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Mess- und Prüftechnik/mm-Wellen-Technik

Körperscanner

20. Juni 2017, 9:33 Uhr | Dr. Sherif Sayed Ahmed, Leiter Mikrowellen-Bildgebung & -Systeme, Rohde & Schwarz, München

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Applikationsspezifische Geräteentwicklung

Beim R&S QPS-System befelden die einzelnen Sender nacheinander das Volumen vor der Anlage. Die daraus resultierenden, komplexen reflektierten Signale werden von allen Empfangskanälen gleichzeitig und kohärent aufgenommen. Das System verarbeitet die erfassten Daten, berechnet die Reflexionen und führt eine Systemfehlerkorrektur durch.

Bilderkennungsalgorithmen analysieren diese rekonstruierten Bilddaten nahezu in Echtzeit. Diese Algorithmen werden zudem durch maschinelles Lernen kontinuierlich optimiert. Zur Umsetzung des Systems wurde eine neuartige Signalquelle entwickelt, die kohärente HF- und Empfänger-LOSignale (LO = Lokaloszillator) erzeugt, welche für den kohärenten Betrieb der Sende- und Empfangsbaugruppen notwendig sind (Bild 2).

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Die Signalquelle arbeitet mit einer direkten digitalen Signalerzeugung (Direct Digital Synthesis, DDS) und einem temperaturgeregelten Quarzoszillator (Oven-Controlled Crystal Oscillator, OCXO), um eine hohe Phasenstabilität zu erzielen.
Nach der DDS wird die Sendesignalfrequenz in den 20-GHz-Bereich multipliziert
und zu den Clustern geleitet. Nach Erreichen des jeweiligen Chips werden die HF- und LO-Signale vervierfacht und mit der Betriebsfrequenz in jeden der vier Kanäle eingespeist. Die Antennenkonstruktion ist platzsparend, für hohe Bandbreiten optimiert und hat einen differenziell gespeisten Dipol, resonante Aperturschlitze sowie ein Patch-Element.

Hochintegrierte HF-Frontends

Entscheidende Voraussetzung für die Herstellung eines großen Körperscanners mit mehreren Bildgebungsclustern, die zusammen ein System mit über 12.000 Kanälen bilden, war ein hoher Integrationsgrad des HF-Frontends.

Rohde & Schwarz hat in Zusammenarbeit mit Infineon einen speziellen Frontend-Chipsatz entwickelt.

Dieser enthält als MMICs (Monolithic Microwave ICs) implementierte 4-Kanal-Sender- und Empfänger-Chips. Hierfür wird ein kosteneffektives bipolares SiGe:C-Verfahren angewandt. Diese Chips (2,2 mm × 2 mm, Bild 3) bieten die Performanz zur simultanen, millisekundenschnellen Durchführung der beidseitigen Scans, mit den für ein praxistaugliches Flughafen-Kontrollsystem notwendigen hohen Durchsatzraten.

Jeder Chip kann über eine einzige 3,3-Volt-Versorgung mit einer Mittenfrequenz von 75 GHz und einer Bandbreite von 10 GHz betrieben werden. Die Leistungsaufnahme
pro Kanal liegt bei etwa 150 mW für den Sender und 180 mW für den Empfänger bei voller Aktivierung.

In die Geräte sind auch Dünnschichtwiderstände und ein Metall-Isolator-Metall-Kondensator mit Al2O3-Dielektrikum integriert. Auf längere Sicht könnte eine CMOS-basierte Lösung in Betracht kommen. Dazu müssen jedoch entsprechend leistungsfähige CMOS-Bausteine für diese Frequenzen und Bandbreiten verfügbar sein.
Darüber hinaus enthält der Millimeterwellenscanner eine für diese Zwecke entwickelte digitale Backend-Einheit, die parallele Kernel für die A/D-Umwandlung
und Bildrekonstruktion umfasst (Bild 4).

Vier Cluster mit Signalverteiler, Kühlkomponenten, Spannungsversorgung und Mechanik bilden zusammen eine Einheit. Vier dieser Einheiten werden an eine zentrale Baugruppe angeschlossen und stellen dann ein vollständiges Array dar. Zwei derartige Arrays sind über schnelle PCI-Express-Schnittstellen mit einem Industrierechner verbunden.

Das Ergebnis ist ein vollständiges Bildgebungssystem, das beidseitige Scans gleichzeitig durchführen kann. Da die Zuverlässigkeit der Gefahrendetektion
das entscheidende Kriterium der Systemleistung ist, wurde bei der Anlage selbst der Boden unter den Füßen der Personen technisch auf Signalausbeute an der Empfängerantenne optimiert: Der Boden besteht aus einer von einer Metalloberfläche
begrenzten dielektrischen Schicht.

Dadurch wird die Polarisierung reflektierter Signale gedreht, was eine Co-Polarisierung an der Empfängerantenne bewirkt. Der spezielle Boden dient als Spiegelungsfläche, um den Ausleuchtungsbereich des Systems zu erweitern und die Erkennungsgenauigkeit um die Fußknöchel zu verbessern.