carte portée-Doppler, l''extraction de micro-mouvement et la classification par apprentissage automatique.

Radar mmWave : Réseaux d''antennes et MIMO

Les systèmes radar mmWave modernes utilisent des réseaux d''antennes à entrées multiples et sorties multiples (MIMO) pour déterminer la position angulaire des cibles dans la zone de détection.

Radar mmWave : Réseaux d''antennes MIMO

Un réseau d''antennes MIMO, avec plusieurs antennes émettrices et plusieurs antennes réceptrices disposées dans une géométrie définie, utilise les différences de phase entre les antennes réceptrices pour estimer l''angle d''arrivée du signal réfléchi.

• Un réseau MIMO 2×2 (deux émetteurs, deux récepteurs) fournit une seule paire d''antennes virtuelles et peut déterminer l''angle d''arrivée dans une dimension (typiquement l''azimut).
• Un réseau MIMO 3×3 fournit neuf paires d''antennes virtuelles et peut déterminer l''angle d''arrivée dans deux dimensions (azimut et élévation).
• Un réseau MIMO 4×4 fournit seize paires d''antennes virtuelles et peut obtenir une résolution angulaire plus fine dans les deux dimensions.

Pour un capteur de présence radar mmWave montée au plafond, un réseau d''antennes typique est une configuration MIMO 2×2 ou 3×3 qui fournit un champ de vision d''environ ±60° en azimut et ±40° en élévation.

Radar mmWave : Champ de vision et direction de faisceau

Le champ de vision d''un système radar mmWave est la plage angulaire sur laquelle l''antenne peut transmettre et recevoir efficacement des signaux. Un grand champ de vision est souhaitable pour un capteur de présence montée au plafond, tandis qu''un champ de vision étroit est souhaitable pour un capteur longue portée.

Les systèmes radar mmWave modernes peuvent diriger le faisceau électriquement en ajustant la phase des signaux appliqués aux antennes émettrices. Cette direction de faisceau permet au radar de concentrer son énergie dans une direction spécifique, ce qui peut améliorer le rapport signal sur bruit pour les cibles dans cette direction.

Radar mmWave : Applications dans la détection de présence

Le radar mmWave est maintenant la technologie dominante pour la détection de présence dans les applications commerciales et résidentielles.

Radar mmWave : Détection de présence dans les chambres d''hôtel

Un capteur de présence radar mmWave de 60 GHz montée au centre du plafond d''une chambre d''hôtel peut détecter de manière fiable si un client est dans la chambre tout au long de son séjour, y compris lorsqu''il dort, est assis au bureau ou utilise la salle de bain. Les données d''occupation alimentent le système de gestion immobilière pour la coordination du ménage et le système CVC pour la gestion de l''énergie.

Radar mmWave : Détection de bureau et de salle de conférence

Les bureaux utilisent le radar mmWave pour le contrôle CVC et d''éclairage par pièce, l''analyse d''occupation au niveau des zones et la surveillance de l''utilisation de l''espace. Un capteur de présence radar mmWave dans un bureau individuel peut détecter si le bureau est occupé et ajuster le CVC et l''éclairage en conséquence.

Radar mmWave : Santé et vie assistée

Les établissements de santé utilisent le radar mmWave pour la détection des chutes, les alertes de sortie de lit et le contrôle CVC basé sur l''occupation dans les chambres de patients. Le profil de confidentialité du radar mmWave (pas d''images, non invasif) le rend adapté au déploiement dans les espaces privés.

Radar mmWave : Maison intelligente et résidentiel

Le marché résidentiel de la maison intelligente utilise le radar mmWave pour l''éclairage basé sur l''occupation, le contrôle CVC et la surveillance de sécurité. Un capteur de présence radar mmWave dans un salon peut garder les lumières allumées pendant que l''occupant regarde la télévision (un scénario où les capteurs PIR échouent).

Radar mmWave : Benchmarks de performance

Les performances d''un capteur de présence radar mmWave de 60 GHz sont typiquement caractérisées par :

• Taux de vrais positifs pour occupant stationnaire : supérieur à 99% en test contrôlé, supérieur à 95% en déploiement réel
• Taux de faux positifs : inférieur à 1% sur une période de 24 heures
• Portée maximale de détection : 6–8 m pour les occupants stationnaires, 8–12 m pour les occupants en mouvement
• Champ de vision : ±60° azimut, ±40° élévation (typique)
• Résolution angulaire : 1–3° (avec un réseau MIMO 3×3)
• Résolution de portée : 2.1 cm (avec 7 GHz de bande passante)
• Consommation d''énergie active : 0.5–1.0 W
• Consommation d''énergie en veille : quelques milliwatts (dans les configurations à cycle de service)

Radar mmWave : Limites et défis

Malgré ses nombreux avantages, le radar mmWave a plusieurs limites :

Radar mmWave : Trajets multiples et cibles fantômes

Dans les environnements intérieurs, les signaux radar mmWave se réfléchissent sur les murs, les sols, les plafonds et les meubles, créant des trajets multiples qui peuvent produire des cibles fantômes et peuvent masquer des cibles réelles. Les techniques modernes de traitement du signal peuvent atténuer les trajets multiples, mais cela reste une considération dans la conception d''un capteur de présence.

Radar mmWave : Sensibilité environnementale

Les capteurs de présence radar mmWave peuvent être sensibles aux facteurs environnementaux, notamment au flux d''air CVC, aux lourds rideaux se déplaçant dans les courants d''air et aux vibrations externes. Un capteur bien conçu inclura un filtrage environnemental dans son traitement du signal.

Radar mmWave : Confidentialité et traitement des données

Bien que le radar mmWave produise des données de nuage de points plutôt que des images, les données de nuage de points peuvent toujours révéler des informations sur l''activité de l''occupant. Un capteur bien conçu traitera toutes les données radar sur l''appareil et ne transmettra que l''état d''occupation classifié au système en aval.

Radar mmWave : Coût et complexité

Les capteurs radar mmWave sont plus complexes et plus coûteux que les capteurs de mouvement PIR, avec des coûts de module de 6–18 $ en volume de 1K pour un module de 60 GHz. Le coût plus élevé est justifié pour les applications qui nécessitent la détection d''occupant stationnaire.

Radar mmWave : Directions futures

Le marché du radar mmWave évolue rapidement, avec plusieurs tendances façonnant l''avenir :

• Intégration sur puce unique : l''intégration des émetteurs-récepteurs mmWave dans des solutions sur puce unique réduit les coûts et permet des facteurs de forme plus petits
• Apprentissage automatique sur l''appareil : l''utilisation croissante de l''apprentissage automatique sur l''appareil améliore la précision de détection et permet de nouvelles capacités
• Fusion multi-capteurs : la convergence du radar mmWave avec d''autres modalités de détection permet de nouvelles applications
• 77 GHz pour les applications commerciales : la bande des 77 GHz est de plus en plus utilisée pour les applications commerciales qui nécessitent une longue portée et une résolution angulaire fine

Radar mmWave : Recommandation finale

Le radar mmWave est devenu la technologie de détection dominante pour la détection de présence humaine dans les applications commerciales et résidentielles, portée par sa capacité à détecter les occupants stationnaires, son facteur de forme compact, son excellent profil de confidentialité et son écosystème de puces en maturation. La bande des 60 GHz est le choix par défaut pour la détection de présence en intérieur, offrant une résolution de portée de 2.1 cm et une détection micro-Doppler de la respiration humaine avec un facteur de forme qui s''intègre dans une pastille de plafond et un coût compétitif avec les capteurs PIR haut de gamme lorsque le coût total de possession est pris en compte.

Les produits recommandés pour la plupart des applications sont le ceiling-presence-sensor-zigbee, le ceiling-presence-sensor-wifi et le ceiling-presence-sensor-matter de fournisseurs disposant de forts portfolios de produits et de trajectoires de déploiement prouvées.

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