Mikrowellensysteme: Von der Entdeckung elektromagnetischer

Mikrowellensysteme:
Von der Entdeckung elektromagnetischer Wellen
zum modernen Automobilradar
Andreas Stelzer
Institute for Communications Engineering and RF-Systems
Christian Doppler Laboratory for Integrated Radar Sensors
Johannes Kepler University, A-4040 Linz, Austria
E-mail: a.stelzer@nthfs.jku.at
Outline
• Part I: Historie and Radarapplikationen
– Entdeckung elektromagnetischer Wellen
– Erste Anwendungen
– Erfindung des Radars
• Part II: Integrierte Radarsysteme – Automobilradar
– Forschungsthema am Institut und CD-Labor
– Grundlagen von Radarsystemen und der Integration
– Entwicklungen zum aktuellen Automobilradar
• Part III: Radar- und Mikrowellenanwendungen
– Aktuelle Anwendungen an der JKU und in Kooperationen
– Weitere Anwendungen
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
1
James Clerk Maxwell (*1831 – †1879)
• A Dynamical Theory of the
Electromagnetic Field
J. Clerk Maxwell, Phil. Trans. R.
Soc. Lond. 1865 155, 459-512
• Elektrische und magnetische Kräfte
kombiniert im Elektromagnetismus
• Elektr. und magn. Felder bewegen
sich als elektromagnetische Wellen
mit c0=3·108 m/s durch den Raum
• Licht = elektromagnetische Welle
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
Maxwellgleichungen Æ Wellengleichung
Im Vakuum
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
2
Maxwellgleichungen Æ Wellengleichung
mit
homogene Wellengleichung
in einer Dimension
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
Heinrich Rudolf Hertz (*1857 – †1894)
• 1886 Entdeckung
(experimenteller Nachweis)
elektromagnetischer Wellen
Sender
Detektor
Quelle: Gudrun Wolfschmidt (Hrsg.), Von Hertz zum Handy,
Fotos: Jan Gollwitzer im Deutschen Museum
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
3
Heinrich Rudolf Hertz (*1857 – †1894)
• 1887 Welleneigenschaften
– Polarisation
– stehende Wellen
ƒ „Knoten“ und „Bäuche“
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
Wilhelm Conrad Röntgen (*1845 – †1923)
• 1895 Entdeckung der
später nach ihm
benannten
Röntgenstrahlen
• 1901 als erster einen
Nobelpreis für Physik
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
4
Antoine Henri Becquerel (*1852 – †1908)
• 1896 Entdeckung
der Radioaktivität
• Phosphoreszenz
von Uransalzen
• 1903 Physiknobelpreis gemeinsam
mit Pierre und Marie Curie
Fotoplatte von Henri Becquerel,
welche die Belichtung durch
Radioaktivität zeigt.
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
Elektromagnetisches Spektrum
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
5
THz Anwendungen vs. THz-Gap
THz-Gap
R,C, τ : Transport
Chattopadhyay, "Technology, Capabilities, and
Performance of Low Power Terahertz Sources,"
Terahertz Science and Technology, Sept. 2011
Y. Ueno and K. Ajito, “Analytical terahertz
spectroscopy,” Anal. Science, vol. 24, 2008
Linz, 16. Jänner 2012
Transition : hν/kT
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
Guglielmo Marconi (*1874 – †1937)
• 1895 erste Versuche zur drahtlosen
Kommunikation
• 1897 Gründung „Marconi‘s Wireless
Telegraph Company“
• 1899 drahtlos über Ärmelkanal
• 1901 transatlantischer Funkempfang
• 1903 transatlantische Kommunikation
• 1909 Physik Nobelpreis
• 1912 Siegeszug nach Untergang Titanic
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
6
Christian Hülsmeyer (*1881 – †1957)
• 1904 Erfindung des
Radars (Patent)
• 2. Patent auch zur
Messung der
Entfernung
Kommentar von Experten der
Deutschen Marine:
„Da die Dampfpfeifen über eine größere
Distanz gehört werden können, als
Herrn Hülsmeyers Erfindung abdeckt, ist
diese Erfindung absolut unbrauchbar.“
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
Robert A. Watson-Watt (*1892 – †1973)
• „Erfinder“ des Radars
• Direktor im britischen
Luftfahrtministerium
• Chain-Home Radar:
–
–
–
–
–
Anzahl Stationen 18
Frequenz 20-30 MHz
Leistung 350 kW
Reichweite 200 km
Entwicklung ab ca. 1935
„Die drittbeste, aber verfügbare ist
einer nicht verfügbaren zweitbesten
und einer niemals verfügbar werdenden
besten Lösung vorzuziehen.“
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
7
Funkmessgerät FuMG 39 „Würzburg“
• Feuerleitradar im 2. Weltkrieg
– im Einsatz ab 1940
– ca. 4000 Geräte im Einsatz
• Klystron-Mikrowellenröhre
Frequenz
563–566 MHz
Wellenlänge
54–53 cm
Pulslänge
2 µs
Spitzenleistung
7–11 kW
Reichweite
40–60 km
Genauigkeit
50 m
Bundesarchiv, Bild 101I-621-2930-32 / Walther / CC-BY-SA
Würzburg-Riese
–
–
–
–
–
–
• FuMG 65 – Riese
– vergrößerte Version
– bessere Winkelauflösung
Quelle: www.deutschesatlantikwallarchiv.de
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
MIM-104 Patriot
• Bodengestütztes
Flugabwehrraketensystem
Phased Array Tracking Radar to
Intercept On Target
• AN/MPQ-53-Multifunktionsradar
–
–
–
–
erste Phased-Array-Antenne
Multi-Target-Tracking
Reichweite
3–170 km
Generatoren
2x 150 kW
Quelle: www.raytheon.com
• Golfkrieg 1, 1991, „Desert Storm“
– Einsatz gegen „Scud“ Raketen
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
8
Technology Change … 100 years of Radar
• Signal Sources
–
–
–
–
–
• System Level
Magnetron
Gunn VCOs
MESFET
HEMT
HBT
– Discrete realizations
– Individual optimization
(components based)
– Bulky, expensive,
low integration levels
SingleChip
Radar
Magnetron
r
da
Ra
SiGe VCO
• Technology
Quelle: Bosch, LRR-2 Radar
– Gallium Arsenide (GaAs)
– Indium Phosphide (InP)
– Silicon Germanium (SiGe)
– Planar Boards
– Integrated Radars
Andreas Stelzer
Linz, 16. Jänner 2012
Abteilung HF-Systeme
Motivation: Automotive Radar Applications
• Adaptive Cruise Control (ACC)
• Collision warning / mitigation / avoidance
• Pre-crash sensing / controlled firing of restraints, airbags / brake
boosting
• Stop and go functionality
• Lane change warning, lane change aid
• Blind spot detection
• Parking aid, back drive assistance
Collision Mitigation
SRR
LRR
Lane Change Assist
ACC
Emergency brake
Collision Avoidance
Blind Spot Detection
ACC Stop&Go
Source: Infineon Munich from RoCC-Project
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
9
Outline
• Part I: Historie and Radarapplikationen
– Entdeckung elektromagnetischer Wellen
– Erste Anwendungen
– Erfindung des Radars
• Part II: Integrierte Radarsysteme – Automobilradar
– Forschungsthema am Institut und CD-Labor
– Grundlagen von Radarsystemen und der Integration
– Entwicklungen zum aktuellen Automobilradar
• Part III: Radar- und Mikrowellenanwendungen
– Aktuelle Anwendungen an der JKU und in Kooperationen
– Weitere Anwendungen
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
Doppler-Radar
v
Radar
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
10
Frequency Modulated (FM) Radar
frequency
Δt =
transmitfrequency
2d
c
Δt
receivefrequency
Δf
time
Intermediate frequency (IF) ∝ distance
Andreas Stelzer
Linz, 16. Jänner 2012
Abteilung HF-Systeme
Moving Target
frequency f
transmit
signal
receive
signal
Time-of-flight
shift
Dopplershift
time t
IF-frequency fIF
Δf2
Δf1
time t
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
11
FMCW Principle in the 1D Case – 2 targets
• Radar (target) resolution depends on used SWEEP BANDWIDTH
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
Signal Model - Single Receive Antenna
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
12
Signal Model - Multiple Receive Antennas
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
Multiple Uniformly Spaced Receive Antennas
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
13
2D Target Localization
n
r
temporal DTFT
m
m
r
signals at each antenna
(real-valued)
spatial DTFT
u
Linz, 16. Jänner 2012
Linz, Mar. 08-09, 2010
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
Beam Pattern I – Aperture Size
Beam pattern of an array antenna with, δ=λ/2,
and different number of radiating elements
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
14
Beam Pattern II – Windowing Function
Beam Pattern of an Array Antenna with 8 Elements,
δ=λ/2, and different Weighting-Functions (Windows)
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
Transmitter Multiplexing
Arbitrary spaced array with multiple receivers and transmitters
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
15
Non-Uniform vs. Uniform Arrays
R. Feger, C. Wagner, S. Schuster, S. Scheiblhofer, H.
Jäger, and A. Stelzer, “A 77-GHz FMCW MIMO Radar
Based on an SiGe Single Chip Transceiver,” IEEE Trans.
Microwave Theory Tech., IEEE-MTT, vol. 57, no. 5, May
2009, pp. 1020–1035.
IEEE MICROWAVE PRIZE 2011
C. M. Schmid, R. Feger, C. Wagner, and A. Stelzer,
“Design of a linear non-uniform antenna array for a 77GHz MIMO FMCW radar,” IEEE International Microwave
Workshop Series on Microwave Sensing, Local
Positioning, and RFID, (IMWS 2009-Croatia), Sept. 24–
25, 2009, pp. 41–44.
VDI PREIS (Diplomarbeit) 2010
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
Phased Array versus Digital Beamforming
digital beamforming
receive array
transmit phased array
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
16
Block Diagram – IQ Transceiver
•
•
•
•
LO daisy-chaining
IQ modulator in TX path
IQ mixer in RX path
On-chip quadrature LO
signal generation
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
LO Signal Generation – Block Diagram
• Lowpass / highpass
combination generates
+/− 45° phase shift
independent of frequency
First order polyphase filter
• LO input signal
supplied externally
by existing 77-GHz VCO
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
17
IQ Modulator – Block Diagram
Single up-conversion mixer
IQ modulator
Current-mode input stage
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
RF Frontend - Overview
• On-board 77-GHz VCO provides
LO signal
• VCO is PLL stabilized in an offsetloop configuration with a 19-GHz
VCO-based down-converter
• 4 instances of the 77-GHz IQ
transceiver are placed
• A uniform linear array antennas is
employed (half-wavelength
antenna spacing)
RF frontend with
differential patch
array antennas
77-GHz VCO with
÷4 divider
– Differential series-fed patch
antenna by Z. Tong
4x transceiver
with integrated
vector modulator
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
18
Beamforming Measurement Setup
Corner cube (radar target)
FPGA radar demonstrator
board with RF frontend
mounted on rotating table
Anechoic chamber
Andreas Stelzer
Linz, 16. Jänner 2012
Abteilung HF-Systeme
TX/RX Phased Array
• Radiation patterns for the TX phased array mode for target angles of
−45° to 45° in steps of 15°
• Comparison of simulation and measurement shows very good
agreement
• Sidelobe suppression for combined TX and RX phased array significantly
improved
TX phased array
Linz, 16. Jänner 2012
Combined TX & RX beamforming
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
19
Antenna on Board – on Chip – in a Package
• Antenna on Board (AoB)
+
+
–
–
large aperture
low-cost material
bond-wire transition
loss on PCB
• Antenna on Chip (AoC)
+
+
–
–
short interconnects
no bond-wires
low efficiency
chip area expensive
• Antenna in Package (AiP)
+
+
+
–
low cost
high efficiency
no bond-wires
medium size
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
Embedded Wafer Level Package
• Principle:
SiGe chip with re-distribution
layer and antenna on extended
fan-out area
eWLB Package Photo
Linz, 16. Jänner 2012
Simulation of an antenna in a package
A. Fischer, A. Stelzer, L. Maurer:
“ A 77-GHz Antenna and Fully Integrated Radar Transceiver in Package”
Journal of Microwaves and Wireless Technologies, (to be published).
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
20
Developments @ JKU in the last Decade(s)
• 1999: Radar with waveguides and GaAs Gunn-VCO, GaAs Freq.div.
• 2009: 2D SiGe multi-channel system
• 2012: First 77-GHz Radar with AiP in embedded wafer level package
myPhD 1999
CD-Lab 2009
Andreas Stelzer
Linz, 16. Jänner 2012
CD-Lab 2012
Abteilung HF-Systeme
Current Radar Circuits @ JKU
• Single-channel and multi-channel
• Frequencies at 24 GHz, 60 GHz, 77 GHz, 94 GHz, 122 GHz,
140 GHz 160 GHz, and 180 GHz (VCO)
• Homodyne and heterodyne systems
• on-board, on-chip, and in-package antennas
94 GHz
Linz, 16. Jänner 2012
122 GHz
140 GHz
Andreas Stelzer
160 GHz
Abteilung HF-Systeme
21
Outline
• Part I: Historie and Radarapplikationen
– Entdeckung elektromagnetischer Wellen
– Erste Anwendungen
– Erfindung des Radars
• Part II: Integrierte Radarsysteme – Automobilradar
– Forschungsthema am Institut und CD-Labor
– Grundlagen von Radarsystemen und der Integration
– Entwicklungen zum aktuellen Automobilradar
• Part III: Radar- und Mikrowellenanwendungen
– Aktuelle Anwendungen an der JKU und in Kooperationen
– Weitere Anwendungen
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
Application: Environment Scanning
• Outdoor Scenario
Baseband board with
radar frontend
Concentrated reflection centers of the cars are visible
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
22
77 GHz MIMO Measurement Results
• Detection of a small target in an anechoic chamber
50 Euro cent coin
Andreas Stelzer
Linz, 16. Jänner 2012
In addition to the dominant peak from
due to the coin, additional reflections
from the chamber are visible.
Abteilung HF-Systeme
Runway Monitoring
Measurements of foreign objects on an airport runway
By courtesy of Prof. Menzel, Ulm
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
23
Application: Bulk Material Monitoring
• Surface scanning
Overlay of photograph
and radar raw data
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
Blast Furnace Radar (Voest Alpine AG)
• 3D-Radar within Blast-Furnace
for surface scanning
• harsh conditions (temp., dust)
• MIMO principle
• >100 virtual antennas
• high resolution
• ACCM project
By courtesy of Voest Alpine, Linz
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
24
Ground Penetrating Radar / Mine Detection
•
•
•
•
Ultrawideband (UWB) system
low-frequency (penetration)
Clutter/noise reduction
Impulse response processing
PMA 3 Mine
Jugoslawien
Test bed
Test objects
Linz, 16. Jänner 2012
PMA 1 Mine
Jugoslawien
PMA 2 Mine
Jugoslawien
Andreas Stelzer
PMN Mine
Russland
Abteilung HF-Systeme
Mine Detection
PMN Mine
Charakterisierung
PMA-1 IR prozessiert
PMA-2 IR prozessiert
Rohdaten einer vergrabenen
PMN Mine
PMA-3 IR prozessiert
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
PMN IR prozessiert
Abteilung HF-Systeme
25
SAR Scanning – License Plate
License plate
2-dimensional SAR image
•
•
•
•
SAR picture of a license plate
far beyond radar resolution limit
phase evaluation
polarimetric measurement
Polarimetric Radar image
Haderer, P. Scherez, J. Schrattenecker, A. Stelzer,
“Real-Time Implementation of an FMCW Backprojection Algorithm
for 1D and 2D Apertures”, European Radar Conference 2011
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
SAR Scan of Metallic JKU lettering
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
26
Scanning Microwave Microscopy (Agilent Labs)
• Based on conventional AFM
• Measurement of dielectric
constants from 0.5–50 GHz
• Near field scanning probe
• Imaging with nanometer-scale
spatial resolution
• Material science, semiconductor
devices, life-sciences
Topography
Dopant density
nm
250
125
2 µm
2 µm
1
4
0
n-doped
channel
500 nm
Courtesy of Agilent Labs, Linz
Andreas Stelzer
Linz, 16. Jänner 2012
Abteilung HF-Systeme
Medical: Navigator and Trigger for MRI
• Remote monitoring and
diagnostic analysis of respiration
and cardiac motion
• MRI navigator and trigger
UWB controller
ECG
MR-sequence
UWB antennas
cardiac UWB component
respiration UWB
selected UWB trigger
amplitude /a.u.
0.5
0
-0.5
-1
18
20
O. Kosch, F. Thiel, F. Scotto-di-Clemente,
M.A. Hein, F. Seifert, Proc. ICEAA/APWC Torino, 2011
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
22
24
26
t /s
28
30
32
34
By courtesy of Prof. Hein, Illmenau
Abteilung HF-Systeme
27
„Maxwellscher Teufel“
Active Denial System
• Mikrowellenwaffen
• Active Denial System (ADS)
• US-Luftwaffe
Joint Non Lethal Weapons
Directorate
• 2006 im Irak im Einsatz ?
• Hochleistungsstrahlung bei 95 GHz
• Reichweite 500 – 2000 m
• Eindringtiefe in Haut ~0,4 mm
Æ äußerst schmerzhafte Hitze
• vgl. Mikrowellenherd nur wirksam
an Hautoberfläche
• ABC-Waffen Æ E-Waffen
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
Danksagung
•
•
•
•
•
•
Johannes Kepler Universität
Land Oberösterreich
Christian Doppler Forschungsgesellschaft
DICE und Infineon
Österr. Forschungsförderungsgesellschaft
Austrian Center of Comp. in Mechatronics
• Industriepartner: DICE, Infineon, Siemens, Voest, Fronius,
AVL List , Kapsch, Bosch, EPCOS, Abatec, DS-Automotion,
Indurad, DK-Vermessung, ECON, Liebherr, Rohde&Schwarz,
CTR, Ott, BMW, etc….
• Mitarbeitern, Dissertanten, Diplomanden, Studenten,
an der Abteilung für Hochfrequenzsysteme
Linz, 16. Jänner 2012
Andreas Stelzer
Abteilung HF-Systeme
28