Mikrowellen-ICs Radarstrahlung per Software programmiert

Bild 1. 96-GHz-FMCW-Radar mit Rekord-Frequenzhub von 6 GHz: alle Mikrowellen-Komponenten auf einem 4 × 2 mm² großen Chip.
Bild 1. 96-GHz-FMCW-Radar mit Rekord-Frequenzhub von 6 GHz: alle Mikrowellen-Komponenten auf einem 4 × 2 mm² großen Chip.

Was macht man, wenn man durch dicksten Nebel oder Rauch blicken will? Man nutzt elektromagnetische Wellen mit Frequenzen, die davon nicht absorbiert werden, sprich Mikrowellen. Die Halbleiterchips, die diese erzeugen und verarbeiten, verzeichnen eine schnelle Weiterentwicklung. Ein ganz neu vorgestellter Typ bietet jetzt eine noch nicht dagewesene Vielseitigkeit.

Nachdem die Radartechnik mittlerweile auf eine rund 80-jährigen Geschichte zurückblickt, nehmen ihre Anwendungen in der letzten Zeit stärker zu als je zuvor. Zu verdanken ist das den Fortschritten bei den ultraschnellen Halbleitern - einerseits SiGe, andererseits GaAs und seiner Abkömmlinge, die mittlerweile Frequenzen bis zu mehreren 100 GHz verarbeiten. Massenanwendungen liegen vor allem im Kfz-Bereich für Abstandswarnung und Einparkhilfen. Die steigenden Stückzahlen haben die Preise sinken lassen, was wiederum die Nachfrage weiter ankurbelt.

Neben Verbesserungen bei der Auflösung ist vor allem vielfältigere Verwendungsmöglichkeit gefordert. Neue Maßstäbe in dieser Richtung setzt ein MMIC, das in einer Kooperation zwischen drei Fraunhofer-Instituten entwickelt wurde: IAF in Freiburg, IPA in Stuttgart und IZM in Berlin. Auf einem einzigen Chip aus GaAs sind alle Mikrowellen-Schaltungsteile vereint. Die Transistoren sind mHEMTs (metamorphic High Electron Mobility Transistor) mit 100 nm Gate-Länge, die im Vergleich zu SiGe-HBTs deutlich rausch-ärmer sind. Damit ergibt sich eine höhere Empfindlichkeit der Empfänger-Eingangsstufe, wodurch man auch weniger Sendeleistung benötigt.

Für Entfernungsmessung mittels Radar sind zwei verschiedene Verfahren üblich: für große Abstände bis in den km-Bereich Pulse mit Festfrequenz und Laufzeitmessung, für kleine (ab einigen Metern) mit einem frequenzmodulierten Dauerstrichsignal (FMCW). Hier wird die Sendefrequenz linear in Form eines „Chirp“ durchgefahren, üblicherweise mit einem Hub von einigen 100 MHz. Der vom Objekt reflektierte Strahl gelangt zurück in den Empfänger und hat wegen der Laufzeit eine etwas andere Frequenz als der ausgesendete. Beide werden gemischt: Es entsteht eine Differenzfrequenz. Diese kann bei sehr kleinen Entfernungen im Audiobereich liegen, bei etwas größeren im MHz-Bereich - abhängig von der Frequenz-Durchfahrgeschwindigkeit (Slew Rate). Frequenz und Hub bestimmen dabei die Messauflösung.

Der neue Chip ist für kurze Entfernungen bis etwa 100 m vorgesehen und nutzt deshalb das zweite Verfahren. Eine der Neuerungen ist der große Frequenzhub von 6 GHz. Dies erfordert eine hohe Mittelfrequenz, hier 96 GHz im W-Band, Wellenlänge etwa 3 mm.

 

Dafür wurde zur Signalerzeugung eine fraktionale PLL-Schaltung in Kombination mit einem Frequenzvervielfacher verwendet. Damit wird das ganze System weitaus flexibler als alle Vorgänger. Sämtliche Parameter (Bandbreite, Slew Rate, Modulationsverfahren, Sendeleistung usw.) lassen sich per Software einstellen. So ist die Art der ausgesendeten Wellen und der Signalverarbeitung optimal an die jeweiligen Anforderungen anpassbar, was die Messmöglichkeiten wesentlich erweitert.

Bild 1 zeigt den am IAF in Freiburg entwickelten Chip. Die Ansteuerung und die niederfrequenten Teile der Signalauswertung übernehmen einige daneben sitzende Silizium-Chips.