Automotive-Radar Forscher charakterisieren erstmals Antennen im D-Band

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Forscher haben erstmals Frequenzen im D-Band über die Luftschnittstelle (OTA) an einem Radarmodul demonstriert und vollständig sowohl 2D als auch 3D vermessen. Das D-Band gilt als Kandidat für künftige Automotive-Radar-Anwendungen.

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Für die hochfrequenten Radarsignale zur Fahrzeugkommunikation sind präzise Tests über die Luftschnittstelle (OTA) notwendig. Erstmals haben Forscher einen Messaufbau für das D-Band erfologreich vermessen.
Für die hochfrequenten Radarsignale zur Fahrzeugkommunikation sind präzise Tests über die Luftschnittstelle (OTA) notwendig. Erstmals haben Forscher einen Messaufbau für das D-Band erfologreich vermessen.
(Bild: Rohde & Schwarz)

Neben dem 5G-System und die dazugehörigen Komponenten für die Millimeterwellen sind es auch die Antennensysteme und HF-Transceiver für künftige Drahtlos- und Automotive-Radar-Anwendungen, die beim Test nicht unkritisch sind. Dazu gehören in erster Linie die hohen Betriebsfrequenzen, die höhere Anzahl an Antennen und der Umstand, dass die verwendeten Module über keine externen HF-Anschlüsse verfügen. Sie lassen sich folglich nicht leitungsgebunden testen. Einzig über die Luftschnittstelle in einer geschirmten Umgebung ist der Test möglich.

Der sogenannte OTA-Test (Over the Air) wurde von den Messtechnik-Experten von Rohde & Schwarz und von IHP, Innovations for High Performance Microelectronics – Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik, haben das Messverfahren in den Sub-THz-Bereich übertragen und demonstrierten erstmals vollständige 2D- und 3D-OTA-Messungen an einem Radarmodul bei Frequenzen im D-Band.

Der Messaufbau im Detail

Der Messaufbau bestand aus dem Antennensystem R&S ATS1000, einem Vektornetzwerkanalysator R&S ZNA43 und der Antennen-Messsoftware R&S AMS32 von Rohde & Schwarz. Bei dem Antennentestsystem handelt es sich um eine und mobile Schirmkammer zum Messen der Frequenzen über die Luftschnittstelle (OTA) und der Antennen. Sie eignet sich vorrangig für 5G-Millimeterwellen.

Damit die D-Band-Frequenzen abgedeckt sind, wird der Messaufbau um Komponenten von Radiometer Physics erweitert, einem Unternehmen der Rohde & Schwarz Gruppe, die die Frequenzumsetzung direkt an der Messsonde sowohl in Sende- als auch in Empfangsrichtung erlauben. Damit sind keine mechanischen Anpassungen oder zusätzliche HF-Kabelverbindungen zum Antennentestsystem erforderlich.

Mit diesem Messaufbau lassen sich sowohl Amplituden- als auch phasenkohärente Messungen im D-Band durchführen. Zusammen mit der Software-Option R&S AMS32 für Nahfeld-Fernfeld-Transformation und dem Positionierer lassen sich 3D-Messungen der Antennencharakteristik einschließlich Nachverarbeitung vollautomatisch in kurzer Zeit durchführen.

Das D-Band mit einem Frequenzbereich von 110 bis 170 GHz gilt als Kandidat für kommende Drahtlos-Standards für den Mobilfunk (Beyond 5G und 6G) sowie für zukünftige Automotive-Radar-Anwendungen.

Gruppenantennen mit höherer Bandbreite

IHP stellte vier unterschiedliche Prüflinge zur Verfügung, basierend auf dem gleichen D-Band-Radar-Transceiver-Chipset, jedoch mit unterschiedlichen Antennenstrukturen. Sie umfassten auf dem Chip integrierte (On-Chip-)Patchantennen, ausgeführt als Einzelantennen und als übereinander angeordnete Antennen mit entsprechender Belüftung sowie einer On-Chip-Gruppenantenne. Mithilfe der OTA-Charakterisierung ließ sich nachweisen, dass die Ausführungen als Mehrfach- bzw. Gruppenantenne eine höhere Bandbreite liefern als die Einzelantenne.

Die Leistungsfähigkeit der verschiedenen Prüflinge wurde durch Messungen in einem Kugelkoordinatensystem mit zwei unterschiedlichen Messeinstellungen ermittelt. Durch Vergrößerung der Elevationsschrittweite von 1° auf 5° (Verringerung der Anzahl der Abtastpunkte) ließ sich die Gesamt-Testzeit für einen Prüfling von 70 auf 12 Minuten reduzieren. Dabei verglichen die Forscher die unterschiedlichen Prüflings-Designs anhand der gewonnenen Messdaten und konnten so die Auswirkung des endlichen Reflektorbereichs auf das Sichtfeld (Field of View) eines Automotive-Radarsensors analysieren.

Einblick in die Physik der Antennenstrukturen

Prof. Dr. Gerhard Kahmen, Wissenschaftlich-Technischer Geschäftsführer der IHP, stellt fest: „Frequenzsysteme im Sub-THz-Bereich gewinnen nicht nur in der Forschung zunehmend an Bedeutung. Das auf das D-Band erweiterte OTA-Testsystem von Rohde & Schwarz charakterisiert präzise und zeiteffizient Strahlungsdiagrammen komplexer Antennenstrukturen, wie sie auf unseren D-Band-Radarchips implementiert sind.

Für uns sind diese Messungen wichtig, um einen noch besseren Einblick in die Physik der Antennenstrukturen zu gewinnen und deren Leistungsfähigkeit weiter zu verbessern. Die erfolgreiche Zusammenarbeit mit Rohde & Schwarz zeigt die Vorteile des engen Zusammenwirkens von Forschung and praktischer Anwendung.“

OTA-Messungen im D-Band (externer Link)

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