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Mittwoch, 14 Oktober 2020 08:59

Entwicklung ultra-kompakter Radarsensoren

von Volker Tisken
Geschätzte Lesezeit: 2 - 4 Minuten
Sevda Abadpour und Axel Diewald vom Institut für Hochfrequenztechnik und Elektronik (IHE) des KIT positionieren einen Chip auf einer Platine Sevda Abadpour und Axel Diewald vom Institut für Hochfrequenztechnik und Elektronik (IHE) des KIT positionieren einen Chip auf einer Platine Foto: Joachim Hebeler, KIT

Fortschritte der Halbleitertechnologie erlauben bei Radarsensoren eine weitere Miniaturisierung. Eine bisher unerreichte Auflösung kann bei den Radarsensoren erzielt werden, bei denen aufgrund der kleinen Wellenlänge auch die Integration von Antennen auf Chips oder im Chipgehäuse umsetzbar ist. Allerdings wurde die Erschließung des Frequenzbereichs oberhalb von 100 GHz bisher durch extrem komplexe Aufbau- und Verbindungstechnik erschwert. KIT, FhG-IAF und Industriepartner Vega gelingt mit dem Projekt SATIRE ein Durchbruch.

Radar wird immer öfter im ,Nahbereich' eingesetzt – beispielsweise in Autos, aber auch in Industrieanwendungen. Die Fortschritte in der Halbleitertechnologie der vergangenen Jahre erlauben hier nun eine weitere Miniaturisierung. Dafür entwickeln Forscherinnen und Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF) in Freiburg und dem Industriepartner Vega Grieshaber KG ultra-kompakte Radarsensoren, die modular aufgebaut und auch für die vielseitigen Anforderungen der Industriesensorik geeignet sind.

Eine bisher unerreichte Auflösung ist bei Radarsensoren möglich, bei denen aufgrund der kleinen Wellenlänge auch die Integration von Antennen auf Chips oder im Chipgehäuse umsetzbar ist. Allerdings wurde die Erschließung des Frequenzbereichs oberhalb von 100 GHz bisher durch extrem komplexe Aufbau- und Verbindungstechnik erschwert, was für lange Zeit eine Limitierung auf dem Weg zu kostengünstigen integrierten Modulen darstellte.

Jetzt werden Varianten aus dem Projekt ‚Real100G.RF' der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) mit Schaltungen des Fraunhofer IAF zusammengebracht. Daraus wird ein skalierbares Miniatur-Radar-Frontend entwickelt, das dann in Zusammenarbeit mit Vega aus Schiltach im Schwarzwald auf die industrielle Verwertbarkeit evaluiert wird.

„Als dritte Säule neben Forschung und Lehre steht Innovation am KIT für den Charakter der Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten.“

Das Projekt ,Skalierbares THz-Miniaturradar für Industrieanwendungen' (SATIRE) ist eines von sechs trilateralen Projekten, die von der DFG und der Fraunhofer-Gesellschaft (FhG) gefördert werden. Ziel ist der Transfer von wissenschaftlichen Erkenntnissen in die Wirtschaft. In diesem Projekt können Unternehmen früh an Innovationen aus der Forschung partizipieren.

Miniaturisierung im Blick

Im Rahmen von SATIRE soll ein skalierbarer, hochintegrierter 300 GHz-Radarsensor mit über 50 GHz Bandbreite und damit einer Auflösung im Millimeterbereich entstehen. Die inklusive Linse maximal 10 x 10 x 7 mm großen Module können auf einer Steuerplatine zu einem MIMO-System (‚Multiple Input Multiple Output', Verfahren für die Nutzung mehrerer Sende- und Empfangsantennen zur drahtlosen Kommunikation) verschaltet sowie einzeln eingesetzt werden. Dadurch sind die Module besonders gut für die vielseitigen Anforderungen der Industriesensorik geeignet. „Das Projekt nutzt auch die technologischen Möglichkeiten durch das Forschungslabor Mikroelektronik Deutschland am KIT“, sagt der Präsident des KIT, Professor Holger Hanselka. „Als dritte Säule neben Forschung und Lehre steht Innovation am KIT für den anwendungsorientierten Charakter der Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten. Diese Innovationstätigkeit baut erneut eine Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung.“

Radarsensoren bei Frequenzen oberhalb von 100 GHz haben ein enormes Potenzial als Ergänzung zu vorhandenen optischen Sensoren, ob Kamera oder Lidar. „Sie erlauben zum einen eine gute Auflösung bei gleichzeitig hoher Robustheit, zum Beispiel gegenüber Rauch oder Staub“, erläutert Professor Thomas Zwick, Projektleiter und Leiter des Instituts für Hochfrequenztechnik und Elektronik (IHE) am KIT. Zum Erreichen einer Auflösung im Millimeterbereich muss die Schaltung eine Ausgangsbandbreite von mindestens 50 GHz mit ausschaltbarem Sender für den TDM-MIMO-Betrieb besitzen (‚Time Division Multiplex', Methode zur Signalübertragung). Dazu werden Linsen aus Keramik und aus einem Kunststoff erprobt, 3D-Druck und Spritzgussverarbeitung eingesetzt. Das gesamte Bauteil wird genauso groß sein wie die Linse, d.h. Abmessungen von maximal 10 mm besitzen. „Mit unserem Mini-Radar verbessern wir nicht nur die Messleistung, sondern auch die industrielle Fertigbarkeit“, so Zwick. Die geringe Größe und die präzise Messung eröffnen dabei ganz neue Einsatzmöglichkeiten. Zudem erlaubt die Architektur mit Vervielfachern und externem Lokaloszillator sowie abschaltbarem Sender das Zusammenschalten mehrerer Radarsensoren auf einer Platine zu einem MIMO-Radar.

So entsteht ein vielseitig einsetzbares Radar-Frontend, das sich skalierbar auf unterschiedliche Systeme anpassen lässt und essenziell für Industrieanwendungen ist, da hier eine große Vielzahl an Anwen-dungen bedient werden muss. Der stark ausgerichtete Praxisbezug ist Kennzeichen des Projekts, bei dem Unternehmen die Möglichkeit erhalten, schon früh an Innovationen aus der Forschung zu partizipieren – in diesem Fall die Firma Vega.

www.iaf.fraunhofer.de, www.kit.edu, www.vega.com

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