Das Radarsystem eines Fahrzeugs sendet ein kontinuierliches Hochfrequenzsignal aus und misst dann die Ausbreitungsverzögerung und Dopplerfrequenzverschiebung des reflektierten Signals. Anhand dieser Daten lassen sich die Entfernungen anderer Objekte (wie zum Beispiel andere Fahrzeuge) sowie die entsprechenden Radialgeschwindigkeiten berechnen. Aktuelle Radarsensoren mit Gruppenantennen können auch den Azimut (Winkel in der horizontalen Ebene) zwischen der Fahrtrichtung eines Fahrzeugs und einem erfassten Objekt sowie die Elevation (Winkel in der vertikalen Ebene) zwischen einem Fahrzeug und anderen Objekten messen.

Es ist wichtig, dass Automotive-Radarsensoren genau und zuverlässig arbeiten, da die Steuersysteme eines Fahrzeugs die von ihnen gelieferten Daten verwenden, um die Umgebung zu analysieren und zu entscheiden, ob und wie in die Fahrt einzugreifen ist. Schlechte Daten führen zu schlechten Entscheidungen. Wenn beispielsweise ein Radarsensor den Winkel zwischen zwei Fahrzeugen, die 100 m voneinander entfernt sind, um nur ein Grad falsch einschätzt, kann sich eine Abweichung von 1,5 m – also in etwa einer Fahrzeugbreite – ergeben, und das entfernte Fahrzeug wird möglicherweise der falschen Fahrspur zugeordnet. Diese Abweichung kann den Unterschied zwischen einer sicheren Passage der beiden Fahrzeuge auf ihrer jeweiligen Fahrspur und einem potenziell desaströsen Frontalaufprall ausmachen.

Bild 1: Der R&S QAR-Tester ermöglicht schnelle Pass/Fail-Tests für komplexe HF-Komponenten.

Bild 1: Der QAR-Tester von Rohde & Schwarz ermöglicht schnelle Pass/Fail-Tests für komplexe HF-Komponenten. Rohde & Schwarz

Mehr über Messtechnik und Testlösungen für die Mobilität von morgen erklärt Jürgen Meyer, Vice President Market Automotive bei Rohde und Schwarz, im Interview mit Alfred Vollmer, Chefredaktuer von AUTOMOBIL-ELEKTRONIK.

Design vs. Funktion

Eck-Daten

Die Gewährleistung eines bestimmten Leistungsniveaus trotz verschiedener systeminhärenter Unsicherheitsfaktoren stellt die Entwickler von Radarsensoren vor eine große Herausforderung. Autonome Fahrerassistentsysteme benötigen jedoch Zugriff auf hochwertige und zuverlässige Daten der verschiedenen Radarsensoren, um ihre Umgebung korrekt zu erfassen. Die variierenden Materialeigenschaften von Radomen können sich hierbei jedoch mehr oder weniger negativ auf die Signalqualität auswirken. Rohde & Schwarz hat nun ein Testsystem für Radome entwickelt, das diese vor der Integration in ein Fahrzeug testen und validieren kann und sich für den Einsatz im Produktionsumfeld eignet.

Radarsensoren sind in der Regel hinter Design-Emblemen eines Fahrzeugs oder hinter den Stoßfängern verborgen. Die Motivation hierfür ist ästhetischer Natur. Unter dem Gesichtspunkt der Funktion ergeben sich jedoch Nachteile, da die Radarsignale Materialien durchlaufen müssen, die eine dämpfende Wirkung haben. Solche Radome (Abdeckungen der Radarsensoren), bilden einen Teil des Hochfrequenz-Systems (HF-Systems) des Sensors und beeinflussen das ausgesendete Signal. Darunter können die Erkennungsleistung und Genauigkeit leiden.

Nach dem Wellen-Ausbreitungsgesetz wirkt sich der Abstand in vierter Potenz verringernd auf die Leistung des von einem Radarsensor empfangenen reflektierten Signals aus. Wenn beispielsweise ein 77-GHz-Radar mit einer Ausgangsleistung von 3 W und einem Antennengewinn von 25 dBi ein Zielobjekt mit einem Rückstreuquerschnitt von 10 m² bei einem kleinsten erkennbaren Signal von -90 dBm erkennen muss, ergibt sich eine maximale Entfernung von 109,4 m. Fügt ein Radom eine Zwei-Wege-Dämpfung von 3 dB ein, so schrumpft der Erkennungsbereich des Radars um 16 Prozent auf 92,1 m – in der Praxis ein Unterschied von mehreren Fahrzeuglängen.

Radome führen aber auch noch zu anderen Problemen. So kann zwischen dem Basismaterial und dem Radarsignal eine HF-Fehlanpassung vorliegen. Die Materialeigenschaften von Kunststoff-Formteilen sind oft heterogen, was zu unvorhersehbaren Signalverzerrungen, wie zum Beispiel Phasenverzerrungen, im Empfangssignal führen kann. Das gleiche gilt für die HF-Streuung durch metallische Oberflächenbeschichtungen. Die entstehenden Interferenzen reduzieren die Detektionsempfindlichkeit des Radarempfängers. Eine mögliche Gegenmaßnahme ist die Montage der Radome auf solche Weise, dass das ausgesendete Radarsignal nicht direkt zurück in den Empfänger reflektiert wird. Dies kann jedoch im Hinblick auf das Design Einschränkungen mit sich bringen, und das Problem parasitärer Reflexionen bleibt bestehen.

Konsistente Leistung durch systematische Kalibrierung

Die Herausforderung für die Entwickler von Radarsensoren besteht in der Gewährleistung eines bestimmten Leistungsniveaus trotz verschiedener systeminhärenter Unsicherheitsfaktoren. Jede Reduzierung der systemischen Unsicherheit erleichtert daher das Erreichen der geforderten Performance.

Beispielsweise können die Hersteller von Radarsensoren ihre Produkte kalibrieren. HF-Systementwickler sind sich jedoch darüber im Klaren, dass die Hersteller nicht wissen können, unter welcher Art von Radom die Sensoren verbaut werden, wie die Lackierung des Radoms beschaffen ist und welche Materialunregelmäßigkeiten auftreten. Folglich können kalibrierte Sensoren nur einen kleinen Beitrag leisten, um die notwendige Systemleistung zu erreichen.

Ein weiteres Element zur Reduzierung der Unsicherheit ist das Testen und Validieren der Eigenschaften eines Radoms durch den jeweiligen Hersteller – andernfalls tappen die Entwickler von Radarsensoren im Dunkeln. Die Alternative – die Leistung jedes Radoms an der Fahrzeug-Fertigungslinie zu testen und nötigenfalls Anpassungen vorzunehmen – ist schlicht zu teuer.

Die Radom-Hersteller benötigen deswegen eine Möglichkeit zur Durchführung ausführlicher, zuverlässiger Tests in der Produktion. Bisher wurde hierfür häufig ein Referenz-Radarsystem in einer statischen Umgebung mit mehreren Radar-Reflektoren getestet. Eine Reihe von Messungen in verschiedenen Entfernungen und Winkeln zur Quelle bildet dabei die Grundlage für die Entwicklung einer Referenz-Spezifikation. Anschließend führen die Tester die gleichen Messungen auch mit dem zu prüfenden Radom durch. Ein Radom besteht den Test dann, wenn die Messergebnisse in den festgelegten Toleranzbereich der Referenzmessungen fallen.

Bei einer ausführlicheren Version dieses Tests werden der Radar und das Radom an einem Drehtisch montiert und auf einen einzelnen Reflektor ausgerichtet. Während der Drehung werden dann Messungen bei verschiedenen Winkeln durchgeführt. Auf diese Weise könne die Tester detailliertere Referenzmessungen gewinnen – das Verfahren ist jedoch für Produktionstests zu zeitaufwendig.

QAR-Tester

Um der zunehmenden Bedeutung der Radarsystemleistung in Automobilen gerecht zu werden, hat Rohde & Schwarz den QAR-Tester (Quality-Automotive-Radome) entwickelt. Dieses System liefert zuverlässige Testdaten und eignet sich im Hinblick auf Kosten und Geschwindigkeit für den Einsatz in Produktionsumgebungen.

Der Tester (Bild 1) arbeitet im gleichen Frequenzbereich wie 77-GHz-Automotive-Radarsensoren und besitzt Hunderte von Sende- und Empfangsantennen, um somit hochauflösendere Messungen zu machen, als es jeder Automotive-Radarsensor könnte. Dadurch visualisiert der Tester genau die Material-Effekte, die ein Radarsensor zu beherrschen hat. Der Tester nutzt diese Antennengruppe zur Messung von Entfernung, Azimut und Elevation mit einer Auflösung im Millimeterbereich, sodass sich die Auswirkungen eines Radoms auf ein Testsignal visualisieren lassen. Es besteht die Möglichkeit das resultierende Bild auch zu analysieren, um Qualitätsparameter zu gewinnen, die dann in ein einfaches Pass/Fail-Ergebnis übertragbar sind. Durch die Verwendung vieler Sende- und Empfangsantennen lässt sich das gesamte Radom innerhalb weniger Sekunden ausführlich testen.

Bild 2: Ein Logo, das nur 0,5 mm von der Oberfläche eines Testradoms absteht, führt zu einer Fehlanpassung bei 77 GHz.

Bild 2: Ein Logo, das nur 0,5 mm von der Oberfläche eines Testradoms absteht, führt zu einer Fehlanpassung bei 77 GHz. Rohde & Schwarz

Um die Fähigkeiten des Testers zu erproben, wurde ein Testradom mit einem Logo von Rohde & Schwarz hergestellt, das 0,5 mm von der Oberfläche absteht. Dies ist in Bild 2 zu sehen.

Bild 3. Die ungleichmäßige Reflektivität des Testradoms ist links visualisiert. Auf der rechten Seite ist die Einwegdämpfung zu sehen.

Bild 3. Die ungleichmäßige Reflektivität des Testradoms ist links visualisiert. Auf der rechten Seite ist die Einwegdämpfung zu sehen. Rohde & Schwarz

Das hochaufgelöste Radarbild (Bild 3) zeigt das von dem Tester erfasste Bild. Eine höhere Helligkeit entspricht dabei einer stärkeren Reflexion. Metallobjekte wie die Schrauben in den Ecken sind weiß dargestellt, während die Konturlinien des Logos dessen hohe Reflektivität und mangelnde Homogenität zeigen.

Der Tester kann auch die Durchlässigkeit prüfen und ermittelt dabei die Frequenzanpassung und Dämpfung des Materials – und somit seine Eignung für die Verwendung bei bestimmten Frequenzen. Eine kalibrierte Sendeeinheit hinter dem Prüfling (Bild 1) führt einen Sweep über einen ausgewählten Frequenzbereich durch. Die Antennengruppe empfängt die Signale und ermöglicht eine genaue Beurteilung des Übertragungsfrequenzgangs des Radoms. Dieser Frequenzgang gibt auch Aufschluss darüber, wie gut die HF-Anpassung des Radoms für das Radarsignal bei der beabsichtigten Arbeitsfrequenz ist.

Genauigkeit und Zuverlässigkeit sicherheitskritischer Daten

Autonome Fahrerassistenzsysteme benötigen Zugriff auf hochwertige und zuverlässige Daten der verschiedenen Radarsensoren, die zur Erkennung der Umgebung eingesetzt werden. Die Qualität und Zuverlässigkeit dieser Daten wird durch Radome mit schwankenden Materialeigenschaften im HF-Signalweg beeinträchtigt. Da die Prüfung und Anpassung der Eigenschaften von Radomen an der Fahrzeug-Fertigungslinie zu komplex, kostspielig und zeitaufwendig ist, bleibt es den Herstellern überlassen, die HF-Performance ihrer Radome vor der Integration in ein Fahrzeug zu testen und zu validieren. Der R&S QAR-Tester bietet für eine solche Validierung ein maßgeschneidertes Konzept. Mit dem Tester lassen sich bei räumlich aufgelösten HF-Reflektivitäts- und Transmissionsmessungen detailliertere Ergebnisse als bei anderen Testverfahren erzielen – und das in wesentlich kürzerer Zeit.