Skalierbares THz-Miniaturradar für Industrieanwendungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Transferprojekt SATIRE sollen die beiden Package-Varianten aus dem DFG-Projekt Real100G.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 Betriebsbandbreite von mindestens 50 GHz aufweisen und einen schaltbaren Sender für den MIMO-Betrieb besitzen (MIMO: Multiple Input Multiple Output). Die Architektur mit Frequenz-Vervielfachern und einem externen Lokaloszillator (LO) sowie schaltbaren Sendern erlaubt das Zusammenschalten mehrerer Radar-Frontends auf einer einzelnen Platine zu einem MIMO-Radar. Durch die gewählte MIMO-Architektur und die Anwendung geeigneter Auswerteverfahren soll eine Radar-Bildgebung der Umgebung ermöglicht werden. Unter Ausnutzung der Frequenzvervielfachung und der effizienten Verkapselung im Modul, stände damit erstmals ein kostengünstiges 300 GHz Radar Frontend für den industriellen Anwender zur Verfügung, das zudem in konventioneller Platinentechnologie integrierbar ist. Im Rahmen des Projektes sind zunächst Hochfrequenz-Halbleiterschaltungen entworfen und hergestellt worden, die die Basis für den Aufbau der Sender- und Empfängermodule darstellen. Neben den aktiven Schaltungsteilen sind verschiedene breitbandige On-Chip Antennenkonzepte untersucht worden, die große Öffnungswinkel aufweisen, um entsprechend große Winkelbereiche mit dem Radar abtasten zu können. Zur Flip-Chip-Montage der Chips auf der Platinen-Basis ist am Fraunhofer IAF eine Indium-Bump-Technologie entwickelt worden, die eine elektrische Kontaktierung bei hoher Packungsdichte ermöglicht. Die für den Aufbau der Frontend-Module benötigten Trägerplatinen wurden auf die Flip-Chip Montage mittels Indium-Bumps angepasst und die elektrische und mechanische Güte der Verbindungen untersucht. Eine weitere im Projekt entwickelte Basisplatine dient der Ansteuerung der Module und dem Auslesen der aufgezeichneten Messdaten. Der aufgebaute Demonstrator konnte erfolgreich in Betrieb genommen werden und übertrifft die oben angeführten Anforderungen an die Systembandbreite. Die Funktionstüchtigkeit des Demonstrators und der Auswerteverfahren ist mithilfe der Messung eines Punktzieles und der Bestimmung der räumlichen Lage des Ziels belegt worden. Daraus folgt, dass die Abbildung ganzer Oberflächentopologien mit dem Demonstrator möglich ist. Messszenarien verschiedener Oberflächentopologien konnten innerhalb der Projektlaufzeit nicht evaluiert werden und werden im Anschluss an das Projekt durchgeführt. Eine Verwertung der Projektergebnisse ist zum Zeitpunkt des Projektabschlusses bislang nicht gegeben. Zum einen sind Regulierungen zur industriellen Frequenznutzung oberhalb von 260 GHz erst ab dem Jahre 2027 zu erwarten, zum anderen sind weitere Anpassungen an den Halbleiter-Chips notwendig, um eine Skalierbarkeit des Arrays zu erzielen und den Systemaufbau in ein serienreifes und wirtschaftliches Produkt zu überführen. Nichtsdestotrotz werden seitens VEGA weiterhin Forschungsgelder aufgewendet, um eine solche Technologie zur Serientauglichkeit zu führen. Die im Projekt gewonnen Erkenntnisse stellen dennoch eine wertvolle Basis für die zukünftige Entwicklung eines serienreifen MIMO-Radars dar.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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THz Broadband Antenna on GaAs using Laser-structured Fused Silica Matching Layer. 2022 52nd European Microwave Conference (EuMC), 147-150. IEEE.
Kretschmann, Marius; Bohn, Christian; Nuss, Benjamin; Bhutani, Akanksha; Tessmann, Axel; Leuther, Arnulf & Zwick, Thomas
