Selbstmischendes Millimeterwellen-Radarverfahren zur berührungslosen Abstands- und Materialanalyse

Dieses neuartige Millimeterwellen-Radarverfahren, bei dem der Empfänger vollständig vom Sender entkoppelt ist und alle Messinformationen ausschließlich aus den empfangenen Echosignalen gewonnen werden – ohne jede Referenz zum Sendesignal. Die Reflexion eines bekannten Referenzobjekts ersetzt die Referenz des Senders und ermöglicht die berührungslose Messung relativer Abstände sowie die Bestimmung von Materialeigenschaften zwischen Objekten. Das Verfahren zeichnet sich durch eine stark reduzierte Empfängerkomplexität, eine flexible Systemarchitektur und eine deutlich verbesserte Radarempfindlichkeit aus.

• Vollständige Tx/Rx-Entkopplung – multistationäre Systeme möglich
• Stark reduzierte Empfängerkomplexität mit positiver Konversionsverstärkung
• Verbesserte Radarempfindlichkeit 3–4-fach höhere Auflösung gegenüber aktuellen Automotive-Radarsensoren
• Bestimmung der physikalischen Parameter – Abstand oder Materialeigenschaften: Das Verfahren ermittelt wahlweise den Abstand zwischen Reflexionsobjekten (bei bekanntem Ausbreitungsmedium) oder die Materialeigenschaften, wie etwa die Permittivität (bei bekanntem Abstand). Dieses inverse Messprinzip ermöglicht Anwendungen, die mit konventionellem FMCW-Radar nicht erreichbar sind.
• Funktionsfähigkeit im breiten Frequenzbereich – E-Band (71–86 GHz) und D-Band (110–170 GHz) demonstriert.
• Gezielt für industrielle, medizinische und sicherheitstechnische Anwendungen positioniert

MiRadOR bestimmt die relativen Abstände zwischen Schichtgrenzen (bei bekanntem Ausbreitungsmedium) oder – bei bekanntem Abstand – Materialeigenschaften wie die Permittivität. Dieses inverse Messprinzip erweitert herkömmliche FMCW-Füllstandsradare um zusätzliche Messoptionen. Außerdem nutzt es das berührungsfreie, radarbasierte System zur Detektion von Herzschlag, Atemfrequenz und Organlage. MiRadOR verwendet gezielt die starke Hautreflexion als Referenz – ideal für die tiefenselektive Herztonmessung, die mit herkömmlichem Doppler-Radar nicht möglich ist. Es erkennt Delaminierungen, Lufteinschlüsse und Schichtübergänge in Faserverbundwerkstoffen (wie CFK, GFK), beispielsweise in Windkraftrotoren und Luftfahrtbauteilen. Das Projekt InFaRo (2016–2020, Förderkz. 0324055D) vom BMWi, in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IAF und der Composcan GmbH, hat diese Technologien bereits erprobt. Die getrennten Sende- und Empfangseinheiten ermöglichen innovative Walk-through-Scanner-Designs für Flughäfen, Grenzkontrollen und die Industriesicherheit. Auch Brief- und Paketscanner profitieren von der Fähigkeit zur Materialunterscheidung.

Millimeterwellen-Radar (mmWave, 30–300 GHz) hat sich in den vergangenen Jahren zur Schlüsseltechnologie für berührungslose Sensorik in Industrie, Medizintechnik und Sicherheitstechnik entwickelt. Der globale Radarsensormarkt wächst mit einer CAGR von über 10 % und umfasst 2024 ein Volumen von rund 21 Mrd. USD (IMARC Group). Besonders dynamisch wachsen die radarbasierte kontaktlose Vitalzeichenüberwachung (CAGR 11,3 %; Fortune Business Insights) und der Markt für Millimeterwellen-Körperscanner (CAGR 14,1 %; Mordor Intelligence). Konventionelle Radarsysteme – ob monostatisch, bistatisch oder passiv – basieren sämtlich auf einem kohärenten Vergleich zwischen dem Sendesignal und dem empfangenen Echo, was eine enge zeitliche und frequenzmäßige Kopplung zwischen Sender und Empfänger voraussetzt.

Alle bekannten Radarverfahren zur Abstandsmessung zwischen Reflexionsobjekten erfordern eine gemeinsame Zeit- bzw. Frequenzbasis zwischen Sender und Empfänger – beide müssen kohärent arbeiten. Diese Kopplung von Sender und Empfänger führt zu hoher Systemkomplexität, aufwendiger Synchronisationselektronik und hohem Rechenaufwand. In zahlreichen praktischen Anwendungen ist jedoch nicht der absolute Abstand zwischen Radarsensor und Objekt gesucht, sondern der relative Abstand zwischen den einzelnen Reflexionszentren (z. B. Schichtdicken, Materialgrenzen, Einschlüsse). Für diese Messaufgaben ist die starre Sender–Empfänger-Kopplung unnötig komplex und kostenintensiv.

MiRadOR (Self-Mixing Millimeter-Wave Radar) löst dieses Problem durch ein grundlegend neues Messprinzip: Die Reflexion eines bekannten Referenzobjekts – typischerweise die erste, stark reflektierende Materialoberfläche – ersetzt im Empfänger die Referenz des Lokaloszillators, welche konventionell aus dem Sendesignal abgeleitet ist. Zwei oder mehr empfangene Echosignale werden in einem nichtlinearen Empfänger direkt miteinander gemischt (Selbstmischung). Das Mischprodukt enthält eine Differenzfrequenz, die proportional zum relativen Abstand bzw. zu den Materialeigenschaften zwischen den Reflexionsobjekten ist.

Der Empfänger ist vollständig physikalisch und frequenztechnisch vom Sender entkoppelt – weder ein gemeinsamer Lokaloszillator noch keine physikalische Verbindung zwischen Tx und Rx benötigt. Dies ermöglicht erstmals echte multistationäre Radararchitekturen, bei denen mehrere räumlich verteilte Empfänger ein und dasselbe Sendesignal nutzen. Im Rahmen des DFG-Transferprojekts MIRADOR (DFG-Gz. KA 3062/17-1) wurde ein vollständig aufgebauter und messtechnisch verifizierter E-Band-Demonstrator (71–86 GHz) realisiert, der einen GaAs-MMIC-Verstärker und eine SIW-Hornantenne integrierte und erfolgreich auf dem Fließband eingesetzt wurde (TRL 6). Das Kernbauteil ist ein neuartiger Zwei-Port-Self-Mixing-Mischer (SMM) in 130-nm-SiGe-BiCMOS-Technologie. Zusätzlich konnte durch Simulation die dreidimensionale Radarbildgebung nachgewiesen werden.

1. Wörmann, Janis; Singhal, Prakhar; Kallfass, Ingmar (2024): An Ultra-Wideband Two-Port Cascode Self-Mixing Mixer in 130 nm SiGe for Use in Incoherent Radar. In: 2024 European Microwave Conference (EuMC), accepted paper. 2024 European Microwave Conference (EuMC). Paris, France.
2. Das vorige Paper ist angenommen bei der im Sept. 2024 in Paris stattfindenden European Microwave Week EuMW. DOI zurzeit nicht verfügbar. Preliminary Paper abrufbar unter: bwsyncandshare.kit.edu/s/nWLL5fRWe7ikAed
3. Wörmann, Janis; Ebeling, Sven; Schoch, Benjamin; Kallfass, Ingmar (2022): Design of a Wideband E-band Radar Frontend for a Novel Incoherent Self-Mixing-Radar-Principle. In: 2022 IEEE/MTT-S  International Microwave
4. Symposium. 19-24 June 2022, Denver, Colorado, USA. 2022 IEEE/MTT-S, International Microwave Symposium - IMS 2022. Denver, CO, USA, 6/19/2022 - 6/24/2022. Institute of Electrical and Electronics Engineers; IEEE Microwave Theory and Techniques Society. Piscataway, NJ: IEEE, S. 538–541. DOI:10.1109/IMS37962.2022.9865251
5. Jandt, Marvin; Eberspächer, Mark; Kallfass, Ingmar (2021): Radar imaging based on multiple non-coherent antennas. In David A. Wikner, Duncan A. Robertson (Eds.): Passive and Active Millimeter-Wave Imaging XXIV. 12–16 April 2021, online only, United States. SPIE. Bellingham, Washington, USA: SPIE (Proceedings of SPIE, volume 11745), 1174503. DOI: 10.1117/12.2585568