Neuland

Um Wellenlängen voraus

Ein Forscherteam rund um Professor Dr. Thomas Zwick hat gemeinsam mit Industriepartnern einen leistungsfähigen Miniatur-Radarsensor entwickelt, der Drohnen für Logistik, Landwirtschaft oder Rettungseinsätze cleverer und sicherer machen kann.

Fledermäuse sehen bekanntlich mit den Ohren: Trotz ihres schlechten Sehvermögens fliegen sie blitzschnell durch die Nacht, ohne an Hindernisse zu stoßen. Möglich macht dies ihre Fähigkeit zur Echoortung. Sie senden im Flug permanent Ultraschallschreie aus, die das menschliche Ohr nicht wahrnehmen kann, da sie außerhalb des hörbaren Frequenzbereichs liegen. Jeder dieser Schreie bewegt sich mittels Ultraschallwellen im Raum. Sobald die Wellen auf ein Objekt oder Hindernis treffen, werden sie als Echo zurückgeworfen und erlauben die Ortung von Gegenständen und die Orientierung für die Tiere. Was Fledermäuse in Perfektion beherrschen, ist ein Wunschszenario für die Mobilität von Drohnen. Die unbemannten Flugobjekte sollen ihre Umgebung erkennen, sich sicher und zielgenau bewegen, damit sie in naher Zukunft zur Arbeitserleichterung beitragen. Bereits heute wird der Einsatz von Drohnen als Helfer getestet: von Drohnen zum automatisierten Düngen von Äckern über Postdrohnen zur Paketzustellung bis hin zu Rettungsdrohnen, die sich durch unsichere und verrauchte Gebäude navigieren. 

Um solche Drohnen zukünftig flugsicher und reaktionsschnell zu machen, sind leistungsfähige Systeme gefragt, die eine exakte und schnelle Abstandsmessung rund um die Drohne in allen Dimensionen garantieren. Anders als bei Fledermäusen basieren die Ortung und Entfernungsmessung hier auf elektro- magnetischen Wellen, bekannt als Radar. „Im Gegensatz zu Ultraschall und optischen Signalen sind Radarwellen unabhängiger von Umwelteinflüssen, wie Wind, Temperatur, Licht, Bewölkung oder gar Rauch, und funktionieren deshalb auch bei schlechten Bedingungen“, erklärt Prof. Thomas Zwick, Leiter des Instituts für Hochfrequenztechnik und Elektronik (IHE) am KIT. Bisher fehlt es jedoch an Radarsensoren, die so leicht und kompakt sind, dass sie überhaupt in Drohnen integriert werden können, ohne die Flugleistung zu beeinträchtigen. 

„Mit unserem Mini-Radar verbessern wir nicht nur die Messleistung sondern auch die industrielle Fertigbarkeit. Die geringe Größe und die präzise Messung eröffnen ganz neue privatwirtschaftliche Einsatzmöglichkeiten.“

Prof. Dr.-Ing. Thomas Zwick

Maßgeblich beigetragen zur Weiterentwicklung der Radarsensorik hat der Ingenieur Zwick mit seinem Forscherteam. „In mehreren Projekten haben wir ein Radar auf Basis der Silizium-Germanium-Technologie (SiGe) erforscht und weiterentwickelt. Damit ist es möglich, komplexe, hochintegrierte Schaltungen und effektive Antennen für den Hochfrequenzbereich in einem Chip umzusetzen“, erklärt Zwick. Neben dem Chip-Design war vor allem das Packaging, also die Unterbringung aller Komponenten in einem stabilen Gehäuse, eine Herausforderung. Das 8 x 8 mm kleine Gehäuse kann man durchaus als gelungene Miniaturisierung ansehen: Alle hochfrequenten Signale und die fertigungstechnisch kritischen Hochfrequenz-Verbindungen sind vollständig in einem auf Platinen lötbaren Bauelement verbaut, besser bekannt als Surface Mount Device (SMD). Zwick berichtet stolz: „Für mich war der logische Schluss, dass aus dem Demo-Chip ein richtiges Produkt werden soll. Mithilfe unserer Partner haben wir das weltweit erste Kompaktradar bei 122 GHz realisiert, welches im Handel erhältlich ist.“ Der entwickelte Radarsensor, der von der Silicon Radar GmbH vertrieben wird, erreicht eine Messgenauigkeit bis in den zweistelligen Mikrometerbereich – eine Genauigkeit, die bisher nur teuren und aufwendigen Lasersystemen vorbehalten war. Dadurch lässt sich nun auch die Ebenheit von Oberflächen mittels Radar vermessen. 

„Die kompakte Technik wird eine Menge neuer Anwendungen erschließen“, ist sich Zwick sicher. Ein entscheidender Faktor dafür ist die kostengünstige Fertigung bzw. automatisierte Weiterverarbeitung. Aufgrund des Standard-SMD-Gehäuses ist der Radarchip kompatibel mit gängigen Bestückungsprozessen. Damit ist das Radar-Frontend von Endanwendern auch ohne spezielle Kenntnisse der Hochfrequenztechnik in einem industriellen Prozess einsetzbar. „Von Massenanwendungen sind wir noch entfernt, aber die Messleistung unseres Mini-Radars wird gerade in besonders anspruchsvollen Messaufgaben im Vergleich zu Lasern überzeugen. Je größer die Stückzahlen, desto günstiger könnte der Chip produziert werden“, so der Hochfrequenzexperte Zwick. 

Radarsensorik in der Anwendung

Das „Echo“ von elektromagnetischen Wellen, die an einem zu messenden Objekt reflektieren, ist die messtechnische Basis eines Radars. Dabei ist das erklärte Ziel, Entfernungen, Geschwindigkeiten und Winkelpositionen von bewegten oder stationären Objekten in Relation zum Radarsensor zu messen – und das sogar gleichzeitig. Aufgrund der umfangreichen, berührungslosen Messmöglichkeiten werden Radarsensoren in zahlreichen Anwendungsbereichen eingesetzt. Hier ein paar Beispiele aus dem Alltag:

Kollisionsschutz und Sicherheit

Seinen Ursprung hat die Radartechnik im Bereich der Sicherung von See- und Luftwegen, zum Großteil im militärischen Bereich. Hier wurde Radar eingesetzt, um Schiffe und Flugobjekte im Umfeld zu detektieren und Kollisionen zu vermeiden. Noch heute basiert Sicherheitstechnik größtenteils auf Radar und wurde um weitere Anwendungen erweitert, wie etwa Bewegungsdetektoren für Alarmanlagen und automatische Türöffnen oder zur Grenzüberwachung.

Sensoren für Automobile

Radarsensorik erleichtert uns im Fahrzeugbereich den Alltag: Die Sensoren rund um ein Fahrzeug versorgen Fahrassistenzsysteme mit den nötigen Umgebungsdaten, zum Beispiel für Parkassistenten, Geschwindigkeits- und Abstandsregelungen oder Notbremsassistenten. Mit der anhaltenden Entwicklung des autonomen Fahrens werden Radarsensoren umso wichtiger, um ein sicheres und unfallfreies Fahren zu gewährleisten.

Wetterbeobachtung

Radare zur Erfassung von Wetterdaten werden als Wetterradar bezeichnet. Hierfür sind mehrere Radare vernetzt, deren Daten zur Berechnung einer Großwetterlage herangezogen werden. Eine Wettervorhersage wird durch Simulation und den Vergleich mit Daten aus der Vergangenheit abgeleitet. Messbar sind beispielsweise Bewölkung, Niederschläge oder Windgeschwindigkeiten.

Industrieautomation

Besonders im Zuge der Automatisierung von industriellen Prozessen spielen Radarsensoren eine besondere Rolle. Hier übernehmen sie Messungen zur Prozesskontrolle und Kollisionsvermeidung, indem sie Hindernisse detektieren und Entfernungen messen. Eine typische Anwendung ist die Füllstandsmessung, bei der die Standhöhe von Flüssigkeiten oder Schüttgütern in einem Behälter gemessen wird. Bei Bestückungsrobotern in Montagestraßen verhindert die Abstandsmessung vor allem Kollisionen.

Verkehrsüberwachung

Ein klassisches Beispiel für Entfernungsmessung mit Radar ist die Geschwindigkeitsüberprüfung bzw. die Blitzertechnik. Hier gibt die Änderung des Abstands zwischen Sender und Empfänger resultierend durch die Bewegung des Fahrzeugs Aufschluss über die Geschwindigkeit, genauer gesagt über die Frequenzverschiebung der Wellen. Bei Geschwindigkeitsüberschreitungen wird der Blitzer ausgelöst. Messbar sind zudem Abstände zwischen Verkehrsteilnehmern für dynamische Verkehrsleitsysteme.

Lokalisierung und Mapping

In der frühen Entwicklung sind intelligente Roboter oder unbemannte Flugobjekte, die ihre Umgebung abtasten und gleichzeitig eine Karte aus den Daten erstellen. Messtechnische Grundlage für diese simultane Lokalisierung und Kartierung können Radarsensoren sein. Nützlich wäre diese Lösung vor allem im Bereich Rettung und Katastrophenschutz.

Prof. Dr.-Ing. Thomas Zwick

Professor Zwicks Werdegang begann in Karlsruhe bereits mit der akademischen Ausbildung an der damaligen Universität Karlsruhe (TH), heute KIT. Er erlangte dort sowohl sein Ingenieurdiplom (1994) als auch später die Promotion (1999) am Institut für Hochfrequenztechnik und Elektronik (IHE). Danach war er zunächst weiterhin als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut tätig und wechselte 2001 in die Industrie zum T. J. Watson Research Center des IT-Unternehmens IBM in den USA. Dort beschäftigte er sich mit miniaturisierten Millimeterwellen-Modulen. Nach drei Jahren kehrte er zurück nach Deutschland und übernahm als Gruppenleiter die Entwicklung von Hochfrequenztechnik für automobile Anwendungen bei der Siemens AG in Lindau.

2007 berief das KIT ihn zum Professor an seinem ehemaligen Institut, dem Institut für Hochfrequenztechnik und Elektronik (IHE), an dem er seither als Professor und Institutsleiter tätig ist. Seine Forschung deckt ein weites Spektrum ab – von Grundlagenforschung zu neuartigen Komponenten und Konzepten der Hochfrequenztechnik bis hin zu anwendungsorientierten Lösungen, wie zum Beispiel Radarsensoren für die Industrieautomatisierung und Systemen zur Gigabit-Funkübertragung. Prof. Zwick wurde 2014 und 2017 für seine herausragende Lehre unter anderem in den Vorlesungen Antennen und Mehrantennensysteme sowie Grundlagen der Hochfrequenztechnik mit dem Fakultätslehrpreis ausgezeichnet. Weitere Anerkennung seiner Arbeit wurde ihm 2017 durch die Berufung zum Mitglied in die Heidelberger Akademie der Wissenschaften und 2018 durch die Benennung zum IEEE Fellow zu teil.