Radarsensoren Mehr sehen als mit Licht

Dr. Ahmad Bahai, Technikchef bei Texas Instruments und Direktor des TI Corporate Research, Kilby Labs.
Dr. Ahmad Bahai, Technikchef bei Texas Instruments und Direktor des TI Corporate Research, Kilby Labs.

Mit monolithisch in CMOS integrierten Radarsensor-SoCs sinken Aufwand und Kosten für Radarsysteme. Damit werden unzählige neue Radarapplikationen denkbar, die unsere Augen erweitern, so Dr. Ahmad Bahai, Technikchef bei Texas Instruments und Direktor des TI Corporate Research, Kilby Labs.

Schon seit längerem träumen viele technisch führende Unternehmen von einer hochintegrierten Radartechnik, die präzise Messungen erlaubt und von keinerlei Umgebungsrauschen beeinträchtigt wird. Bei Radar denken die meisten an alte Radarbildschirme, auf denen selbst große Flugzeuge nur als winziger Punkt erschienen. Ganz anders ist es mit den Millimeterwellen-Radarsensoren von Texas Instruments, die als Radarsensorsystem-on-Chip ein einzigartiges Konzept verkörpern: Objekte werden hier mit ihren detaillierten Umrissen sichtbar und lassen sich klassifizieren. Schließlich sagt ein Bild mehr als tausend Worte.

Maschinen, die in der Lage sind, Hindernisse auch bei Staub, Dunkelheit, Nebel oder Regen zu umgehen. Ein Sicherheitssystem, das Einbrecher durch Wände hindurch sehen kann. Drohnen, die Freileitungen erkennen können, die mit bloßem Auge nicht zu sehen sind. All diese Szenarien sind mit Radarsensoren realisierbar – und noch mehr: Denkbar sind auch ein winziges Radar an der Spitze eines Operationswerkzeugs, das Biomassen detektieren kann; ein winziger Sensor, der Arterienwände oder die Bewegungen von Stimmbändern überwachen kann.

Voraussetzung für solche sehenden Maschinen – in Anwendungen wie der Automobiltechnik, der Fabrik- und Gebäudeautomation oder der Medizintechnik – sind mehrere, einander ergänzende Messverfahren, die in der Regel zur präzisen Abbildung von Objekten eingesetzt werden.

Bei aktiv sendender Radarsensorik geht es darum, eine Welle oder mehrere Wellensequenzen auszusenden und die dabei erzeugten Reflexionen intelligent auszuwerten und bildlich darzustellen [1].

Die Karten werden neu gemischt

Die Radartechnik ist natürlich nichts Neues mehr. Die im zweiten Weltkrieg erfundene Technik hat seit damals ein immenses Anwendungsfeld erobert. Über die ursprünglichen militärischen Einsatzgebiete hinaus wird Radar inzwischen nicht nur für die Verkehrslenkung in der Luft und am Boden genutzt, sondern auch für die Kartierung am Boden und unterirdisch, für Wettervorhersagen und auch für Fahrassistenzsysteme im Auto. Ja sogar für medizinische Überwachungszwecke greift man auf die Distanzmessung mit elektromagnetischen Wellen zurück.

Mit niedrigeren Frequenzen arbeitende Techniken, wie etwa die ultraschallbasierte Entfernungsmessung und Bildgebung, sind aufgrund ihres niedrigen Preises weit verbreitet, allerdings auf kurze Distanzen beschränkt.

Radar arbeitet in einem großen Frequenzbereich, der von unter 300 MHz bis ca. 300 GHz reicht. In Automobilanwendungen werden in großem Umfang Frequenzen im Bereich von 76 bis 81 GHz genutzt, in industriellen Applikationen dagegen wird 60 GHz verwendet.

Bei niedrigen Frequenzen werden die elektromagnetischen Wellen weniger stark gedämpft. Niederfrequente Radarsysteme können daher sehr große Distanzen überbrücken, benötigen dafür aber eine große Antenne oder gar mehrere Antennen, um die begrenzte Genauigkeit und Winkelauflösung zu kompensieren.

Bei höheren Frequenzen nimmt zwar die Dämpfung zu, aber auch die Auflösung und die Genauigkeit verbessern sich. Ebenso wird bei höheren Frequenzen die Integration der Transceiver, des Basisband-Teils und der Antenne immer praktikabler.

Bisher schied die Verwendung von Radartechnik in vielen Automobil- und Industrie-Anwendungen aus, weil sie zu teuer, zu komplex und zu ungenau war. Mit einem auf einem Chip monolithisch integrierten Radarsensorsystem hat Texas Instruments nun diese Nachteile beseitigt – und die Karten neu gemischt.

Einfach anzuwenden: Radarsensor-System-on-Chip

Der Einsatz der Radartechnik setzte einst umfangreiche Entwicklungskompetenz und Fachkenntnisse im Bereich der Hochfrequenztechnik voraus. Das Integrieren einer geeigneten Antenne mit der richtigen HF- und Analogtechnik, einem digitalen Prozessor und einem passenden Interface führte zu einer teuren und durchaus anspruchsvollen Schaltungsentwicklung.

Das in einem SoC integrierte Radarsensorsystem aber ebnet jetzt den Weg zu vielen kreativen, plug-and-play-fähigen Anwendungen. Abgesehen von zahlreichen standardmäßigen Automobil-Anwendungen können auch viele industrielle und kommerzielle Applikationen umgehend von dem einfach einsetzbaren Radarsensor-SoC profitieren.

Die Radarsensor-SoCs bieten Entwicklern Effizienz und Komfort, auch dank der Integration eines DSPs und eines Mikrocontrollers, die sie für vielfältige Zwecke einsetzen können – auch als Plattform für lokale Anwendungen und Analysen. Sie ermöglichen beispielsweise auch eine Korrektur von Anomalien in der HF-Eingangsstufe in Echtzeit, um die Leistungsfähigkeit des Radarsensorsystems insgesamt zu verbessern.

Denkbare Anwendungen sind zum Beispiel:

  • Eine Drohne mit eingebautem Radarsensor, die in der Landwirtschaft die Qualität des Bodens und der Frucht erfassen kann.
  • Radarsensoren, die in einem Tank zum Lagern von Chemikalien den Füllstand und die Dampfdichte ermitteln.
  • Ein Radarsensor, mit integrierter Signalanalyse, kann Menschen detektieren, zählen und ihre Bewegungen auswerten – ohne zusätzliche Prozessorschaltung.
  • Ein sehr kleiner Radarsensor eignet sich dafür, den Herzschlag und die Atmung eines Patienten zu erfassen.
  • Mehrere, in einem Pflaster platzierte Radarsensoren können die Kerntemperatur des Körpers und die Arterienwände beim Herzschlag detektieren.
  • Als Ersatz der Ultraschallsensoren in einer Auto-Stoßstange zur Abstandsmessung lassen sich gleichzeitig weitere Funktionen realisieren, wie z.B. die Detektion von Eis auf der Fahrbahn.