Für intuitivere HMIs Effizienter 60-GHz-Radarchip am Imec entwickelt

Imecs 60 GHz Radar-Antennenmodul mit Ein-Chip-Radar-Transceiver.
Imecs 60 GHz Radar-Antennenmodul mit Ein-Chip-Radar-Transceiver.

Am Imec wird 60-GHz-Radarchip mit hoher Auflösung und geringer Leistungsaufnahme entwickelt. Die Anwendungsfälle reichen von neuen HMIs für die Konsumelektronik bis hin zur automatischen Überwachung des Herzschlags eines Autofahrers.

Auf der letzten Internationalen Konferenz für Festkörperschaltkreise (ISSCC) in San Francisco hat das belgische Forschungszentrum Imec eine neuartige, extrem genaue Phasenregelschleife (PLL) mit geringer Leistungsaufnahme für frequenzmodulierte Dauerstrich-Radare (FM-CW) vorgestellt. Diese PLL wird der Schlüsselbaustein für ein Millimeterwellen-Bewegungserfassungsradar bei 60 GHz (siehe Titelbild) sein. Wenn ein Benutzer vor dem Radarbaustein die Hand bewegt, werden  Position und Geschwindigkeit in Echtzeit visualisiert. Das HF-Frontend des Radars ist vollständig in einen 28-nm-CMOS-Chip integriert.

Die Radartechnik hat sich erheblich weiterentwickelt. Vor zehn Jahren begann am Imec ein Forschungsprojekt für die Entwicklung von energieeffizienteren, kleineren und kostengünstigeren Radarsensoren. Der Durchbruch gelang durch die Integration in die allgemein verfügbare CMOS-Technik. Seither lassen sich Millimeterwellen-Radare zu einem geringen Stückpreis in Großserie produzieren. Das wachsende Produktionsvolumen für Automotive-Radarsensoren trug dazu bei, die Kosten weiter zu senken.

Smartphonemarkt als Sprungbrett

Demnächst werden Radarchips in Wearables, Mobiltelefone und Drohnen integriert und als IoT-Sensoren genutzt. Google hat bereits ein von Infineon entwickeltes 60-GHz-Radar in das Smartphone »Pixel 4« integriert und stellt darüber eine berührungslose Gestensteuerung bereit. Es ist das erste Radar in einem Smartphone. Barend van Liempd, Leiter des Radarprogramms beim Imec, schätzt es als ein »schönes technisches Vorzeigeprojekt« ein, dem für eine größere Verbreitung der Radartechnik nun weitere Schritten folgen müssen: »Wir wollen einen Fortschritt erzielen, indem wir CMOS statt Silizium-Germanium wählen.« Der Transceiver kann dann in den digitalen Postprozessor integriert werden, der die Geschwindigkeits- und Leistungsvorteile von skaliertem CMOS bietet.

»Wenn ein Radarchip in ein Mobiltelefon integriert werden kann, dann kann er auch in andere Geräte integriert werden«, meint van Liempd. Als mögliche Anwendungen sieht er unter anderem HMIs in AR- und VR-Systemen und die Interaktion mit Hologrammen. Gestenerkennung über Radar könne auch eine Alternative zu Maus und Tastatur darstellen. Ein Radarsensor kann die Bewegung der Handfläche verfolgen, um eine Interaktion auf dem Bildschirm zu ermöglichen, oder die Tastenanschläge registrieren, während der Benutzer auf einem Schreibtisch tippt.

Einen großen Markt sieht van Liempd bei HMIs für Unterhaltungselektronik. Um Radartechnik auch in Smart Watches, Drohnen und Smartphones der nächsten Generation zu integrieren, muss die Leistugnsaufnahme deutlich reduziert werden. An dieser Aufgabe wird am Imec viel Forschungskapazität investiert. Mit der vorgestellten PLL, die nur 12 mW Leistung benötigt und ein sehr geringes Rauschen und hohe Linearität bietet, ist bereits ein großer Schritt getan.

Breite Anwendungsfälle für 60-GHz-Radar

Ein Radar, das mit einer niedrigeren Frequenz arbeitet, benötigt in der Regel einen geringeren Betriebsstrom, hat aber eine geringere Auflösung. Ein 24-GHz-Radar kombiniert beispielsweise eine geringe Stromaufnahme mit einer moderaten Auflösung und ist relativ groß. Für die präzise Erfassung von Mikrobewegungen ist ein Radar, das im Frequenzbereich von 140 GHz arbeitet, besser geeignet: Der Radarsensor hat eine hohe Auflösung, kann kompakt und kostengünstig gefertigt werden, benötigt dafür aber einen höheren Betreibsstrom.

Zwischen diesen beiden Verianten liegt das 60-GHz-Radar. Es  kann zur Erkennung von Personen, Gesten sowie zur Verfolgung von Vitaldaten eingesetzt werden. Gegenüber dem 79-GHz-Band, das für Anwendungen in der Automobilindustrie reserviert ist, hat das Frequenzband um 60 GHz den Vorteil, dass es sich um ein lizenzfreies ISM-Band handelt und allen Branchen zur Nutzung offen steht.