Emerging Technologies - Zukunftstechnologien

Hochauflösendes 240-GHZ-Radar mit SiGe-Chip

Foto des Radar-Chips. Die FMCW-Signalerzeugung wird durch einen PLL-stabilisierten Oszillator bei 120 GHz mit nachfolgenden Frequenzverdopplern realisiert. Im rechten Bereich des Chips sind die beiden on-chip-Antennen erkennbar.
© Foto Fraunhofer FHR

Foto des Radar-Chips. Die FMCW-Signalerzeugung wird durch einen PLL-stabilisierten Oszillator bei 120 GHz mit nachfolgenden Frequenzverdopplern realisiert. Im rechten Bereich des Chips sind die beiden on-chip-Antennen erkennbar.

Der Radar-Chip im offenen QFN-Package, welches auf einer FR4-Platine befestigt ist.
© Foto Fraunhofer FHR

Der Radar-Chip im offenen QFN-Package, welches auf einer FR4-Platine befestigt ist.

Foto des gesamten Radar-Sensors. Der Radar-Chip befindet sich unter der dielektrischen Linse. Der Sensor wird über einen USB-Anschluss angesteuert und mit Spannung versorgt.
© Foto Fraunhofer FHR

Foto des gesamten Radar-Sensors. Der Radar-Chip befindet sich unter der dielektrischen Linse. Der Sensor wird über einen USB-Anschluss angesteuert und mit Spannung versorgt.

Zwar ermöglichen hohe Frequenzen oberhalb von 200 GHz feinste Radar-Auflösungen, doch sie waren bisher sehr teuer und aufwendig. Durch SiGe-Chip-Technologie wird dieser Zusammenhang jetzt aufgebrochen.

Höchste Frequenzen für feinste Auflösung

Radar-Sensoren oberhalb von 200 GHz versprechen durch ihre kleine Wellenlänge Auflösungen, die bisher nur Laser-Messsystemen vorbehalten waren. Insbesondere das 240-GHz-Frequenzband ist mit einer Freiraum-Wellenlänge von 1,25 mm durch den zulassungsfreien ISM-Betrieb (2 GHz Bandbreite) besonders attraktiv. Es verspricht nicht nur Entfernungsmessung mit Mikrometer-Genauigkeit und gut fokussiertem Strahl, sondern auch bildgebende Radar-Scanner, die durch SAR-Prozessierung oder Realapertur-Abtastung (in Reflexion oder Transmission) Abbildungen mit Millimeter-Auflösung erreichen. Damit können für die Millimeterwellentechnologie ganz neue Applikationen erschlossen werden. Bei all den überzeugenden Eigenschaften und Potentialen dieser Frequenzbänder stehen dem allerdings klassischerweise eine technologisch sehr aufwendige Hochfrequenztechnik und damit sehr teure Sensoren gegenüber.

240 GHz Radar durch moderne SiGe-Technologie

Durch die Fortschritte moderner Siliziumtechnologien erreichen diese heutzutage Grenzfrequenzen oberhalb von 300 GHz und ermöglichen somit als kostengünstige technologische Basis die Erschließung des oberen Millimeterwellenbereichs. Zur Realisierung eines 240-GHz-Radarsystems fiel die Wahl auf Infineons B11HFC-Technologie. Diese verspricht einerseits durch ihren schnellen SiGe-Bipolar-Transistor ausreichend Hochfrequenz-Performance und verfügt anderseits über zusätzliche Bauelemente, wie eine spezielle pn-Varaktordiode zur breitbandigen Signalerzeugung sowie eine vollständige CMOS-Digitaltechnik für Logikblöcke und Mixed-Signal-Schaltungen. In der etablierten Kooperation zwischen Ruhr-Universität Bochum, dem Fraunhofer FHR und Infineon Technologies konnte so ein 240-GHz-Radarchip entworfen werden, der nicht nur alle hochfrequenten Schaltungsteile zur Erzeugung des Sendesignals enthält, sondern auch den Empfänger und somit das Herzstück eines Radarsystems bildet. Das Radar-Frontend ist auf einen breitbandigen Betrieb optimiert und ermöglicht bis zu 61 GHz breite FMCW-Frequenzrampen und geht damit deutlich über die Auflösung bestehender Radarsysteme hinaus.

Lösung: On-Chip-Antennen

Zwar werden die modernen Transistoren immer schneller und ermöglichen damit immer höhere Frequenzen, doch die Umgebung skaliert leider nicht mit. Während die Signalerzeugung, Leitungen, Koppler und Empfänger bei 240 GHz durch mikroelektronische Integration gut auf einen Chip gebracht werden können, stellt sich die Kontaktierung der Antenne als echte Hürde. Selbst der kürzest mögliche Bonddraht erweist sich bei 240 GHz als so große Induktivität, dass dieser beinahe das komplette Signal reflektiert. Glücklicherweise skaliert die Dimensionierung einer Antenne mit der Frequenz, so dass diese bei 240 GHz kompakt auf einen Chip integriert werden kann. Durch diesen hohen Grad der Integration wird die gesamte Aufbau- und Verbindungstechnik erheblich vereinfacht. Das Bonden der Antenne entfällt daher. Da der Radarchip nur noch mit elektronischen Signalen (<5 GHz) kontaktiert werden muss, können einfache elektronische Gehäuse und Platinen-Materialen verwendet werden. Schlussendlich führt dies also dazu, dass ein 240-GHz-Radar sogar einfacher und kostengünstiger werden kann, als bisherige Millimeterwellen-Sensoren. Der Trend zur Kostensteigerung mit der Frequenz wurde so nicht nur gebremst, sondern sogar umgedreht.

Kompakter Radar-Sensor

Aufbauend auf dem Radar-Chip mit seinen integrierten Antennen für Sender und Empfänger, konnte dieser in einem QFN-Package auf eine gewöhnliche FR4-Platine gebracht werden. Außerdem wurde er um weitere Elektronik-Komponenten zu einem kompakten Radar-Sensor ergänzt. 

Neben dem Radar-Chip sind kommerzielle Elektronik-Komponenten zur Spannungsversorgung, Signal-Stabilisierung im Phasenregelkreis, Digitalisierung des Empfangs-Signals und zur Adaptierung von Schnittstellen (hier USB-Anschluss zum Computer) nötig. Für gerichtete Radar-Messungen wurde eine Plastiklinse über den Radar-Chip platziert, welche gleichzeitig als Radom für den Radarchip fungiert. Mit dem so realisierten Radar-Sensor konnten durch seine Bandbreite von 40 GHz Radarmessungen mit einer Auflösung besser als 4 mm und Entfernungsmessungen mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich demonstriert werden. Die Messdaten werden direkt durch ein USB-Interface an einen Computer geleitet und dort ausgewertet, was einen flexiblen Einsatz ermöglicht.