Highly Integrated 3D-Radar System at 240GHz
Final Report Abstract
Durch die Toleranz von Radarsystemen hinsichtlich widrigen Bedingungen, wie beispielsweise Rauch oder Staub, bieten sie einen entscheidenden Vorteil gegenüber den verbreiteten optischen Sensoren. Durch die neuen Möglichkeiten der Fertigungstechniken im Bereich der Millimeterwellenschaltungen werden hochintegrierte Radarsysteme vorstellbar, die nur noch einen Bruchteil des Platzbedarfs heutiger Radare benötigen. Ziel des Projekts war es, auf Basis eines Konzepts aus frequenzschwenkenden Antennen in einem hybriden 2D Antennensystem, ein hochintegriertes Millimeterwellen-Radar zu entwickeln, welches 3D Messungen ermöglicht. Zunächst wurden verschiedene Konzepte frequenzschwenkender Antennen untersucht. Antennen deren Funktionsweise zwingen auf Durchkontaktierungen angewiesen sind wurden ausgeschlossen, da diese bei hohen Millimeterwellen Frequenzen und der angestrebten Fertigung auf Standardsubstrat nicht mit der nötigen Genauigkeit und Größe hergestellt werden können. Daher wurden frequenzschenkende Antennen auf Basis des holographischen Prinzips untersucht. Dabei wurden sowohl Antennen ohne rückseitige Metallisierung und einer TE0 Mode als auch Antennen mit rückseitiger Metallisierung und einer TM0 Mode berücksichtigt. Beide bieten in gewissen Situationen Vorteile, so können Antennen mit TM0 Mode wesentlich besser in Richtung Broadside abstrahlen während TE0 Antennen hier im Gewinn deutlich einbrechen. Umgekehrt lassen sich mit TE0 Antennen höhere Gewinne erzielen. Um die Nebenkeulen Unterdrückung zu optimieren wurden Hologramme mit Aperturbelegung realisiert. Um die passive Antenne mit den aktiven Komponenten verbinden zu können wurden Wirebond Verbindungen verwendet. Dabei wurden bewertet ob eine möglichst kurze Verbindung oder selbstkompensierte ʎ/2 und ʎ Verbindungen besser geeignet sind. Eine möglichst kurze Verbindung setzt einen gewissen konstruktiven Aufwand voraus, da schon der Unterschied zwischen unterschiedlichen Substrathöhen starken Einfluss nimmt und ausgeglichen werden muss. Anschließend ist die Bondverbindung auch auf halbautomatischen Bondplätzen beispielsweise für Kleinserien zuverlässig herstellbar. Demgegenüber sind selbstkompensierte Bondverbindungen in der Lage Höhenunterschiede und kleine laterale Versätze auszugleichen, müssen aber in der Länge sehr genau gefertigt werden und sind daher besser für vollautomatische Bondmaschinen geeignet. An einem Prototyp bei 60 GHz konnte das Systemkonzept und die Signalverarbeitung erfolgreich verifiziert werden. Die vom FMCW Radar erzeugten Basisbandsignale werden durch eine Zeit- Frequenzanalyse verarbeitet. Dafür wurden sowohl klassische Verfahren wie die Kurzzeit-Fourier-Transformation, wie auch modernere Verfahren wie die Wavelet Transformation und die Wigner-Ville Transformation in Betracht gezogen. Die Kurzzeit-Fourier-Transformation bietet vergleichbare Ergebnisse mit einem etablierten Verfahren und ermöglicht durch die Parametrierbarkeit mittels unterschiedlicher Fensterformen und längen die Signalprozessierung an die jeweiligen Gegebenheiten anzupassen. So kann wahlweise die radiale oder die laterale Auflösung auf Kosten der jeweils anderen verbessert werden. Um erste Untersuchungen für die Aufbautechnik der Gruppe Zwick zeitnah zu ermöglichen wurde zunächst am ILH ein Einkanal-Frequenzverdreifacher MMIC für den Ausgangsfrequenzbereich um 240 GHz entwickelt, hergestellt und messtechnisch charakterisiert, wobei Ausgangsleistungen bis 2 dBm erreicht wurden. Die Herstellung und Vermessung eines Prototyps des Radarsenders mit diesem Verdreifacher konnte die Anwendbarkeit des Konzepts bei 240 GHz zeigen. Für die Untersuchung der aktiven Schalter, als Vorstufe für phasensteuernde Netzwerke, wurde im Frequenzbereich um 240 GHz ein neuartiger, aktiver SP4T Schalter-MMIC entworfen und eine maximale Verstärkung von 2.2 dB bei einer 3dB Bandbreite von 40 GHz erreicht. Die erreichte Isolation beträgt, abhängig vom Schaltzustand, mindestens 10 dB. Dieser Schalter wurde als Speisenetzwerk für ein strahlschwenkendes Antennenarray mit einer Butler Matrix kombiniert. Beim Design der Butler Matrix wurde ein fehlerhaftes Layout als Grundlage verwendet, was dazu führt, dass die mittleren Ausgangsports vertauscht sind. Dennoch konnten aus den prozessierten Schaltungen wertvolle Erkenntnisse, insbesondere in Bezug auf das Amplitudenverhalten bei nicht simultan abgeschlossen Ports gewonnen werden. Zeitgleich wurde ein Transmitter MMIC als Kombination des entwickelten Frequenzverdreifachers und der Speisenetzwerkstufe basierend aus aktivem Schalter und Butler Matrix realisiert. Die Messergebnisse dieses Chips zeigen Ausgangsleistungen der vervielfachten Eingangsfrequenz von über 17 dBm pro Ausgangsport, was im realen System zu mehreren Metern Reichweite führen sollte. Durch das Projekt stehen nun Antennen und Systemkonzepte inklusive derer Vor- und Nachteile sowie Grenzen zur Verfügung, um hochintegrierte 3D Radarsensorik aufzubauen. Zudem wurden geeignete Verbindungstechniken gefunden um die einzelnen Systemkomponenten in einem gemeinsamen System aufzubauen. Die Konzepte sind sowohl bei 60 GHz also auch 240 GHz durch Prototypen verifiziert. Ein Prototyp eines vollständigen Radars konnte nicht mehr realisiert werden.
Publications
- 2014 “Integrierte, planare Leckwellenantennen für 3D-Millimeterwellen-Radarsysteme basierend auf dem holografischen Prinzip”, Karlsruher Forschungsberichte aus dem Institut für Hochfrequenztechnik und Elektronik
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