RUB-Forscher und Infineon entwickeln Abstandsradar mit Silizium-Technologie

Was in der Automobilindustrie bisher als kaum möglich galt, konnte das Team von Prof. Dr. Hans-Martin Rein (Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der RUB) zusammen mit Wissenschaftlern der Infineon Technologies AG, München, nun gemeinsam realisieren: Sie haben den kompletten Oszillator für ein Abstandsradarsystem in Kraftfahrzeugen erstmals auf einem winzigen Silizium-Chip untergebracht. Hierdurch lassen sich die Kosten und der Platzbedarf gegenüber herkömmlichen Lösungen drastisch senken. Eine ausführliche Publikation über diese Oszillatoren ist kürzlich in der renommierten amerikanischen Fachzeitschrift IEEE Journal of Solid-State Circuits (Oktober 2004) erschienen.

Silizium-Technologie geeignet

Um die Verkehrssicherheit von Kraftfahrzeugen zu erhöhen, bauen bereits einige wenige Firmen in ihre Spitzenmodelle vorwärtsgerichtete Radarsysteme ein, die unter anderem den Abstand zum Vordermann überwachen. Diese Systeme benötigen abstimmbare Oszillatoren, die bei einer extrem hohen Frequenz von etwa 77 GHz (1 GHz = 1 Milliarde Hertz) arbeiten; sie zeichnen sich durch eine stabile Frequenz und hohe Ausgangsleistung aus. Bisher war man der Meinung, dass die relativ preiswerten Silizium-Technologien für eine solche Anwendung nicht in Frage kommen – insbesondere wegen der verhältnismäßig geringen Durchbruchspannung der Transistoren. Daher setzte man auf teurere Technologien, die auf sogenannten Verbindungshalbleitern (Gallium-Arsenid, Indium-Phosphid und andere) basieren.

Spezifikationen erfüllt

Wie die Wissenschaftler von RUB und Infinion zeigen konnten, lassen sich die erforderlichen Spezifikationen für das Radarsystem auch mit modernen Silizium-Technologien erfüllen. Ihnen gelang eine besonders kostengünstige Lösung, da sie – im Gegensatz zu den bisherigen Konzepten mit Verbindungshalbleitern – den kompletten Oszillator einschließlich Ausgangsverstärker auf einem einzigen winzigen Chip unterbringen konnten. Wegen der hohen verfügbaren Ausgangsleistung können nun die Antennen des Radarsenders direkt angesteuert werden, ohne dass ein zusätzlicher Verstärkerbaustein benötigt wird.

Genaue Simulation und Optimierung

Die neue Schaltung wurde von den Bochumer Wissenschaftlern entworfen und von Infineon Technologies AG, München, in deren neuer hauseigener Silizium/Germanium-Bipolartechnologie gefertigt. Sie erreicht und übertrifft sogar die Spezifiktionen, die zuvor nur mit Verbindungshalbleitern erreicht wurden. Ermöglicht hat diesen Erfolg eine sehr genaue Simulation und sorgfältige Optimierung der Schaltung, unter Verwendung eines neuartigen Transistormodells. Dieses Modell, das ebenfalls in der Bochumer Arbeitsgruppe entwickelt wurde, erlaubt es, die Grenzen der Silizium-Technologie voll auszuschöpfen und somit insbesondere die gewünschte hohe Sendeleistung zu erzielen.

In Zukunft breite Anwendung von Abstandsradar

Der aufgezeigte Weg zur Kostenreduktion lässt erwarten, dass Abstandsradar zukünftig in großem Umfang in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden wird, was sich günstig auf die Verkehrssicherheit auswirkt. Dieser Trend dürfte infolge des hohen potenziellen Integrationsgrades von Silizium-Technologien noch weiter verstärkt werden, der es im Prinzip erlaubt, den größten Teil der Sende- und Empfangselektronik eines Radarsystems auf einem einzigen Chip zu integrieren. Dadurch könnten die Systemkosten noch weiter gesenkt werden. Zum Vergleich: Zur Zeit ist Abstandsradar wegen des verhältnismäßig hohen Preises nur in den obersten Klassen einiger Automobilfirmen zu finden.

Titelaufnahme

Hao Li, Hans-Martin Rein, Thomas Suttorp, Josef Böck: Fully integrated SiGe VCOs with powerful output buffer for 77-GHz automotive radar systems and applications around 100 GHz, in: IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 39, No. 10, October 2004, P. 1650-1658
Weitere Informationen: Prof. i. R. Dr. Hans-Martin Rein, Ruhr-Universität Bochum, ehemals Arbeitsgruppe Halbleiterbauelemente, ICFO 03/558, Tel. 0234/32-25406, FAX 0234/32-14102, E-Mail: hans-martin.rein@rub.de