Ein Blick in die Zukunft des Kfz-Radars

Mai 25, 2022

von Gary Dagastine

Wenn Sie glauben, dass die Zahl der aggressiven und riskanten Fahrweisen auf den Straßen in letzter Zeit zugenommen hat, haben Sie recht. Seit Beginn der Pandemie haben Verkehrsverstöße wie Geschwindigkeitsübertretungen, Fahren unter Alkoholeinfluss, Ablenkung am Steuer und andere Delikte zugenommen. So wurden beispielsweise auf kalifornischen Autobahnen fast doppelt so viele Strafzettel für Geschwindigkeitsübertretungen ausgestellt wie vor der Pandemie, während im Bundesstaat New York vor kurzem eine Rekordzahl von Strafzetteln für Verstöße gegen die Straßenverkehrsordnung ausgestellt wurde. Das Problem ist nicht auf die Vereinigten Staaten beschränkt.

Auch wenn die Lösung für das wachsende Problem der Verkehrssicherheit letztlich bei den Fahrern liegt, spielt auch die Technologie eine wichtige Rolle, und ein fortschrittlicheres Fahrzeugradar ist ein Schlüsselelement.

Kfz-Radar ermöglicht bereits einen adaptiven Tempomat, eine automatische Notbremsung, die Überwachung des toten Winkels und andere fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS). Leistungsfähigere Radarsysteme, die enger mit den elektronischen Steuerungssystemen eines Fahrzeugs verbunden sind, sind jedoch die Grundlage für die Fähigkeit eines Fahrzeugs, autonomer zu fahren. Sie werden die Fähigkeit, Unfälle vorauszusehen und zu vermeiden, weit über das heute Mögliche hinaus steigern.

Die 22FDX®-, RF-CMOS- und SiGe-BiCMOS-Technologieplattformen von GlobalFoundries (GF) bieten herausragende RF/mmWave-Leistung und digitale Verarbeitungs-/Integrationsfähigkeiten, Ultra-Low-Power-Betrieb und günstige thermische Eigenschaften für Kfz-Radar und andere Anwendungen.

Deshalb arbeiten viele der weltweit führenden Forscher auf dem Gebiet der Hochfrequenzelektronik mit ihnen an neuen Radarlösungen, die in den nächsten drei bis fünf Jahren in Fahrzeugen zum Einsatz kommen werden. Diese Arbeit wird durch das University Partnership Program (UPP) von GF unterstützt, das ausgewählten Forschungsteams an mehr als 50 führenden Universitäten Zugang zur Halbleitertechnologie von GF und den damit verbundenen Montage- und Prüfdienstleistungen ermöglicht.

Im Gegenzug arbeiten diese Forscher mit dem F&E-Team von GF zusammen und tauschen Forschungsergebnisse aus. Dies trägt dazu bei, die Plattformen von GF mit neuen Funktionen und Möglichkeiten auszustatten, eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten und führt Studenten schon früh in ihrer Karriere an diese Technologien heran.

Drei Weltklasse-Forscher auf dem Gebiet des Kfz-Radars

In einem früheren Blog-Beitrag wurde beschrieben, wie das UPP Prof. Sorin Voinigescu von der University of Toronto bei seiner Arbeit an einem 22FDX-basierten 80/160-GHz-Dualpolarisationstransceiver unterstützt.

In diesem Beitrag erfahren wir, wie drei weitere hochkarätige Forscher die Technologien von GF nutzen, um wesentliche Fortschritte im Bereich des Kfz-Radars zu erzielen:

Prof. Frank Ellinger, Ph.D., Dr. sc. techn. ist Inhaber des Lehrstuhls für Schaltungsentwurf und Netzwerktheorie an der Technischen Universität Dresden, einer der führenden technischen Universitäten Deutschlands, die im Mikroelektronik-Cluster "Silicon Saxony" in der Nähe der Fab 1 von GF liegt. Seine Arbeit konzentriert sich auf den Entwurf und die Modellierung von hocheffizienten analogen und Mixed-Signal-Schaltungen. Er ist Koordinator der deutschen Forschungsinitiative "zwanzig20 cluster FAST" (Fast Actuators, Sensors and Transceivers), an der 90 Partner, hauptsächlich aus der Industrie, beteiligt sind. Außerdem hat er mehrere EU-finanzierte Forschungsprojekte koordiniert, ein Buch über HF-ICs und -Technologien geschrieben, mehr als 500 wissenschaftliche Arbeiten veröffentlicht und zahlreiche Auszeichnungen erhalten. Auch seine Studenten haben mehr als 40 wissenschaftliche Auszeichnungen erhalten.

Prof. Vadim IssakovProf. Vadim Issakov, Ph.D., leitet das Institut für CMOS-Design an der Technischen Universität Braunschweig (TU Braunschweig), ebenfalls eine der führenden technischen Universitäten in Deutschland. Er konzentriert sich auf analoge HF- und Millimeterwellen-Schaltungen für Radar- und Kommunikationsanwendungen sowie auf Schaltungen für Quantencomputer und biomedizinische Anwendungen. Er ist Inhaber von 11 Patenten, Autor/Co-Autor von mehr als 120 begutachteten Artikeln, Gewinner zahlreicher Auszeichnungen (einschließlich des IEEE MTT-S Outstanding Young Engineer Award) und Autor eines Buches über mmWave-Schaltungen für Radaranwendungen. Zuvor arbeitete er in einem der führenden europäischen Forschungsinstitute, Imec, und in der Industrie bei Intel Corporation und Infineon Technologies. Bei Infineon war er mmWave Design Lead/Principal Engineer und arbeitete an der 24-GHz-Radartechnologie für Spurwechselassistenten, die heute in ADAS-Systemen weit verbreitet ist, am 60-GHz-Radar für Gestenerkennung und an mehreren weiteren Radar-Vorentwicklungsthemen über 100 GHz.

Prof. Bogdan Staszewski, Ph.D.ist ordentlicher Professor am University College Dublin (UCD), Irlands größter und einer der beiden renommiertesten Universitäten des Landes, sowie Gastprofessor an der Technischen Universität Delft (TU Delft) in den Niederlanden. Er kam 2014 an die UCD, um ein 6,3 Millionen Euro teures Zentrum für Schaltungsdesign für Anwendungen des Internets der Dinge (IoT) aufzubauen. Seine Forschung umfasst CMOS-Architekturen und Schaltungen im Nanobereich für Frequenzsynthesizer, Sender und Empfänger sowie Quantencomputer. Für letztere haben er und seine Studenten daran gearbeitet, Qubits mit Hilfe von Quantentopfstrukturen in kommerzieller 22FDX-Prozesstechnologie herzustellen und sie auf dem Chip eng mit der Steuerelektronik zu integrieren. Er ist Mitbegründer und wissenschaftlicher Leiter von Equal1, einem Start-up-Unternehmen, das den weltweit ersten praktischen CMOS-Quantencomputer auf einem Chip herstellen will. Er ist Mitautor von sechs Büchern, über 150 Zeitschriften- und 210 Konferenzartikeln, hält 210 erteilte US-Patente und ist IEEE Fellow.

Auf der Suche nach optimalen Lösungen

"Ein ideales Fahrzeugradar gibt es nicht und wird es auch nicht geben, denn es müssen immer Kompromisse zwischen vielen verschiedenen Parametern wie Erkennungsauflösung und -genauigkeit, Effizienz, Stromverbrauch und Miniaturisierung eingegangen werden", so Ellinger von der TU Dresden. "Spitzen-Halbleitertechnologien wie 22FDX werden uns jedoch optimalen Lösungen näher bringen. Sie sind auch unerlässlich für die Bewältigung der so genannten Jahrhundert-Herausforderung, bei der nicht nur die Leistung unserer Systeme, sondern auch ihre Umweltfreundlichkeit, etwa in Bezug auf den Energieverbrauch, verbessert werden muss."

Laut Ellinger bietet das adaptive Body Biasing (ABB) der 22FDX-Technologie eine hohe Flexibilität bei der Anpassung des Transistorbetriebs für höhere Effizienz, geringeren Energieverbrauch und weniger Signalverzerrungen. Die 22FDX-Plattform von GF eröffne einzigartige Möglichkeiten für die Untersuchung neuartiger Schaltungskonzepte, so Ellinger. In seiner Forschungsgruppe arbeiten derzeit drei Doktoranden an 22FDX-basierten 77-GHz-Schaltungen für Kfz-Radar.

"Ein weiterer Vorteil des 22FDX ist die hohe Geschwindigkeit seiner n- und p-Kanal-Transistoren, die es ermöglicht, selbst in CMOS ausreichende Signalpegel bei 77-GHz-Frequenzen zu realisieren", so Ellinger. "Dies ist wichtig, weil CMOS Vorteile bietet, die andere Technologien nicht haben, wie z.B. niedrigere Kosten und eine bessere Integration der Hochfrequenzschaltungen mit digitalen Schaltungen mit geringem Stromverbrauch in kompakten Systems-on-Chip."

Mit Blick auf die Zukunft sagte Ellinger, ein interessantes Forschungsthema sei das Co-Design von Hochfrequenzschaltungen mit dem Packaging, um Energieverluste zu verringern - ein wichtiges Ziel angesichts der zunehmenden gesellschaftlichen Anforderungen an umweltfreundlichere Technologien. Außerdem werden dadurch thermische Effekte reduziert, was zu einer höheren Zuverlässigkeit und einer längeren Lebensdauer des Chips (und damit des Fahrzeugs) führt.

Auch der Standort Ellinger kommt GF zugute. "Wir bilden an der TU Dresden Diplomanden, Masterstudenten und Doktoranden aus, die für GlobalFoundries und andere Unternehmen, die Kunden von GF sind ( Silicon Saxony ), einen wichtigen Pool an Fachkräften darstellen", sagt er. Die Motivation junger Menschen für ein Studium der Elektrotechnik ist aber auch in Deutschland ein zentrales Thema. Dazu hat Ellinger zusammen mit zwei seiner Doktoranden eine preisgekrönte Marketingkampagne gestartet, die mit Songs, Videos und Comics zeigt, dass Elektrotechnik cool ist und attraktive Berufschancen bietet.

"Was auch immer im CMOS gemacht werden kann, wird im CMOS gemacht".

Die Gruppe von Vadim Issakov an der TU Braunschweig wächst schnell. "Ich habe im April 2021 angefangen und habe bereits mehrere genehmigte Projekte und 14 wissenschaftliche Mitarbeiter, von denen vier weitere sehr bald anfangen werden, sowie einen erfahrenen Post-Doc, der ein Experte für mm-Wellen-Radar-Schaltungsdesign ist", sagte er. "Wir beschäftigen uns mit dem Entwurf von Analog-/RF-/CMOS-Schaltkreisen, und unsere Arbeit konzentriert sich auf drei Hauptbereiche - mm-Wellen-Radar, biomedizinische Schaltkreise mit geringer Leistung und kryogene Schaltkreise für Quantentechnologien.

Im Bereich des Kfz-Radars arbeitet seine Gruppe derzeit an einem Fahrzeugsensor, der auf der 22FDX-Plattform basiert, und an einem 45RFSOI-basierten 140-GHz-Phasenmodulations-Dauerstrich-Radarsystem (PMCW) für ein großes skalierbares MIMO-Array. Die gleichen Schaltungen können mit geringfügigen Änderungen auch für die Kommunikation verwendet werden. Daher gibt es auch einen Trend zu Radcom-Chips, Chips, die gleichzeitig Radar- und Kommunikationsfunktionen unterstützen.

Issakov sagte, er halte die SOI-Technologie für die vielversprechendste CMOS-Technologie auf dem Markt für seine Radarprojekte. "Im Allgemeinen verliert man bei CMOS-FinFETs schnell an intrinsischer Verstärkung, wenn man zu kleineren Knotenpunkten geht, und der FMAX [ein Maß für die Transistorgeschwindigkeit] leidet, aber die SOI-Technologie hat eine große intrinsische Verstärkung und ermöglicht die Kombination von mmWave-Leistung mit digitaler Logik und geringer Leckleistung", sagte er.

Dieses Integrationspotenzial ist wichtig, denn in den kommenden Jahren wird, wie Issakov es ausdrückt, "alles, was in CMOS möglich ist, auch in CMOS möglich sein". Als Beispiel nannte er die Möglichkeiten der Kombination verschiedener Modulationsverfahren. So wird beispielsweise zwischen Puls- und Dauerstrichradar unterschieden: Das Pulsradar bietet eine hohe Auflösung im Nahbereich, während das Dauerstrichradar weiter entfernte Objekte erkennt. "Eines unserer Ziele ist es, mit Hilfe des CMOS-Designs die verschiedenen Arten von Radarmodulationen auf einem Chip zu vereinen. Ein einziger Chip könnte dann je nach Radarszenario zwischen den Modulationen hin- und herschalten", sagte er.

Zu den wichtigsten technischen Herausforderungen, die sich in naher Zukunft im Bereich des Kfz-Radars stellen werden, gehören die Notwendigkeit, eine höhere Auflösung und eine schnellere Zeit bis zur Bildaufnahme zu erreichen, sowie die Suche nach besseren Möglichkeiten zur Synchronisierung der Elemente, aus denen große MIMO-Arrays bestehen, um eine optimale Winkelauflösung zu erzielen.

Längerfristig werden für "intelligente" Kfz-Radarsysteme, die neuromorphe Computertechniken zur Erkennung von Objekten und zur Verarbeitung von Daten in Echtzeit nutzen, mehr digitale Fähigkeiten benötigt. "Das kann nur in CMOS realisiert werden", sagte er.

Issakov sagte, er sei sehr dankbar für die Unterstützung durch das UPP von GF. "Ich bekomme immer die Hilfe und die Informationen, die ich brauche, und die Herstellung unserer Schaltkreise auf den Multiprojekt-Wafern (MPWs) von GF ist unkompliziert und ermöglicht es uns, unsere Arbeit effektiv voranzutreiben", sagte er.

"22FDX ist die natürliche Wahl"

Das Interesse von Professor Bogdan Staszewski an Hochfrequenzelektronik und Fahrzeugsicherheit reicht weit zurück. Zu Beginn seiner Karriere arbeitete der Professor des University College Dublin 14 Jahre lang bei Texas Instruments an der Entwicklung digitaler HF-Prozessortechnologie, die seitdem in vielen TI-Produkten zum Einsatz kommt. Als er 2009 an die TU Delft kam, ließ er seine Doktoranden an einem 60-GHz-Radarprojekt, einem Chip für ein drahtloses LAN bei 6 GHz und anderen Projekten arbeiten, die damals den Stand der Technik revolutionierten.

Auf dem Weg dorthin gründete er zusammen mit einem Schweizer Kollegen ein Unternehmen, das Lidar-Systeme zur Erstellung von 3D-Bildern der Fahrzeugumgebung entwickelt und anbietet. (Lidar ist mit Radar vergleichbar, verwendet aber Laserlicht statt Radiowellen.) Diese Erfahrung ist einer der Gründe, warum er glaubt, dass der beste Ansatz für die Entwicklung besserer Fahrzeugradare eine Fusion von Technologien ist, die sowohl mmWave-Radar als auch Lidar umfasst.

"Ich glaube, dass wir digitale Techniken einsetzen müssen, um analoge, Mixed-Signal- und Mikrowellenelemente zu ergänzen, damit man diese analogen Funktionen mit den digitalen integrieren kann", sagte er. "Radargeräte benötigen eine Menge Hochgeschwindigkeitsdatenverarbeitung, um zu interpretieren, was sie sehen, und zu viele analoge Verbindungen können das verhindern.

Das macht die SOI-Technologie für seine Projekte attraktiv, sagte er. Ein Beispiel ist ein volldigitaler PLL-basierter Sender für ein 150-GHz-Automobilradar, der demnächst in Betrieb genommen wird. Ein früheres Projekt konzentrierte sich auf ein 77-GHz-Automobilradar, aber Staszewskis Team war der Meinung, dass die 22FDX-Plattform einen 150-GHz-Betrieb ermöglichen könnte, und so wurde das Projekt erweitert. Es wurde erfolgreich in Zusammenarbeit mit einem großen Automobilzulieferer durchgeführt.

Staszewski erforscht auch den Einsatz der FD-SOI-Technologie für die Quanteninformatik, die in Zukunft auch in der Automobilindustrie Anwendung finden könnte. Er verwendet jetzt die 22FDX-Technologie, und sein Unternehmen hat bereits einen kleinen Kryo-Kühler von der Größe eines Desktop-Computers hergestellt, der möglicherweise in Autos oder Lastwagen eingebaut werden könnte, um Berechnungen mit neuronalen Netzen "direkt am Rande" durchzuführen. Sein Team arbeitet bereits an der dritten Generation von Quantenprozessoren und hat bereits funktionierende Geräte mit 10 Millionen Gattern hergestellt.

Staszewski schätzt die Zusammenarbeit mit GF: "Das Unternehmen verfügt über eine gute Technologie und gibt uns die Möglichkeit zu häufigen Tapeouts, im Gegensatz zu anderen, mit denen wir in der Vergangenheit an der TU Delft zusammengearbeitet haben, was ein Problem war, weil die Studenten ihre Projekte vorantreiben müssen, um ihren Abschluss zu machen", sagt er. "Außerdem sind die Informationen, die wir von den Technikern von GF erhalten, sehr hilfreich. Sie erklären uns das Innenleben der Technologie, so dass wir die Funktionen, die wir bauen, feinabstimmen können; Body Bias ist ein Beispiel dafür."

Auch von der 22FDX-Technologie ist er begeistert: "Ich mag 22FDX, weil es digitale Fähigkeiten mit geringem Stromverbrauch mit der Möglichkeit kombiniert, RF/mmWave-Funktionen zu integrieren. Ich berate eine Reihe von Unternehmen, und für sie ist GF 22FDX die erste Wahl", sagt er. "Es ist die natürliche Wahl".