Was ist ein Millimeterwellenradar?
Ein Millimeterwellenradar ist ein Radar, der Millimeterwellen (Wellenlänge: 1 mm bis 10 mm/Frequenz: 30 GHz bis 300 GHz) nutzt, um die Entfernung, den Standort und die relative Geschwindigkeit eines Objekts zu ermitteln.
Zu den gängigen Sensoren zur Entfernungsmessung gehören neben dem Millimeterwellenradar auch LiDAR, Ultraschall und Stereokameras. Die Vorteile des Millimeterwellenradars liegen darin, dass es Entfernungen von 150 m und mehr erfassen kann. Es wird nicht durch Sonnenlicht, Regen oder Nebel beeinträchtigt. Zu den Nachteilen gehört die Schwierigkeit, Objekte mit geringem Reflexionsvermögen für Radiowellen zu erkennen, wie z. B. Pappe und Styropor.
Anwendungen von Millimeterwellenradaren
Millimeterwellenradare werden in Kraftfahrzeugen, Industriemaschinen und Drohnen eingesetzt. Besonders häufig werden sie in Kraftfahrzeugen als Sicherheitseinrichtung eingesetzt.
ADAS (Advanced Driver-Assistance Systems) ist eine Sicherheitseinrichtung, die derzeit in Autos weit verbreitet ist. Das 76-GHz-Band des Millimeterwellenradars wird zur Erkennung des Straßenverlaufs für ADAS-Funktionen wie adaptive Geschwindigkeitsregelung und Bremsen zur Vermeidung von Kollisionsschäden verwendet. Der Radar wird zur Erkennung der vorausliegenden Straße eingesetzt. Um eine höhere Auflösung und bessere Genauigkeit zu erreichen, wird das System in Zukunft auf das 79-GHz-Band umgestellt.
Darüber hinaus wird für die Überwachung des toten Winkels das 24-GHz-Band verwendet. Der Millimeterwellenradar wird mit der zunehmenden Entwicklung automatisierter Fahrzeuge noch stärker zum Einsatz kommen.
Funktionsweise von Millimeterwellenradaren
Ein Millimeterwellenradar besteht im Wesentlichen aus einem Synthesizer, der die gesendeten Radiowellen verarbeitet, einer Tx-Antenne, die die Radiowellen sendet, einer Rx-Antenne, die die reflektierten Radiowellen empfängt, und einer CPU, die die empfangenen Signale verarbeitet.
Die Funktionsweise des Millimeterwellenradars besteht darin, dass die vom Synthesizer verarbeiteten Funkwellen vom Radar über die Tx-Antenne gesendet werden, die vom Objekt reflektierten Funkwellen von der Rx-Antenne empfangen und von der CPU verarbeitet werden, um die Entfernung und andere Parameter zu messen.
Die wichtigsten Methoden zur Messung von Entfernung und Geschwindigkeit sind die Impulsmethode und die FMCW-Methode. Der Winkel wird hauptsächlich mit der elektronischen Abtastmethode gemessen.
1. Impulsverfahren
Bei dieser Methode werden Impulse hochlinearer Radiowellen im Millimeterwellenbereich ausgesendet und die Entfernung anhand der Zeit berechnet, die die reflektierten Radiowellen benötigen, um vom Objekt zurückzukehren.
2. FMCW-Methode
Bei dieser Methode werden Funkwellen mit zeitlich variierender Frequenz gesendet und die Entfernung anhand der Schwebungsfrequenz (Frequenzdifferenz) berechnet, die durch die Interferenz zwischen dem gesendeten Signal und dem vom Objekt zurückreflektierten Signal entsteht.
3. Elektronische Abtastmethode
Diese Methode verwendet mehrere Rx-Antennen und erfasst die Phasendifferenz zwischen den einzelnen Antennen. Aus der Phasendifferenz kann der Winkel des gemessenen Objekts berechnet werden.
Weitere Informationen zum Millimeterwellenradar
1. Genauigkeit des Millimeterwellenradars
Ein Millimeterwellenradar strahlt kurze Wellenlängen in die Umgebung ab und kann so Hindernisse und Objekte in der Nähe mit hoher Genauigkeit erkennen. Er hat eine hohe Objektauflösung und kann die Form eines Objekts und dessen Bewegung (oder Veränderung) auf 0,1 mm genau erkennen.
Auch die Entfernung, über die Objekte erkannt werden können, ist größer als die von Infrarot- und Ultraschalllasern. Während Infrarot- und Ultraschalllaser Objekte in einer Entfernung von etwa 20 m und Ultraschalllaser in einer Entfernung von etwa 1 m erkennen können, kann der Millimeterwellenradar Objekte in einer Entfernung von 150 m erkennen.
Ein Millimeterwellenradar kann auch in ungünstigen Umgebungen eine hohe Genauigkeit beibehalten. Während Infrarot- und Ultraschalllaser aufgrund von Änderungen der Umgebungstemperatur Schwankungen in der Genauigkeit aufweisen, ist der Millimeterwellenradar ein Funksensor, was bedeutet, dass er sehr linear ist und Objekte unabhängig von der Umgebung stabil erfassen kann.
2. Funkstörungen durch Millimeterwellenradare
In Zukunft, wenn das automatisierte Fahren von Fahrzeugen weit verbreitet ist, werden Millimeterwellenradare häufiger in Umgebungen mit hoher Verkehrsdichte eingesetzt werden, und es besteht die Sorge, dass es zu Funkstörungen zwischen den Radaren kommt.
Funkstörungen könnten die Zielerfassung durch Millimeterwellenradare beeinträchtigen und zu falsch positiven Ergebnissen führen, was schwere Verkehrsunfälle zur Folge haben könnte. Damit der Millimeterwellenradar eine hohe Entfernungsauflösung erreichen kann, muss der gesamte dem Radar zugewiesene Frequenzbereich von 3-4 GHz von einem einzigen Fahrzeug genutzt werden. Es ist wichtig, eine Technologie zu entwickeln, die dies vermeidet.
3. Schwächen von Millimeterwellenradaren
Es wurde bereits erwähnt, dass der Millimeterwellenradar Objekte auch in ungünstigen Umgebungen leicht und stabil erfassen kann, aber es gibt einige Objekte, die es nicht gut erkennen kann.
Andererseits gibt es einige Objekte, die nicht gut zu erkennen sind: Relativ kleine Objekte und Objekte mit geringem Reflexionsvermögen für Radiowellen, wie z. B. Karton. Was die Entfernung zum Objekt betrifft, so ist der Millimeterwellenradar gut in der Lage, Objekte in der Ferne zu erkennen, hat aber auch die Eigenschaft, dass es schwierig ist, Objekte im Nahbereich zu erkennen.
Der Millimeterwellenradar befindet sich jedoch noch in der Entwicklung, und je nach der zukünftigen technologischen Entwicklung kann ein Radar entwickelt werden, das die oben genannten Schwächen ausgleichen kann.
4. Zukünftige technologische Trends beim Millimeterwellenradar
Obwohl LiDAR (Light Detection and Ranging) mit seiner überlegenen Erkennungsauflösung der wichtigste Sensor für das automatisierte Fahren war, ermöglichen Innovationen in der Radartechnologie eine Erkennungsauflösung, die der von LiDAR nahe kommt. Die Schlüsselbegriffe, die diese Technologie vorantreiben, sind Fortschritte in der Halbleiter-Mikrofabrikationstechnologie, erhöhte Frequenzbandbreite und Antennentechnologie wie Beamforming.
Fortschritte in der Halbleiter-Mikrofabrikationstechnologie
Die Fortschritte in der CMOS-Mikrofabrikationstechnologie ermöglichen nicht nur die Verwendung kleinerer und billigerer Millimeterwellen-Signalverarbeitungs-ICs. Die digitale Strahlformungstechnologie, die die ultimative analoge Technologie der Hochfrequenzschaltungen im Millimeterwellenbereich und die digitale Technologie nutzt, um eine hocheffiziente Strahlformung zu erreichen, wird derzeit von verschiedenen Unternehmen und Forschungsinstituten aktiv entwickelt.
Erweiterung der Frequenzbandbreite
Der wichtigste Faktor ist die kürzlich erfolgte Erhöhung der 5-GHz-Bandbreite von 76 GHz auf 81 GHz. Eine Vergrößerung der Frequenzbandbreite kann direkt zu einer Erhöhung der Radarreichweite beitragen. Die Millimeterwellenradar-Technologie gewinnt zunehmend an Bedeutung, da in naher Zukunft eine durchgehende 12,5-GHz-Bandbreite zwischen 136 GHz und 148,5 GHz im D-Band für Radar zur Verfügung stehen soll.
Fortschritte in der Antennentechnik
Fortschritte in der Antennentechnologie, insbesondere in der Gruppenantennentechnologie und der ultrakompakten, verlustarmen integrierten Modultechnologie für Gruppenantennen, sind wichtig. Dies wird eine höhere Leistung und Effizienz des Millimeterwellenradars ermöglichen.