Sevda Abadpour und Axel Diewald vom Institut für Hochfrequenztechnik und Elektronik (IHE) des KIT positionieren einen Chip auf einer Platine. Gerade bei einer Größe im Mikrometerbereich muss alles perfekt ausgerichtet sein. Joachim Hebeler, KIT

Sevda Abadpour (r.) und Axel Diewald vom Institut für Hochfrequenztechnik und Elektronik (IHE) des KIT positionieren einen Chip auf einer Platine. Gerade bei einer Größe im Mikrometerbereich muss alles perfekt ausgerichtet sein. Joachim Hebeler, KIT

Enorme Fortschritte in der Halbleitertechnologie der vergangenen Jahre ermöglichen eine fortschreitende Miniaturisierung. Davon könnten auch Radarsensoren profitieren. Hintergrund: Ist bei Radarsensoren aufgrund einer kurzen Wellenlänge die Integration von Antennen auf Chips oder im Chipgehäuse umsetzbar ist, könnte eine bisher unerreichte Auflösung erzielt werden. Allerdings wurde die Erschließung des Frequenzbereichs oberhalb von 100 GHz bisher durch extrem komplexe Aufbau- und Verbindungstechnik erschwert, was für lange Zeit eine Limitierung auf dem Weg zu kostengünstigen integrierten Modulen darstellte.

Abmessungen im Millimeterbereich

Im Rahmen des Projekts SATIRE („Skalierbares THz-Miniaturradar für Industrieanwendungen“) soll nun ein skalierbarer, hochintegrierter 300 GHz-Radarsensor mit über 50 GHz Bandbreite und damit einer Auflösung im Millimeterbereich entstehen. Die, inklusive Linse, maximal 10 x 10 x 7 mm3 großen Module können auf einer Steuerplatine zu einem MIMO-System („Multiple Input Multiple Output“, Verfahren für die Nutzung mehrerer Sende- und Empfangsantennen zur drahtlosen Kommunikation) verschaltet sowie einzeln eingesetzt werden. Dadurch eignen sich die Module besonders gut für die vielseitigen Anforderungen der Industriesensorik. „Das Projekt nutzt auch die technologischen Möglichkeiten durch das Forschungslabor Mikroelektronik Deutschland am KIT“, sagt der Präsident des KIT, Professor Holger Hanselka. „Als dritte Säule neben Forschung und Lehre steht Innovation am KIT für den anwendungsorientierten Charakter der Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten.“

Radarsensoren mit Frequenzen oberhalb von 100 GHz

Radarsensoren bei Frequenzen oberhalb von 100 GHz haben ein enormes Potenzial als Ergänzung zu vorhandenen optischen Sensoren, ob Kamera oder Lidar. „Sie erlauben zum einen eine gute Auflösung bei gleichzeitig hoher Robustheit, zum Beispiel gegenüber Rauch oder Staub“, erläutert Professor Thomas Zwick, Projektleiter und Leiter des Instituts für Hochfrequenztechnik und Elektronik (IHE) am KIT. Zum Erreichen einer Auflösung im Millimeterbereich muss die Schaltung eine Ausgangsbandbreite von mindestens 50 GHz mit ausschaltbarem Sender für den TDM-MIMO-Betrieb besitzen („Time Division Multiplex“, Methode zur Signalübertragung). Dazu erproben die Forscher Linsen aus Keramik sowie aus einem Kunststoff und setzen 3D-Druck sowie Spritzgussverarbeitung ein.

Das gesamte Bauteil wird genauso groß sein wie die Linse, also Abmessungen von maximal 10 mm besitzen. „Mit unserem Mini-Radar verbessern wir nicht nur die Messleistung, sondern auch die industrielle Fertigbarkeit“, so Zwick. Die geringe Größe und die präzise Messung eröffnen dabei neue Einsatzmöglichkeiten. Zudem ermöglicht die Architektur mit Vervielfachern und externem Lokaloszillator sowie abschaltbarem Sender das Zusammenschalten mehrerer Radarsensoren auf einer Platine zu einem MIMO-Radar. So entsteht ein vielseitig einsetzbares Radar-Frontend, das sich skalierbar auf unterschiedliche Systeme anpassen lässt und essenziell für Industrieanwendungen ist, da hier eine große Vielzahl an Anwendungen bedient werden muss. Der stark ausgerichtete Praxisbezug ist Kennzeichen des Projekts, bei dem Unternehmen die Möglichkeit erhalten, schon früh an Innovationen aus der Forschung zu partizipieren – in diesem Fall Vega.

Das Projekt Satire in Kürze

Im Projekt „Skalierbares THz-Miniaturradar für Industrieanwendungen“, kurz SATIRE, werden Varianten aus dem Projekt „Real100G.RF“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) mit Schaltungen des Fraunhofer IAF zusammengebracht. Hauptziel von Real100G.RF ist die Nutzung von silizium-basierten Schaltungen zum technologischen Durchbruch in der drahtlosen Kommunikation mit mehr als 200 GHz Trägerfrequenz. Bei SATIRE sind die Projektleitenden Professor Thomas Zwick vom KIT, Dr. Arnulf Leuther vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF), Freiburg, und der Anwendungspartner Vega Grieshaber aus Schiltach. SATIRE ist eines von sechs trilateralen Projekten, die von der DFG und der Fraunhofer-Gesellschaft (FhG) gefördert werden. Ziel ist der Transfer von wissenschaftlichen Erkenntnissen in die Wirtschaft. Im trilateralen Projekt können Unternehmen früh an Innovationen aus der Forschung partizipieren. Die sechs Projekte, bei denen Hochschulen, Fraunhofer-Institute und Unternehmen miteinander kooperieren, werden von der DFG und der Fraunhofer-Gesellschaft drei Jahre lang mit insgesamt rund fünf Millionen Euro gefördert.