Skalierbares THz-Miniaturradar für Industrieanwendungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Zwick
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 440918997

Die enormen Fortschritte in der Halbleitertechnologie der letzten Jahre mit Grenzfrequenzen weit über 300 GHz bei Silizium und bis zu 1 THz bei III-V-Halbleitertechnologien erlauben heute eine nochmals erhöhte Integration von Schaltkreisen durch Verwendung von Frequenzen deutlich über 100 GHz. Bei diesen hohen Frequenzen sind einerseits regulierungs-technisch hohe Bandbreiten verfügbar, andererseits ermöglichen sie aufgrund der kleinen Wellenlänge auch die Integration von Antennen auf Chips oder in dem Chipgehäuse. Hierdurch werden ultra-kompakte Radarsensoren mit bisher unerreichter Auflösung realisierbar. Erschwert wird die Erschließung des Frequenzbereiches oberhalb von 100 GHz durch die extrem komplexe Aufbau- und Verbindungstechnik, was für lange Zeit die Limitierung auf dem Weg zu kostengünstigen integrierten Modulen darstellte.Im Transferprojekt SATIRE sollen die beiden Package-Varianten aus dem DFG-Projekt Re-al100G.RF zusammen mit Schaltungen des Fraunhofer IAF zu einem skalierbaren Miniatur-Radar-Frontend zusammengebracht und hinsichtlich industrieller Verwertbarkeit mit der Firma VEGA evaluiert werden. Zum Erreichen einer Auflösung im Millimeterbereich muss die Schaltung eine Ausgangsbandbreite von mindestens 50 GHz mit ausschaltbarem Sender für den TDM-MIMO-Betrieb besitzen (TDM: Time Division Multiplex, MIMO: Multiple Input Multiple Output). Die Antenne wird deshalb darauf optimiert, dass der GaAs MMIC am Ende direkt auf eine Linse mit einer Dielektrizitätszahl nahe der von GaAs montiert wird. Es werden Linsen aus Keramik und aus einem Kunststoff erprobt, der 3D-Druck und Spritzgussverarbeitung erlaubt und auch eine Dielektrizitätszahl nahe der von GaAs besitzt. Das gesamte Bauteil wird genauso groß sein wie die Linse, d.h. Abmessungen von max. 10 mm besitzen. Die Architektur mit Vervielfachern und externem Lokaloszillator (LO) sowie abschaltbarem Sender erlaubt das Zusammenschalten mehrerer Radar-Frontends auf einer Platine zu einem MIMO-Radar. Aufgrund der Frequenzverfielfacher und der Verkapselung im Modul, stände damit erstmals ein kostengünstiges 300 GHz Radar Frontend für den industriellen Anwender zur Verfügung, das zudem in Standardplatinentechnologie integrierbar ist. In der Erschließung des neuen Frequenzbereiches für Sensorsysteme wird ein hohes wirtschaftliches Potential gesehen. Es entsteht ein sehr vielseitig einsetzbares Radar-Frontend, das sich skalierbar auf unterschiedliche Systeme anpassen lässt. Dies ist essentiell für Industrieanwendungen, da hier eine große Vielzahl an Anwendungen mit kleinen bis mittleren Stückzahlen bedient werden müssen. Ein vielseitig einsetzbarer Standard-Chip inkl. Package ist die einzige Möglichkeit die Kosten im Rahmen zu halten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen (Transferprojekt)
• Anwendungspartner: VEGA Grieshaber KG
• Kooperationspartner: Dr. Arnulf Leuther