Mehrwert-Dienstleistungen Radarsensoren für Verkehrs- und Beleuchtungs-Applikationen

Im Folgenden werden der Aufbau von Radarmodulen und die Betriebsarten Doppler-, FSK- und FMCW-Modus zur Messung von Geschwindigkeiten, Präsenz und Abstand von Objekten beschrieben. Welche Vor- und Nachteile haben die verschiedenen Verfahren und welche Grenzen für die praktische Anwendung ergeben sich daraus?

Allzu oft verursacht der Begriff „Radar“ ein ungutes Gefühl, nicht zuletzt wegen schlechter Erfahrungen mit der Radarfalle. Jedoch völlig zu unrecht, denn die auf Radarstrahlung beruhenden Sensoren entpuppen sich als zuverlässige Helfer in diversen Alltagssituationen.

Die Eingangstür des Supermarkts wird durch Radarsensoren (Bild 1) überwacht und bei Bedarf geöffnet. Schaltet sich eine Leuchte bei Annäherung wie von Geisterhand automatisch ein, obwohl keine Linse eines PIR-Sensors zu entdecken ist, so versteckt sich sicher irgendwo ein Radarsensor, der – hinter einer Kunststoffblende verborgen – die Lichtsteuerung übernimmt. Auch die dem Autofahrer wohl bekannten Geschwindigkeitsmesstafeln, die – meist an einem Laternenmast angebracht – Autofahrern die aktuelle Geschwindigkeit anzeigen, basieren auf diesem Sensorprinzip.

Moderne Leiterplattentechnologien ermöglichen den Aufbau von Radarsensoren auf Basis von Patch-Antennen, die kostengünstig auf kleinstem Raum Erstaunliches leisten können. Mit nur geringer externer Beschaltung kann ein solcher Sensor Geschwindigkeiten von Objekten bestimmen oder die Präsenz von Personen detektieren. Der gesamte HF-Teil des Sensors ist im Modul integriert. Als Ausgangssignal steht eine niederfrequente Ausgangsspannung zur Verfügung, aus der die gewünschten Informationen extrahiert werden.

Im Weiteren werden zunächst der Aufbau der via Endrich Bauelemente Vertrieb lieferbaren Radarmodule und die Betriebsarten Doppler-, FSK- (Frequency Shift Keying) und FMCW-Modus (Frequency Modulated Continuous Wave) zur Messung von Geschwindigkeiten, Präsenz und Abstand von Objekten beschrieben. Zudem werden Vor- und Nachteile der verschiedenen Verfahren und deren Grenzen für die praktische Anwendung diskutiert.

Im Anschluss folgen typische Anwendungen wie Bewegungsmelder, Sensoren für Türöffner, Verkehrstechnik (z.B. Geschwindigkeitsmesstafeln, intelligente Ampelsteuerung mit Fahrspurüberwachung oder Geisterfahrer-Warnung).

Aufbau der Radarsensoren

Ein Radarsensor (auch Radar-Transceiver genannt) besteht aus einem Oszillator, der Mikrowellen mit der Frequenz 24,125 GHz (im sog. K-Band) erzeugt und mittels einer Patch-Antenne aussendet. Ein Empfänger detektiert über eine zweite Patch-Antenne die an Objekten in der Umgebung des Radarsensors reflektierte Strahlung. Bei bewegten Objekten ist die empfangene Strahlung aufgrund des Dopplereffektes gegenüber der eingestrahlten Welle geringfügig in der Frequenz verschoben. Ein im Radar-Transceiver eingebauter Mischer bildet die Differenzfrequenz (also die Dopplerfrequenz) zwischen der ausgesendeten und der reflektierten Strahlung, siehe Bild 2.

Diese Differenzfrequenz steht dem Anwender als niederfrequentes Spannungssignal am ZF-Ausgang (IF) des Radar-Transceiver zur Verfügung. Es enthält die gesamte Information über die zu detektierenden Objekte. Diese Differenzfrequenz beträgt bei den üblichen Applikationen nur maximal einige kHz, und die Am­plitude des Signals liegt im Bereich von typisch einigen µV.

Manche Modultypen besitzen einen FM-Eingang, der die Möglichkeit bietet, mit Hilfe einer angelegten Spannung die Radarfrequenz in gewissen Grenzen zu verändern. Dieser Eingang wird zum Beispiel für die später näher beschriebenen Verfahren FMCW und FSK benötigt. Er kann auch dazu verwendet werden, um bei der gleichzeitigen Verwendung von mehreren Radarsensoren die Sendefrequenz der einzelnen Sensorenmodule sicher voneinander zu trennen.

Der Abstrahlwinkel von Radarmodulen hängt von der Antennengeometrie ab. Es gilt die Regel, dass der Winkel umso kleiner ist, je größer die Ausdehnung der Antenne in der durch den Winkel aufgespannten Ebene ist. Manche Radar-Transceiver enthalten zwei Mischer, die um 90° verschobene Ausgangssignale liefern (Ausgang I und Q, siehe Bild 3).

Aus der Phasenlage der beiden Signale lässt sich auf die Bewegungsrichtung des Objekts schließen. Die Sendefrequenz der Radarsensoren liegt im sogenannten K-Band zwischen 24 und 24,25 GHz. Dieses Frequenzband ist ein ISM-Band (Industrial, Scientific and Medical). Die Radarmodule sind für dieses Frequenzband zugelassen, und der Anwender der Radarmodule muss keine Genehmigungen zum Betrieb einholen.