Ontwikkeling van zeer compacte radarsensoren voor de industrie

Radarsystemen worden al lang gebruikt op vliegtuigen of schepen. Nu worden ze in toenemende mate toegepast in auto’s voor met name de ‘korte afstand’. Dankzij de grote vooruitgang die de afgelopen jaren in de halfgeleidertechnologie is geboekt, is nu weer een miniaturisatiestap mogelijk. Hiervoor ontwikkelen onderzoekers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT), in samenwerking met het Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics (IAF) in Freiburg en de branchepartner VEGA Grieshaber KG, zeer compacte radarsensoren met een modulair ontwerp die uitstekend geschikt zijn voor diverse toepassingen in de industrie.

Een tot nu toe ongeëvenaarde resolutie kan worden bereikt door radarsensoren, waarbij antennes door de kleine golflengte in chips of in de chipbehuizing kunnen worden geïntegreerd. Frequenties boven de 100 GHz zijn tot dusverre echter nauwelijks gebruikt, omdat hiervoor uiterst complexe montage- en verbindingstechnieken nodig zijn. Dit heeft de productie van goedkope geïntegreerde modules lange tijd beperkt.

Nu worden modellen ontwikkeld in het project “Real100G.RF” gefinancierd door de Duitse Research Foundation (DFG) gecombineerd met circuits gemaakt door Fraunhofer IAF. Het resulterende schaalbare geminiaturiseerde radarfront-end zal vervolgens worden geëvalueerd voor industrieel gebruik door de VEGA-firma uit Schiltach in het Zwarte Woud.

Dit project “Skalierbares THz-Miniaturradar für Industrieanwendungen” (SATIRE, Scalable THz Miniaturized Radar for Industrial Applications) is een van de zes trilaterale projecten die worden gefinancierd door DFG en Fraunhofer Society (FhG). Ze zijn allemaal bedoeld om wetenschappelijke bevindingen over te dragen aan de industrie. Binnen het trilaterale project SATIRE kunnen bedrijven in een vroeg stadium participeren in innovaties door onderzoek.

“KIT is een unieke instelling in Duitsland en werkt in een buitengewoon breed scala aan onderzoeksgebieden. De focus ligt niet alleen op onderzoek en academisch onderwijs, maar ook op innovaties, wat betekent dat wetenschap en industrie samenwerken en elkaar aanvullen en verrijken.” zegt Theresia Bauer, minister van Wetenschap, Onderzoek en Kunst in Baden-Württemberg. “Om deze reden ben ik erg blij met de financiering van het KIT-overdrachtsproject door DFG en Fraunhofer Society. Hier wordt veelbelovend onderzoek direct overgedragen aan de aanvraag. Financiering weerspiegelt eens te meer het grote belang van universiteiten en onderzoeksinstellingen in Baden-Württemberg daarbuiten. onze staatsgrenzen. “

Focus op miniaturisatie

Het SATIRE-project is gericht op de ontwikkeling van een schaalbare, sterk geïntegreerde 300 GHz radarsensor met een bandbreedte boven 50 GHz en een resolutie in het millimeterbereik. De modules, inclusief lens, hebben een maximale afmeting van 10 mm x 10 mm x 7 mm en kunnen worden aangesloten om een ​​MIMO-systeem te vormen (multiple input multiple output, methode voor het gebruik van meerdere zend- en ontvangantennes voor draadloze communicatie) of toegepast individueel op een bord. Dit maakt de modules bijzonder geschikt voor industriële sensoren. “Het project maakt ook gebruik van technische middelen van het Onderzoekslaboratorium Micro-elektronica Duitsland van KIT”, zegt professor Holger Hanselka, voorzitter van het KIT. “Net als bij onderzoek en onderwijs, weerspiegelt innovatie bij het KIT het toepassingsgerichte karakter van onderzoek en ontwikkeling. Dit innovatief vermogen overbrugt de kloof tussen bevindingen en toepassing.”

Radarsensoren op frequenties boven 100 GHz hebben een groot potentieel als aanvulling op bestaande optische sensoren, zoals camera’s of lidars. “Ze bereiken een goede resolutie en zijn zeer robuust, bijvoorbeeld tegen rook of stof”, zegt professor Thomas Zwick, projectcoördinator en hoofd van het Institute of Radio Frequency Engineering and Electronics (IHE) van het KIT. Om een ​​resolutie in het millimeterbereik te bereiken, moet het circuit een uitgangsbandbreedte hebben van minimaal 50 GHz met een schakelbare zender voor TDM-MIMO-werking (TDM staat voor Time Division Multiplex, een methode voor signaaloverdracht). Hiervoor worden lenzen van keramiek en van een polymeer getest, 3D-printen en spuitgieten toegepast. Het complete onderdeel wordt zo groot als de lens, maximale afmetingen bedragen 10 mm. “Met onze miniradar verbeteren we niet alleen de meetprestaties, maar ook de industriële maakbaarheid”, benadrukt Zwick. Het kleine formaat en de precieze meting openen geheel nieuwe toepassingen. Bovendien maakt de architectuur met vermenigvuldigers, een externe lokale oscillator en een schakelbare zender het mogelijk om meerdere radarsensoren met elkaar te verbinden om een ​​MIMO-radar op het bord te vormen.

Het resulterende radarfront-end kan worden gebruikt voor verschillende industriële toepassingen en kan worden geschaald naar verschillende systemen. Het project is van grote praktische relevantie. Bedrijven – hier VEGA – krijgen in een vroeg stadium de kans om mee te werken aan innovaties uit onderzoek.