Ultrakompakte Radarsensoren für die Industrie

Ein Forschungsprojekt am KIT entwickelt aktuell ultrakompakte Radarsensoren mit einer Auflösung im Millimeterbereich für den industriellen Einsatz.

Im Flugzeug oder auf hoher See sind Radarsensoren schon lange Alltag. Die großen Fortschritte in der Halbleitertechnologie der vergangenen Jahre erlauben nun einen weiteren Schritt der Miniaturisierung. Dafür entwickeln Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF) in Freiburg und dem Industriepartner Vega Grieshaber ultrakompakte Radarsensoren, die modular aufgebaut und sehr gut für die vielseitigen Anforderungen der Industriesensorik geeignet sind.

Eine sehr hohe 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, 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 Grieshaber mit Sitz in Schiltach im Schwarzwald auf die industrielle Verwertbarkeit evaluiert wird.

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. Im Rahmen des Projekts soll ein skalierbarer, hochintegrierter 300 GHz-Radarsensor mit über 50 GHz Bandbreite und damit einer Auflösung im Millimeterbereich entstehen. Die inklusive Linse maximal 10 mm x 10 mm x 7 mm großen Module können auf einer Steuerplatine zu einem sogenannten 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.

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. TDM ist die Abkürzung für Time Division Multiplex, einer Methode zur Signalübertragung.

Dazu werden Linsen aus Keramik und aus einem Kunststoff erprobt, 3D-Druck und Spritzgießen eingesetzt. Das gesamte Bauteil wird genauso groß sein wie die Linse, das heißt 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.

sk