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DESIGN&ELEKTRONIK 06 2020 17 Bild ktsdesign Adobe Stock On-Chip-Radarsensoren Messtechnik Radar geht auch viel kleiner Mit Parabolantennen vergangener Zeiten haben On-Chip-Radarsensoren äußerlich nichts mehr gemein Sie arbeiten mit hohen Frequenzen und Antennen sowie HF-Elektronik befinden sich auf einem kleinen Chip Für Hightech-Anwendungen sind hochkomplexe Multi-AntennenSysteme erhältlich aber es gibt auch einfache kostengünstige Sensoren Letztere können zwar nur Bewegungen detektieren aber mit ein wenig mehr Designaufwand sind sie für erstaunliche Messungen einsetzbar die mit anderen Verfahren so kaum möglich sind Prof Dr -Ing Matthias Göbel Projektleiter Peter Rasmussen Managing Director beide Embedded Brains erzielende Genauigkeit enorm Mit einem 120-GHz-Radar lässt sich bei zwei Metern Messabstand eine Abstandsänderung von 20 Mikrometern erfassen was einer Änderung des Zeitversatzes um kaum mehr als 0 1 Pikosekunden entspricht Dies gelingt technisch durch Phasenvergleich der benutzten HF-Oszillatoren Aus der Stärke des reflektierten Signals kann grob auf die Größe des Objekts geschlossen werden Die Genauigkeit dieser Messgröße ist insofern eingeschränkt als dass die Signalamplitude stark von der Entfernung und von Form und Material des Objekts abhängt Etwas schwieriger ist die Messung der Richtung eines Objekts In der Regel wird dies durch eine starke Bündelung des Radarstrahls in Kombination mit dem räumlichen Abtasten durch eine bewegte Antenne bewerkstelligt Dieser Aufbau mit einer sich drehenden Parabolantenne ist allerdings mechanisch aufwendig und daher für Miniatursensoren weniger geeignet Eine Richtungserkennung auf elektrischer Basis lässt sich realisieren indem mehrere räumlich versetzte Antennen zum Einsatz kommen Je nach Einfallsrichtung des gesendeten beziehungsweise reflektierten Signals sind die Verzögerungen geringfügig unterschiedlich womit sich auf die Richtung schließen lässt Dies setzt allerdings einen ausreichend breiten gestreuten Radarstrahl voraus weswegen eine Richtungserkennung nur über nicht allzu große Entfernungen möglich ist Ebenso ist es schwierig verschiedene Objekte zu unterscheiden Sind die Objekte unterschiedlich weit entfernt lassen sich die nacheinander eintreffenden Reflexionen unterscheiden und auch hinsichtlich diverser Richtungen auswerten Wegen der winzigen Zeitunterschiede setzt dies jedoch eine sehr aufwendige Signalauswertung voraus Darüber hinaus verschwindet der Zeitunterschied bei mehreren Objekten in gleicher Entfernung aber unterschiedlicher Richtung Um uneindeutige Messungen beziehungsweise die Detektion von Phantomobjekten zu vermeiden benötigt man eine größere Zahl von Sendeund oder Empfangsantennen sogenannte MIMOSysteme Multiple-Input Multiple Output ■ Anwendungsbereiche von Radar Am einfachsten gelingen Abstandsund Geschwindigkeitsmessungen im freien Raum Tabelle 1 Seit Langem kommt Radar daher in der Luftraumund Versehr klein ist Die gemessene Signalstärke nimmt mit der vierten Potenz zur Entfernung ab jeweils quadratisch für die gesendete Welle und die reflektierte Welle Die Sendeleistung lizenzfreier Radarsensoren ist in den meisten Frequenzbändern auf 100 mW begrenzt daher bewegen sich die gemessenen Signale im nV-Bereich Höhere Ansprüche werden an die zeitliche Genauigkeit gestellt Da die Signalausbreitung mit Lichtgeschwindigkeit erfolgt liegt die Verzögerung zwischen Sendeund Empfangssignal bei einem Meter Entfernung bei lediglich 0 006 Mikrosekunden Dennoch ist die zu Radar arbeitet ähnlich wie Echolot Elektromagnetische Wellen werden ausgesandt die Objekte reflektieren das zurückgestrahlte Signal wird dann gemessen Aus der Laufzeit zwischen dem gesendeten Signal und der empfangenen Reflexion lässt sich die Entfernung bestimmen aus der Frequenzverschiebung die Bewegung beziehungsweise Geschwindigkeit Diese beiden Messgrößen sind die genauesten die sich messen lassen Dabei sind die eingesetzten Frequenzen hoch üblich sind 1 GHz bis 300 GHz während das Messsignal www designelektronik de