Ursprünglich benötigte die Industrie für jede Anwendung einen ganz eigenen Radarsensor. Die Füllstandserkennung von Flüssigkeiten und Feststoffen für zahlreiche Marktbranchen (Bild 1), die Anwesenheits- oder Bewegungserkennung für die Gebäudeautomatisierung, die Bodenerkennung für Baugewerbe, die Navigation und die industrielle Automatisierung mit zusammenarbeitenden Robotern und Drohnen waren die häufigsten Einsatzgebiete. In jeder dieser Anwendungen arbeitet das Radar in einer anderen Umgebung und kann dabei etwa auf einer Türe eines Gebäudes, an einem Schiffsmast, in einer Fabriklinie oder auf einem Tank montiert sein. Aus diesem Grund muss das Radar unterschiedliche Richtlinien einhalten und eine große Betriebsreichweite von Frequenzbändern abdecken.

Die für jede Anwendung produzierten Sensorvolumen sind relativ gering, doch sie sind dafür so spezialisiert, dass der Verkaufspreis in der Regel hoch ist. Aufseiten des Ökosystems haben sich Unternehmen auf ein oder zwei bestimmte Einsatzgebiete spezialisiert; Siemens, ABB und Krohne verkaufen beispielsweise Radarsensoren für die Füllstandserkennung, während Furuno und Lowrance für die Seeschifffahrt tätig sind und Leica Geosystems sowie IDS Georadar Radare für die Bodenerkennung anbieten.

Gerade zur Überwachung des Füllstandes bieten sich Radarsensoren an und kommen dort in entsprechend vielen Anwendungsgebieten zum Einsatz.

Bild 1: Gerade zur Überwachung des Füllstandes bieten sich Radarsensoren an und kommen dort in entsprechend vielen Anwendungsgebieten zum Einsatz. Yole Développement

Ursprunglich konnte Radar im Fahrzeug nur vorausfahrende Fahrzeuge erkennen. Mittlerweile hat sich die Technologie weiterentwickelt und soll bis 2022 entgegenkommende sowie von der Seite kommende erkennen.

Bild 2: Ursprünglich konnte Radar im Fahrzeug nur vorausfahrende Fahrzeuge erkennen. Mittlerweile hat sich die Technologie weiterentwickelt und soll bis 2022 entgegenkommende sowie von der Seite kommende erkennen. Yole Développement

Gerade im Automotive-Sektor soll die Nachfrage nach Radartechnologien bis 2025 noch erheblich ansteigen. Auch der Industrial-Bereich soll noch leicht auf 4,2 Milliarden US-Dollar anwachsen.

Bild 3: Gerade im Automotive-Sektor soll die Nachfrage nach Radartechnologien bis 2025 noch erheblich ansteigen. Auch der Industrial-Bereich soll noch leicht auf 4,2 Milliarden US-Dollar anwachsen. Yole Développement

Nach dem Covid-bedingten Einbruch 2020 soll der Automatisierungsgrad in autonomen Fahrzeugen in Zukunft stetig ansteigen, wovon auch der Radar-Markt profitiert.

Bild 4: Nach dem Covid-bedingten Einbruch 2020 soll der Automatisierungsgrad in autonomen Fahrzeugen in Zukunft stetig ansteigen, wovon auch der Radar-Markt profitiert. Yole Développement

Bild 5: Zum zentralen Thema in der Radartechnologie wird die Signalverarbeitung: Ist sie integriert oder ausgelagert?

Bild 5: Zum zentralen Thema in der Radartechnologie wird die Signalverarbeitung: Ist sie integriert oder ausgelagert? Yole Développement

Bild 6: Die-Integration eines Radar-SoC, mit integrierter Signalverarbeitung. Möglich ist aber auch eine Lösung mit zwei separaten Chips.

Bild 6: Die-Integration eines Radar-SoC, mit integrierter Signalverarbeitung. Möglich ist aber auch eine Lösung mit zwei separaten Chips. Yole Développement

Andererseits benötigt der Automobilmarkt einen standardisierten Ansatz zur Radarerkennung mit der größtmöglichen Reichweite, dem breitesten Erfassungsfeld, der bestmöglichen Auflösung und dem niedrigsten Preis. Meist ist das Radarsystem im Automobilbereich hinter der Stoßstange, einem Markenlogo oder vor einem Kühlergrill montiert, für eine Kombination aus Radar- und Kamerasensor befindet es sich mitunter auch hinter der Frontscheibe. Aber auch andere Montageansätze wie etwa in Scheinwerfern testen die Autobauer.

Jedoch erfolgt die Wahl des Montageorts erst, nachdem das Entwicklerteam die erforderliche Erfassungsleistung, die sich auf die Leistung auswirkt, festgestellt und den Platzbedarf sorgfältig bestimmt hat. Im vergangenen Jahrzehnt regte die Automobilindustrie dazu an, die Betriebsfrequenz weltweit zu standardisieren und die zugelassene Bandbreite auszuweiten, um die Reichweitenauflösung des Radars zu maximieren.

Nun hat die Branche die Koordination übernommen, um das aufkommende Interferenzproblem über das in Deutschland staatlich geförderte Projekt Imiko-Radar (Interferenzminimierung durch Kooperation bei Radarsensoren) zu lösen. Der rasch wachsende Automobilradarmarkt wird von starken Sicherheitsinteressen von Euro-NCAP (Bild 2) und ähnlichen Einrichtungen angetrieben.

Es steht so viel auf dem Spiel, dass sich zahlreiche Neueinsteiger so positionieren, dass sie den größten Playern Marktanteile wegnehmen. Laut dem neuesten Markt- und Technologiebericht von Yole war der Radarmarkt im Jahr 2019 in der Industrie 3,9 Milliarden US-Dollar und in der Automobilbranche 5,5 Milliarden US-Dollar wert. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Marktdynamiken werden Industrie und Automobilbereich wie in Bild 3 gezeigt unterschiedliche Wachstumsraten aufweisen. Die aktuelle Covid-19-Pandemie wird sich auf den Markt für 2020 niederschlagen, jedoch wird sich das in den Marktsegmenten Industrie und Automobilbranche unterschiedlich auswirken.

Einerseits wird die Automobilbranche wegen des Nachfrageschocks auf Kundenebene unter einem Rückgang der Verkaufszahlen leiden. Wie in Bild 4 gezeigt erwartet Yole für die Automobilbranche einen Einbruch von 30 Prozent und eine progressive Erholung in den Jahren 2021 und 2022.

Deshalb könnte die Investitionspriorität auf OEM-Ebene an die Fahrzeugelektrifizierung oder eine alternative Technologie eher gehen als an die Fahrzeugautomatisierung, da sich CO2-Strafen finanziell direkt darauf auswirken. Außerdem bieten Regierungen Subventionen, um die Wirtschaft anzukurbeln, und verlangen gleichzeitig eine raschere Dekarbonisierung im Automobilbereich. Ungeachtet dessen werden die Sicherheitsanforderungen nicht gelockert. Yole erwartet deshalb ein weiteres Wachstum der Stufen 1 – 2 und 2+/2++, wodurch für die Radarbranche im Automobilbereich eine bedeutsame Chance entsteht.

Andererseits ist der Industriemarkt nicht so abhängig von der Kundennachfrage und durch langfristige Investitionsvorhaben stabiler. Insgesamt ist Yole der Meinung, dass der Industriesektor weniger von der Covid-19-Krise betroffen sein wird. In manchen Marktbranchen wie der Öl- und Gasindustrie wird es indirekte Auswirkungen auf Unternehmen geben, die weniger in Sensoren investieren werden, während in anderen Marktbranchen wie der Lebensmittelindustrie das Gegenteil der Fall sein wird.

Die Pandemie hat einige Markttrends wie den sogenannten Direktlieferservice mit Drohnen und Robotern sogar noch verstärkt; dies ist eine wichtige Chance für Radarsensoren. Auch die Gebäudeautomatisierung könnte durch die Regeln zur Kontaktvermeidung davon profitieren. Die Radarerfassung ermöglicht nicht nur das Öffnen von Türen, sondern auch das automatische Einschalten von Licht und HLK-Anlagen (Heizung, Lüftung, Klima) sowie die Erkennung und das Zählen von Personen.

Im Allgemeinen geht Yole von einem dramatischen Volumenanstieg bei Radarsensoren für den industriellen Einsatz wie oben beschrieben aus. Unternehmen wie Infineon und Texas Instruments haben sich bereits im industriellen Marktsegment positioniert und hoffen darauf, ihre Technologieentwicklung am Automobilmarkt zu platzieren, um so ihre Rendite verbessern zu können. Infineon ist sogar noch einen Schritt weitergegangen, indem sie mit einem radarbasierten Sensor im Google Pixel 4 in den Konsumentenmarkt investiert haben.

4-D-Bildverarbeitungsradar ist nächste Herausforderung

Von einem technologischen Standpunkt aus haben sich Radarsensoren in den vergangenen Jahrzehnten deutlich weiterentwickelt. In der Automobilbranche sind sie nun in einem kleinen Formfaktor vorhanden und unterstützen jenen Fortschritt, den die Halbleiterindustrie geschaffen hat. Die Industrie ist von Gunndioden zu diskreten GaAs-Elementen und MMIC übergegangen und basiert heute zu fast 100 Prozent auf den Silicon-MMIC der Marktführer Infineon und NXP sowie aller anderen Player einschließlich der Neueinsteiger.

Es wurden auch spezielle Technologien zur Aufbau- und Verbindungstechnik entwickelt, um die Radar-HF-Leistung zu optimieren. Bei Fan-out-Technologien wie Redistributed Chip Package (RCP) von Nepes oder eingebettete Wafer Level Ball grid array (eWLB) von Infineon wird das Ball Array über den gesamten Chip ausgebreitet, wobei unter dem Chip ein Luftspalt verbleibt, wodurch sich der parasitäre Effekt des PCB-Substrats reduziert. Dies erfolgte parallel zur Entwicklung der Radarantennen, die ebenfalls einen wichtigen Teil des Sensors darstellen.

Die nächste Herausforderung beim Automobilradar wird das sogenannte 4-D-Bildverarbeitungsradar sein, das Yole im kommerziellen Bereich ab 2021 auf dem Markt erwartet. Die grundlegende Idee liegt darin, mehr Datenpunkte zu sammeln und damit mehr zu tun, als sie nur zu filtern. Das 4-D-Bildverarbeitungsradar wird eine echte Punktwolke generieren, die Punkt für Punkt, Cluster für Cluster, Frame für Frame überwacht wird, um bei der Klassifizierung von Objekten sowie in der Erfassung ihrer relativen Position, Distanz und Geschwindigkeit zu helfen.

Die Schwachstelle der Automotive-Radarsensoren

Deshalb konzentrieren sich Tier-1-Zulieferer, Halbleiterunternehmen und Start-ups auf die Computerseite. Dies ist auch jene Ecke, über die Mobilgerätehersteller wie Qualcomm und Huawei in den Markt eintreten möchten. Die Schwachstelle der Radarsensoren für die Automobilbranche sind die Berechnungsfunktionen und der dazugehörige verfügbare Speicher. Es stellt sich die Frage, wo die Signalverarbeitung und dann die Berechnung untergebracht werden sollen, wie dies Bild 5 veranschaulicht.

Derzeit erfolgen Signalverarbeitung und Entscheidungsfindung im an diese Aufgaben angepassten Radar-MCU. In Zukunft könnte die Signalverarbeitung in den HF-MMIC übergehen, wie dies Texas Instruments bereits ähnlich für seinen Kurzwellen-Radarsensor (Bild 6) entwickelt hat, während die Berechnung in einen Domänencontroller mit einem speziellen Chip für die Radarberechnung eingebettet werden könnte.

Die Integration von HF und Signalverarbeitung macht auch für die oben angesprochenen industriellen Anwendungen Sinn, da sie in einem Markt, in dem auch konkurrierende Technologien (Ultraschall, Passiv-Infrarot) positioniert sind, Kosten und Größe des Sensors optimieren würde. Das Radar tritt in das kommerzielle Zeitalter ein und wird von einem benutzerdefinierten Gerät mit geringem Volumen zu einem standardisierten Sensor mit hohem Volumen werden.