Hochintegriertes 3D-Radarsystem bei 240 GHz

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ingmar Kallfass; Professor Dr.-Ing. Thomas Zwick
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 241714687

Die Einsatzmöglichkeiten von Sensorsystemen werden von Messgenauigkeit und Messauflösung aber auch von Zuverlässigkeit, Robustheit, Größe und Preis bestimmt. Radarsysteme haben den Vorteil, dass sie auch unter widrigen Bedingungen (z.B. Rauch) gute Messergebnisse liefern. Radarsysteme mit zweidimensionaler Winkelauflösung sind bisher meist groß und teuer. Abgesehen von mechanischem Scannen mit einer stark fokussierenden Antenne kann die Winkelauflösung bei Radarsystemen mit einem Antennenarray prinzipiell durch zwei Methoden erreicht werden: elektrisches Scannen durch Veränderung der Phasenansteuerung der Einzelelemente oder elektronisches Auswerten aller Richtungen gleichzeitig über Digital Beamforming. Im ersten Fall reduziert sich das verfügbare Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) bei limitierter Messzeit, da die unterschiedlichen Richtungen nacheinander abgetastet werden müssen. Für Digital Beamforming dagegen werden speziell im zweidimensionalen Fall neben des hohen Hardwareaufwands sehr große Rechenleistungen benötigt, was zu höheren Kosten und deutlich größerem Leistungsbedarf führt.In diesem Projekt sollen neuartige frequenzagile Antennenarrays in einem hybriden 2D-Antennensystem untersucht werden. Dabei wird der Radarstrahl in einer Ebene über die Frequenz geschwenkt und in der anderen Ebene über ein Phasenschaltnetzwerk. Zusammen mit darauf optimierten Transceiver-Architekturen sollen 3D-Radarsensoren zur Umgebungsüberwachung (Indoor-Tracking oder Kollisionsschutz für autonome Fahrzeuge im industriellen Produktionsbereich) im Millimeterwellenfrequenzbereich entstehen. Gerade bei hohen Frequenzen sind Radare mit 2D Antennenarrays interessant, da bei kleiner Wellenlänge (z.B. 1,25 mm bei 240 GHz) selbst Antennenarrays aus mehreren Elementen in kleinen Modulen Platz finden. Die kleine Wellenlänge ermöglicht außerdem die Implementierung von passiven phasensteuernden Speisenetzwerken wie der Butler-Matrix direkt zusammen mit den aktiven Komponenten auf GaAs und damit eine SNR-Optimierung des Radarsystems. Um die Frequenzagilität der Antennen voll ausnutzen zu können, müssen die On-Chip-Komponenten besonders breitbandig sein, was aufgrund der starken parasitären Einflüsse eine Herausforderung an die Implementierung darstellt.Die Kombination von FMCW-Radar mit dem neuartigen frequenzagilen Phased-Array und dessen Speisung mittels GaAs-MMICs ermöglichen neben der Distanzauflösung eine zweidimensionale Richtungsbestimmung. Dadurch entsteht im Vergleich zum Digital Beamforming ein effizienter Kompromiss zwischen Hardwareaufwand und SNR bzw. Messzeit. Die Integration von MMICs und Antenne in einem Package stellt eine besondere Herausforderung dar, da nicht auf die bisher verwendeten Hohlleiter-Packages für modular verwendete MMICs zurückgegriffen werden kann, welche sich sehr gut zur Wärmeableitung eignen. Sowohl zur Wärmeableitung wie auch für die RF-Verbindungen zur Antenne müssen somit neue Konzepte untersucht und optimiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen