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Miniaturisierter Radarsensor für autonome Fluggeräte

Entwicklung eines 122 GHz Radarmoduls

Fig1: 122 GHz Radarsensor IC mit integrierten Antennen. Abmessungen 8x8mm. © Silicon Radar GmbH
122 GHz Radarsensor IC

Unsere Fachgruppe entwickelt in Kooperation mit Partnern aus Industrie und Forschungsinstituten einen hochintegrierten 122 GHz Radarsensor für unbemannte Fluggeräte (Unmanned Aerial Vehicles, UAV). Kernkomponente des Sensors ist ein 122 GHz Radar-Chip mit integrierten Antennen und sehr geringen Abmessungen (s. Fig. 1). Auf Basis dieses Chips wird ein ultrakompaktes Sensormodul entwickelt.

Elektromagnetische Wellen bei Frequenzen oberhalb von 100 GHz durchdringen Staub, Rauch und Nebel und sind weitgehend unbeeinflusst von wechselnden Sichtverhältnissen. Mittels Antennen und Linsen können in diesem Frequenzbereich Reichweiten bis über 50 m bei Messgenauigkeiten im Bereich von 1 mm erreicht werden. Weitere Informationen, wie Geschwindigkeit und Einfallswinkel können mit entsprechenden Radarverfahren gemessen werden. Die sehr hohe Arbeitsfrequenz unseres Sensors von 122 GHz führt zu sehr kleinen Wellenlängen in der Luft (λ < 3mm). Dies ermöglicht es, Sende- und Empfangsantennen extrem kompakt zu realisieren und in das IC-Gehäuse zu integrieren (s. Fig. 1). Dies ermöglicht einen extrem kompakten und leichten Sensor, den man auch als „kleinstes Radarsystem der Welt“ bezeichnen könnte.

Der Radar-Chip wurde im EU-Projekt SUCCESS („Silicon Ultra-Compact Cost-Efficient Sensor System Design) entwickelt. Im vorliegenden Nachfolgeprojekt zu SUCCESS entwickeln wir den Sensor weiter in Richtung eines vollständigen, miniaturisierten High-End-Abstandssensor für autonom navigierende UAVs. Die Realisierung von autonom navigierenden UAVs erfordert vielfältige Sensorik, um ein hohes Maß an Automatisierung zu ermöglichen. Die Wahrnehmung der Umgebung wird derzeit durch verschiedene Sensoren, wie Kameras, GPS, sowie Beschleunigungs-, Druck- und Regensensoren realisiert. In der Zukunft werden Radarsensoren eine zunehmend wichtige Rolle spielen. In KFZ-, Flugzeug- und Industrieanwendungen werden Radarsensoren schon heute für Geschwindigkeits-, Abstands-, Bewegungs- und Füllstandsmessungen verwendet. Allerdings sind heutige Radarsensor-Lösungen wesentlich zu groß und zu teuer, als dass sie in unbemannten, kompakten UAVs, wie z.B. Quadrocopter verwendet werden könnten. Nur durch Reduktion von Kosten, Gewicht und Baugröße können diese Anwendungen erschlossen werden, was mit unserem Miniatur-Radarsensor möglich erscheint.

Fig.2: AirRobot Quadrocopter (Quelle: AirRobot GmbH)
AirRobot Quadrocopter

Das Miniatur-Radarmodul wird in Kooperation mit der AirRobot GmbH, PKTEC GmbH, Silicon Radar GmbH, dem Leibnizinstitut für Innovative Mikroelektronik (IHP), und dem Karlsruhe Institute of Technology (KIT) entwickelt und im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie gefördert (Fördernummer: KF2296404). Die Arbeiten unserer Fachgruppe im Projekt fokussieren auf die Entwicklung der kompakten elektronischen Hardware mit Fokus auf präziser Auswertung der Sensordaten und dem ausfallsicheren Betrieb für den Einsatz in Fluggeräten. Fig. 3 zeigt das avisierte Konzept der Sensor-Implementierung unter Nutzung von Rigid-Flex-Platinen-Technologie.

Fig.3: FLEX PCB
FLEX PCB technology
Fig.4: Linsensystem
FLEX PCB technology