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Von Millimeterwellen-Sensoren und ihren physikalischen Grundlagen

| Autor / Redakteur: Cesar Iovescu und Sandeep Rao * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Objekte reflektieren Millimeterwellen und es lassen sich Entfernung, Geschwindigkeit und Winkel bestimmen. Wir zeigen die physikalischen Grundlagen und Sensoren auf Basis von CMOS-Technik.

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Arbeiten mit Millimeterwellen-Sensoren: Texas Instruments hat Sensoren auf Basis von CMOS entwickelt, mit denen sich Entfernung, Geschwindigkeit und Winkel messen lassen.
Arbeiten mit Millimeterwellen-Sensoren: Texas Instruments hat Sensoren auf Basis von CMOS entwickelt, mit denen sich Entfernung, Geschwindigkeit und Winkel messen lassen.
(Bild: Texas Instruments, Thomas Mauer)

Die Millimeterwellen-Technik ist eine besondere Sparte der Radartechnik, die sich elektromagnetischer Wellen mit geringer Wellenlänge bedient. Radarsysteme senden elektromagnetische Wellen aus und werden von Objekten reflektiert, auf die sie treffen. Die reflektierten Signale werden erfasst. Daraus kann ein Radarsystem Entfernung, Geschwindigkeit und Winkel von Objekten bestimmen.

Bei Millimeterwellen-Radarsystemen haben die ausgesendeten Signale eine Wellenlänge im Millimeterbereich. Diese gilt im elektromagnetischen Spektrum als kurzwellig. Ihr Vorteil: Einige Systemkomponenten wie Antennen lassen sich bei Millimeterwellen-Systemen kleiner konstruieren. Ein weiterer Pluspunkt ist die hohe Genauigkeit. So kann ein Millimeterwellen-System mit Frequenzen von 76 bis 81 GHz, was einer Wellenlänge von rund 4 mm entspricht, Bewegungen um den Bruchteil eines Millimeters detektieren.

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Woraus ein Millimeterwellen-Radarsystem besteht

Ein komplettes Millimeterwellen-Radarsystem besteht aus HF-Bauteilen für Sendung (Tx) und Empfang (Rx), analogen Bauelementen zur Taktung sowie digitale Komponenten, zu denen A/D-Wandler, Mikrocontroller und digitale Signalprozessoren gehören. Die Systeme wurden traditionell aus diskreten Bauelementen aufgebaut, was Energieverbrauch die Systemkosten erhöhte. Komplexität und hohe Frequenzen erschwerten das Systemdesign.

Texas Instruments hat auf CMOS-basierte Millimeterwellen-Radarbausteine entwickelt, welche die analogen HF-Bausteine für Sendung, Empfang und Taktung, aber auch digitale Komponenten wie ADC, MCU und einen Hardwarebeschleuniger integrieren. Einige Familien enthalten zusätzlich einen DSP für ergänzende Signalverarbeitung. Die entwickelten Bausteine stellen eine besondere Art der Millimeterwellen-Technik dar, die als FMCW = Frequency Modulated Continuous Wave bezeichnet wird. Sie senden ständig ein frequenzmoduliertes Signal aus, um die Entfernung, die Geschwindigkeit und den Winkel zu messen.

Wie die mmWellen-Sensoren die Entfernung messen

Für die Messung der Entfernung wird ein elektromagnetisches Signal ausgesendet, das von einem Objekt reflektiert wird. FMCW-Radarsysteme nutzen Signale, deren Frequenz sich mit der Zeit erhöht. Solche Signale bezeichnet man auch als Chirps (Bild 1). Das Chirp-Signal ist durch seine Startfrequenz fC, seine Bandbreite B und seine Dauer TC gekennzeichnet. Die Steilheit S gibt die Änderungsrate der Frequenz an. Ein FMCW-Radar sendet ein Chirp-Signal aus und erfasst die Signale, die von Objekten auf dessen Weg reflektiert werden. Das Bild 2 zeigt in einem vereinfachten Blockschaltbild die wichtigsten HF-Komponenten eines FMCW-Radars. Solch ein System funktioniert wie folgt:

  • Ein Synthesizer erzeugt ein Chirp-Signal.
  • Das Chirp-Signal wird von einer Sendeantenne (TXant) ausgestrahlt.
  • Die Reflexion des Chirp-Signals durch ein Objekt wird von der Empfangsantenne (RXant) erfasst.
  • Ein Mischer kombiniert das RX- und das TX-Signal zu einer Zwischenfrequenz (ZF).

Ein Frequenzmischer ist ein elektronisches Bauteil, das zwei Signale zu einem neuen Signal mit neuer Frequenz kombiniert. Gegeben seien zwei sinusförmige Eingangssignale x1 und x2gemäß: x1 = sin (ω1t+ϕ1) und x2 = sin (ω2t+ϕ2). Das Ausgangssignal xout besitzt eine Momentanfrequenz, die der Differenz der Momentanfrequenzen der beiden Eingangs-Sinussignale entspricht.

Ebenso ist die Phase des Ausgangssignals xout die Differenz der Phasen beider Eingangssignale: xout = sin[(ω1 - ω2)t + (ϕ1 - ϕ2)]. Die Funktionsweise des Frequenzmischers lässt sich auch verstehen, wenn man die grafische Darstellung der Frequenz der gesendeten und empfangenen Chirp-Signale als Funktion der Zeit betrachtet. Die zeitliche Verzögerung lässt sich mathematisch herleiten: τ = 2d/c. Darin steht d für die Entfernung zum detektierten Objekt und c für die Lichtgeschwindigkeit.

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