Entwurf und Implementierung eines SISO-FMCW-Radarsystems mit additiv gefertigten Antennen zur Winkelschätzung

Abstract

Effiziente Informationsgewinnung mit möglichst geringem Ressourcenaufwand ist ein zentrales Ziel moderner Sensortechnologien. Während konventionelle Radarsysteme zur hochauflösenden Winkelbestimmung meist auf komplexe Mehrkanalarchitekturen zurückgreifen, eröffnet der gezielte Einsatz frequenzabhängiger Antennencharakteristiken neue Möglichkeiten zur Vereinfachung der Systemarchitektur. Die vorliegenden Untersuchungen verfolgen den Ansatz, mithilfe eines einkanaligen frequenzmodulierten Dauerstrich-Radars bei 60 GHz eine gleichzeitige Entfernungs- und Winkelbestimmung zu realisieren. Dabei kommen frequenzabhängig strahlende Leckwellenantennen zum Einsatz, deren Hauptstrahl sich kontinuierlich mit der Sendefrequenz schwenkt und somit eine Richtungsauflösung ermöglicht. Hierfür werden zwei additiv gefertigte Antennen implementiert und realisiert. Die erste ist eine Slow-Wave-Leckwellenantenne, die einen Strahlschwenk von ±21° im Frequenzbereich von 55 GHz bis 65 GHz realisiert, einen Gewinn von 9,5dBi aufweist und eine lineare Abhängigkeit des Strahlwinkels von der Frequenz zeigt. Die zweite Antenne besitzt ein Serpentinendesign mit einem größeren Gesamtschwenk von etwa ±38° im Bereich von 58 GHz bis 63,5 GHz und besitzt einen Gewinn zwischen 10 dBi und 13 dBi. Das mit der Serpentinenantenne realisierte Gesamtsystem ermöglicht eine Winkelauflösung von bis zu 8° sowie eine Entfernungsauflösung von etwa 30cm. Die Strukturen werden mittels hochauflösendem Stereolithografie-3-D-Druck gefertigt und im Anschluss mit Silber beschichtet, wodurch eine kostengünstige, mechanisch präzise und verlustarme Antennenrealisierung im Millimeterwellenbereich möglich ist. Die Abstrahlrichtungen der Antennen variieren mit der Frequenz und erlauben so eine Winkelauflösung über die ausgewertete Empfangsfrequenz. Durch die Verwendung von zwei Ports mit entgegengesetztem Squint-Verhalten lässt sich ein größerer Raumwinkelbereich abdecken. Diese Kombination führt zu einer virtuellen Erweiterung der Bandbreite, die die Winkelauflösung und die Entfernungsauflösung verbessert. Das Gesamtsystem basiert auf einem kommerziell verfügbaren, hochintegrierten Radarchip. Die entwickelte Antenne ermöglicht dabei eine Winkelschätzung mit nur einem Empfangskanal. Die Anbindung erfolgt über einen speziell entworfenen Wellenleiterübergang von einer Patchstruktur auf eine Hohlleiterführung, der mechanisch modular aufgebaut, simulationsgestützt optimiert und mittels additiver Fertigung präzise realisiert wird. Zur Auswertung der empfangenen Signale wird ein segmentiertes Signalverarbeitungskonzept verwendet, das sowohl Entfernung als auch Winkel der reflektierten Signale analysiert. Die daraus resultierende Zuordnung zwischen Zielreflexion und Antennenabstrahlwinkel ermöglicht eine zweidimensionale Lokalisierung. In umfangreichen Messungen wird das Gesamtsystem und seine Teilkomponenten charakterisiert. Eine Mehrzielmessung mit unterschiedlichen Reflektorpositionen bestätigt die Eignung zur gleichzeitigen Entfernungs- und Winkelbestimmung mit nur einem Kanal. Übergang, Signalverarbeitung und Antennen werden erfolgreich validiert. Das vorgestellte Konzept bietet einen vielversprechenden Ansatz, die Systemkomplexität von Radarsystemen im Millimeterwellenbereich zu reduzieren und gleichzeitig eine hohe Winkelauflösung zu ermöglichen. Die Abbildung der Richtungsinformation auf die Frequenzachse stellt eine alternative Kodierung der Raumdimension dar, die neben hardwareseitigen Einsparungen auch neue Designmöglichkeiten frequenzselektiv strahlender Antennen eröffnet.