Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHRRadar ist der wichtigste Sensor für autonomes Fahren. Ein hohes räumliches Auflösungsvermögen wird nach dem multiple-input/multiple-output (MIMO) Prinzip durch eine große Anzahl von Antennen erreicht, welche alle jeweils mit einzelnen Toren integrierter Radar-ICs verbunden werden müssen. Bei der Auslegung der komplexen hochfrequenztechnischen Verbindungsnetzwerke stoßen die bisher verwendeten Leiterplattentechnologien an ihre Grenzen.
Aus Kostengründen wurden in der Vergangenheit als Antennenelemente meist gedruckte Strahlerelemente wie Mikrostreifenantennen oder oberflächenintegrierte (SIW), geschlitzte Hohlleiter eingesetzt, da diese monolithisch mit den Radar-MMICs und evtl. weiteren Elektronikbauelementen auf derselben gedruckten Leiterplatte integriert werden können. Das Fraunhofer FHR verfügt über einen großen Erfahrungsschatz in Bezug auf diese Standardansätze, auch in Kombination mit neueren Technologien wie strukturierten Absorbern und Electromagnetic Bandgap- (EBG) oder Metaoberflächen. Bei einer sehr großen Anzahl von Antennenelementen wie die aktuellen Generationen der Radarsensoren sie verwenden möchten, wird die Führung der Hochfrequenzleitungen zwischen MMICs und Antennen allerdings zu einer großen Herausforderung. Eine Lösung auf Basis gedruckter, mehrlagiger Schaltungen scheint aufgrund der dazu nötigen großen Anzahl von Lagen, Lagenwechseln und insbesondere der Leitungsverluste unrealistisch.
Fraunhofer FHR entwickelt innovative Antennenlösungen
In den letzten Jahren hat sich das Fraunhofer FHR mit diversen alternativen Leitungs- und Antennentechnologien auseinandergesetzt. Am Anfang standen gefräste, metallische Hohlleiter und Sektorhornantennen. Das komplexe Speisenetzwerk zwischen MMICs und Antennen wurde als Schichtaufbau zunächst in Aluminium realisiert. Eine speziell angepasste Abdeckung aus radarabsorbierendem Material der nicht genutzten Bereiche auf der Antennenseite der Hohlleiterschaltung sollte die Installation eines Radoms und die Integration in ein Fahrzeug vereinfachen. Die Vollwellensimulation und die Vermessungen der Antenneneigenschaften haben eine hohe Strahlungseffizienz, geringe gegenseitige Antennenverkopplung und sehr störungsarme Strahlungsdiagramme ergeben. Radarexperimente des Industriekunden verliefen sehr positiv.
In einem nächsten Schritt wurden mehrlagige Speisenetzwerke basierend auf Rechteckhohlleitern aus metallisierten Kunststoffteilen untersucht. Diese zeigten keine Nachteile im Vergleich zu den rein metallischen Vorgängern. Da die einzelnen Rechteckhohlleiter in mehrlagigen Netzwerken allerdings jeweils aus zwei Teilen zusammengesetzt werden müssen, zwischen denen ein guter elektrischer Kontakt sicherzustellen ist, ist diese Ansatz Anfällig für zu große Herstellungstoleranzen. Dem wird oft durch Verwendung von leitenden Klebern entgegengewirkt.
Gap waveguide Ansatz zeigt vielversprechende Ergebnisse
Ein neuartiger Ansatz setzt seit einigen Jahren auf sog. gap waveguides, d.h. Wellenleiter, deren seitliche Wände durch periodische Strukturen mit speziell entworfenen Bandlücken ersetzt werden, sodass kein elektrischer Kontakt zwischen den beiden Teilen, die zu einem Wellenleiter zusammengesetzt werden, mehr notwendig ist. Mit dieser neuen Technologie hat das Fraunhofer FHR bereits umfangreiche theoretische und praktische Erfahrungen sammeln können, die auch die Übergänge zwischen Leitungen auf unterschiedlichen Schichten und zu Standardwellenleitern einschließen.
