Batterien rücken in den Fokus - embedded brains
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www.design-elektronik.de
2020
J u n i
EUR 7,50
Batterien
rücken in den Fokus
DigiKey_Snipe_DE 05.pdf;S: 1;Format:(60.00 x 50.00 mm);28.Apr 2020 10:12:29
Single-Pair-Ethernet Messtechnik
Der IIoT-Verbindungsstandard? Radar geht auch viel kleiner.
Passive Bauelemente Interview Prof. Leo Lorenz
Spezieller Folienkondensator PCIM-Konferenz: Batterien
sorgt für mehr Reichweite. rücken in den Fokus.
On-Chip-Radarsensoren / Messtechnik
erzielende Genauigkeit enorm: Mit einem
120-GHz-Radar lässt sich bei zwei Metern
Messabstand eine Abstandsänderung von
20 Mikrometern erfassen, was einer Ände-
rung des Zeitversatzes um kaum mehr als
0,1 Pikosekunden entspricht. Dies gelingt
technisch durch Phasenvergleich der be-
nutzten HF-Oszillatoren.
Aus der Stärke des reflektierten Signals
kann grob auf die Größe des Objekts ge-
schlossen werden. Die Genauigkeit dieser
Messgröße ist insofern eingeschränkt, als
dass die Signalamplitude stark von der Ent-
Bild: ktsdesign/Adobe Stock
fernung und von Form und Material des
Objekts abhängt. Etwas schwieriger ist die
Messung der Richtung eines Objekts. In der
Regel wird dies durch eine starke Bünde-
lung des Radarstrahls in Kombination mit
dem räumlichen Abtasten durch eine be-
wegte Antenne bewerkstelligt. Dieser Auf-
Radar geht
bau mit einer sich drehenden Parabolan-
tenne ist allerdings mechanisch aufwendig
und daher für Miniatursensoren weniger
geeignet. Eine Richtungserkennung auf
auch viel kleiner
elektrischer Basis lässt sich realisieren,
indem mehrere räumlich versetzte Anten-
nen zum Einsatz kommen. Je nach Einfalls-
richtung des gesendeten beziehungsweise
reflektierten Signals sind die Verzögerun-
Mit Parabolantennen vergangener Zeiten haben On-Chip-Radarsenso- gen geringfügig unterschiedlich, womit
ren äußerlich nichts mehr gemein. Sie arbeiten mit hohen Frequenzen, sich auf die Richtung schließen lässt. Dies
setzt allerdings einen ausreichend breiten,
und Antennen sowie HF-Elektronik befinden sich auf einem kleinen
gestreuten Radarstrahl voraus, weswegen
Chip. Für Hightech-Anwendungen sind hochkomplexe Multi-Antennen- eine Richtungserkennung nur über nicht
Systeme erhältlich, aber es gibt auch einfache, kostengünstige allzu große Entfernungen möglich ist.
Sensoren. Letztere können zwar nur Bewegungen detektieren – aber Ebenso ist es schwierig, verschiedene
Objekte zu unterscheiden. Sind die Objekte
mit ein wenig mehr Designaufwand sind sie für erstaunliche Messungen
unterschiedlich weit entfernt, lassen sich
einsetzbar, die mit anderen Verfahren so kaum möglich sind. die nacheinander eintreffenden Reflexio-
nen unterscheiden und auch hinsichtlich
Prof. Dr.-Ing. Matthias Göbel diverser Richtungen auswerten. Wegen der
Projektleiter winzigen Zeitunterschiede setzt dies jedoch
Peter Rasmussen eine sehr aufwendige Signalauswertung
Managing Director, beide Embedded Brains voraus. Darüber hinaus verschwindet der
R
Zeitunterschied bei mehreren Objekten in
adar arbeitet ähnlich wie sehr klein ist: Die gemessene Signalstärke gleicher Entfernung aber unterschiedlicher
Echolot: Elektromagnetische nimmt mit der vierten Potenz zur Entfer- Richtung. Um uneindeutige Messungen
Wellen werden ausgesandt, nung ab (jeweils quadratisch für die gesen- beziehungsweise die Detektion von Phan-
die Objekte reflektieren; das dete Welle und die reflektierte Welle). Die tomobjekten zu vermeiden, benötigt man
zurückgestrahlte Signal wird Sendeleistung lizenzfreier Radarsensoren eine größere Zahl von Sende- und/oder
dann gemessen. Aus der Lauf- ist in den meisten Frequenzbändern auf Empfangsantennen (sogenannte MIMO-
zeit zwischen dem gesendeten Signal und 100 mW begrenzt, daher bewegen sich die Systeme, Multiple-Input, Multiple Output).
der empfangenen Reflexion lässt sich gemessenen Signale im nV-Bereich.
die Entfernung bestimmen, aus der Fre- Höhere Ansprüche werden an die ■■ Anwendungsbereiche
quenzverschiebung die Bewegung bezie- zeitliche Genauigkeit gestellt. Da die Si-
hungsweise Geschwindigkeit. Diese beiden gnalausbreitung mit Lichtgeschwindig-
von Radar
Messgrößen sind die genauesten, die sich keit erfolgt, liegt die Verzögerung zwi- Am einfachsten gelingen Abstands- und
messen lassen. Dabei sind die eingesetz- schen Sende- und Empfangssignal bei Geschwindigkeitsmessungen im freien
ten Frequenzen hoch – üblich sind 1 GHz einem Meter Entfernung bei lediglich Raum (Tabelle 1). Seit Langem kommt
bis 300 GHz – während das Messsignal 0,006 Mikrosekunden. Dennoch ist die zu Radar daher in der Luftraum- und Ver-
DESIGN&ELEKTRONIK 06/2020 17
Messtechnik / On-Chip-Radarsensoren
Systeme im Zusammenhang mit Menschen
Sehr gut Etwas schwieriger Sehr schwierig
im Erfassungsbereich haben.
Abstand (0,05-50 m) Richtung Große Zahl von Objekten Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit
durch Materialien hindurch zu messen. Je
Unterscheidung verschiedener
Geschwindigkeit (0,1-100 ms-1)
Objekte
Form von Objekten nach Frequenz gehen Radarstrahlen auch
durch Wände oder Gefäße und können
Tabelle 1: Messgrößen von Radarsystemen. Die Zahlenangaben beziehen sich auf gängige damit in abgeschlossene Bereiche hinein
On-Chip-Sensoren. messen. Dies eröffnet vielfältige Möglich-
keiten zum Beispiel in der verarbeitenden
Industrie: Um durch Schutzgehäuse hin-
Positiv Zu beachten Eher negativ
durch oder um Flüssigkeiten, die sich in
Extrem präzise Abstands- und Schlechte räumliche Auflösung Behältern oder Rohrleitungen befinden,
Stromverbrauch (10-300 mW)
Geschwindigkeitsmessungen (außer MIMO-Radar) von außen zu messen.
Kann durch Wände messen (je Aufwand für Frequenzstabili-
nach Frequenz) sierung ■■ Modulationsverfahren für
Erfasst keine personenbezo- Lizenzfrei für zugelassene verschiedene Messungen
genen Daten (Anonymität der Frequenzbänder und Sendeleis-
Messung) tungen Die Preise für die reinen Sensoren (Antenne
und HF-Elektronik) bewegen sich je nach
Tabelle 2: Eigenschaften von On-Chip-Radarsystemen. Ausführung und Stückzahl im ein- oder zwei-
stelligen Euro-Bereich. Damit erhält man ein
kehrsüberwachung zum Einsatz. Mit den ausgeblendet werden, ohne die übrige Er- Frontend, bei dem Sende- und Empfang zu
höheren Frequenzen der On-Chip-Senso- kennung zu beeinträchtigen. Dies lässt sich steuern und auszuwerten sind. Hierfür gibt
ren, Bild 1 zeigt den Musteraufbau eines beispielsweise dafür nutzen, um Zugangs- es mehrere Modulationsverfahren für unter-
On-Chip-Radarsystems, lassen sich nun schutz für Menschen zu bewirken, aber die schiedliche Messzwecke. Beim Dopplerradar
auch kürzere Distanzen in Innenräumen Objekte im Umfeld auszublenden. Ebenso als einfachstes Verfahren wird ein Sendesi-
genau vermessen, zum Beispiel um Si- kann man Lichtschranken durch Distanz- gnal mit konstanter Frequenz emittiert. Ein
cherheitsabstände zu gewährleisten. Die messen ersetzen und damit viele Zugangs- solches Radar ist auch als Dauerstrichradar
höhere Genauigkeit gegenüber einfa- probleme und Störungen vermeiden. oder CW-Radar (Continuous Wave Radar)
chen anderen Sensoren ist jedoch nicht Die hohe Auflösung ist auch nützlich, bekannt. Bewegt sich ein Objekt relativ zum
verschwendet, denn die präzisen Daten um beispielsweise Vitalfunktionen aus der Sensor, so verändert sich die Frequenz des
lassen sich sehr gut dafür nutzen, um die Distanz zu überwachen. Natürlich ersetzt reflektierten Signals (Dopplereffekt). Aus
Erkennung zu optimieren. ein Radar keinen Patientenmonitor im der Größe der Frequenzverschiebung lässt
Beispielsweise ist es möglich, bei Krankenhaus, aber er macht es möglich, sich die Geschwindigkeit messen. Die Dis-
Alarmanlagen oder in Sicherheitsberei- Lebenszeichen (Atmung oder Herzschlag) tanz zum Sensor ist so allerdings nicht zu
chen präzise einzugrenzen, ab welcher aus mehreren Metern Entfernung zu er- bestimmen. Hierzu finden Modulationsver-
Entfernung ausgelöst wird – und zwar un- fassen und ist damit für Anwendungen in fahren, die auf einer Variation der Sende-
abhängig von der Größe des Objekts (Ta- Alten- und Pflegeheimen interessant. Die frequenz beruhen, Verwendung.
belle 2). Weiterhin lässt sich die Erkennung geringe räumliche Auflösung ist dabei Um auch den Abstand bewegter Ob-
auch von der Geschwindigkeit der Objekte sogar von Vorteil, denn Radarmessungen jekte messen zu können, wird bei einem
abhängig machen, also bei Objekten mit sind – beim heutigen Stand der Technik – FSK-Radar (Frequency Shift Keying Radar)
hoher Geschwindigkeit früher auslösen als anonym. Somit werden keine personenbe- die Radarfrequenz in konstanten, kurzen
bei sich langsam bewegenden Objekten. zogenen Informationen erhoben – ein Pro- Intervallen zwischen zwei Frequenzen um-
Damit können auch die statischen Objekte blem, das so gut wie alle kamerabasierten getaktet (moduliert). Das Dopplersignal
eines bewegten Objekts verändert jeweils
die hohe und niedrige Frequenz, diese un-
terscheiden sich aber in der Phasenlage
– womit sich der Abstand eines bewegten
Objekts berechnen lässt.
Beim FMCW-Radar (Frequency Mo-
dulated Constant Wave Radar) wird die
Radarfrequenz periodisch verändert (mo-
duliert). Häufig ist dabei eine sägezahn-
förmige, dreiecksförmige, treppenför-
Bild: Embedded Brains
mige oder auch sinusförmige Modulation
im Einsatz. Durch die Modulation ergibt
sich eine Frequenzdifferenz zwischen dem
aktuell gesendeten und dem verzögerten
Bild 1: So kann der Aufbau eines On-Chip-Radarsystems aussehen. Möglich damit ist zum Beispiel Echosignal, was dazu dient, den Abstand
eine Objekt- und Umwelterkennung mit Bestimmung der Geschwindigkeit und Richtung. eines nicht nur bewegten, sondern auch
18 DESIGN&ELEKTRONIK 06/2020
Reinhardt_DE_06_.pdf;S: 1;Format:(105.00 x 143.00 mm);05.May 2020 09:29:32
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eines zum Radar ortsstabilen Objekts zu
berechnen. Ebenso wie beim CW-Radar
kann auch die Frequenzänderung durch Incircuit-Funktionstestsysteme,
den Dopplereffekt dazu verwendet werden,
um die Geschwindigkeit zu ermitteln.
Adaptionen, Kabeltester
Mehrere unabhängig voneinander ar- ▷ Testsysteme für elektronische Flachbaugruppen,
beitende Sende- und Empfangsantennen Module und Geräte für die Qualitätssicherung
finden beim MIMO-Radar (Multiple Input ▷ Incircuit- und Funktionstest, Boundary Scan,
Multiple Output Radar) Verwendung. Die Mehrfachnutzentest, Paralleltest (auch Flashen),
feste Anordnung der Antennen zueinan- Displaytest, EOL
der ermöglicht im Zusammenhang mit den ▷ praxisnahe und anwenderfreundliche Testpro-
unterschiedlich modulierten Signalen der grammerstellung, hohe Prüfschärfe und Prüftiefe
einzelnen Sender eine Bestimmung der ▷ breitestes Spektrum an Produkten für das auto-
Richtung eines Objekts und, bei einer grö- matische Testen aus eigener Entwicklung
ßeren Zahl von Antennen, die Unterschei- ▷ Stand-alone und Inline-Einsatz
dung verschiedener Objekte. Dies erfordert
▷ manuelle und pneumatische Adaptionen
eine sehr komplexe Signalverarbeitung
▷ Niederhaltersysteme für bis zu 1000 gefederte
und stellt hohe bis sehr hohe Ansprüche
Kontaktstifte
an die Leistung und Geschwindigkeit der
▷ austauschbare Adapterplatten (Nadelbett)
Signalverarbeitung.
▷ langlebig und geringe Folgekosten
■■ Ansprüche an die ▷ MCT192 Kabel- und Backplanetester mit 192
technische Umsetzung Messkanälen
▷ Teststecker für viele gängige Kabel
Das alles verdeutlicht, dass die Art des Be- ▷ optionales Lochrasterfeld
triebs sowie die Präzision der Steuerung ▷ Prüfprogrammerstellung mit Autolern von einem
und Auswertung bestimmen, welche Leis- Goldenen Prüfling oder über Softwareeditor
tung ein Radarsystem hat und wie dessen
REINHARDT
Eigenschaften aussehen. Hier sind hohe
Anforderungen an die (letztlich analoge)
Kontrolle der Sendeeinheiten und vor al- System- und Messelectronic GmbH
lem an die Verarbeitung der Empfangssi- Bergstr. 33 D-86911 Diessen Tel. 08196 934100 Fax 08196 7005
gnale zu stellen. Dies betrifft zeitliche wie E-Mail: info@reinhardt-testsystem.de http://www.reinhardt-testsystem.de
auch Linearitätsaspekte. Für die analogen
Ausgänge der Empfangseinheiten können
für jede Antenne Abtastraten im (zweistel-
ligen) MHz-Bereich notwendig werden. Im Sendeleistung stark den Energieverbrauch. möglichst große Variation der Sendefre-
Forschungskontext findet man Sensoren, Gestalterische Optimierungsmöglichkeiten quenz nötig. Die Ausnutzung der zuläs-
die mehrere Dutzend Antennen von der liegen daher primär in der Modulation und sigen Frequenzbandbreite erfordert wie-
Größe eines Fingernagels haben und den- im gepulsten Betrieb des Senders. derum eine Kontrolle der Sendefrequenz,
noch maximal leistungsstarke Prozessoren Darüber hinaus sind in der praktischen um im zulässigen Bandbereich zu bleiben.
beziehungsweise FPGAs voll auslasten. Ein Umsetzung einige Aspekte zu beachten. Geeignete, einfache Kalibriermethoden
ausgeklügeltes Signalverarbeitungsdesign So sind beispielsweise die HF-Oszillato- können hierfür hilfreich sein.
erweist sich daher als Schlüssel für kosten- ren als solche nicht sehr frequenzstabil,
und leistungsoptimierte Radarsensoren. da sie als VCO oder Ähnliches ausgelegt ■■ Fazit
Um die Erfassung zu optimieren, lassen sein müssen, um eine Variation der Fre-
sich auch verschiedene Modulationsarten quenz zu ermöglichen. Eine typische On-Chip-Radarsensoren erlauben es,
wechselseitig beziehungsweise situations- Frequenzstabilisierung mithilfe einer PLL kleine und leistungsstarke Systeme kosten-
abhängig einsetzen. und einer Quarzreferenz ist auch für Ra- günstig zu realisieren. Insbesondere für die
Selbstverständlich bleiben auch die daranwendungen denkbar. Allerdings ist Messung von Distanz und Geschwindigkeit
Sensoreigenschaften von Bedeutung. hierfür ein Frequenzteiler notwendig, der und mit der Möglichkeit der Durchdrin-
Diese betreffen aber im Wesentlichen die mit Eingangssignalen im Bereich von ty- gung von Wänden weisen sie Vorteile
technische Auslegung (Betriebsfrequenz, pisch 24 GHz bis 120 GHz gespeist wird. gegenüber anderen Sensorprinzipien auf.
Bündelung der Strahlung, elektrische und Der Aufwand für dieses Detail übersteigt Allerdings erfordert die äußerlich geradezu
elektromagnetische Konstanz). Da die Sen- schnell den Aufwand für den ganzen üb- simpel anmutende Technik eine ausgeklü-
deleistung gesetzlich begrenzt ist, lässt sich rigen Sensor. Für die eigentliche Messung gelte Ansteuerung der Sendeeinheiten und
die Reichweite (fast) nur durch eine stärkere ist die Frequenzstabilität oft gar nicht allzu Auswertung der Empfangssignale. Dies
Fokussierung des Radarstrahls erhöhen, relevant, wenn eine Messgenauigkeit im wiederum gelingt ökonomisch nur mit op-
was wiederum mit einer stärkeren Richt- Prozentbereich genügt. Allerdings ist für timierten Hard- und Softwarekonzepten für
wirkung einhergeht. Ebenso bestimmt die gut aufgelöste Abstandsmessungen eine die Sensorperipherie. (kv)
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