- Onderzoek
- 23/01/2013
Radar in de vingers
Bij radar denk je al snel aan grote schotelantennes waarmee je op vele kilometers afstand schepen en vliegtuigen kunt traceren. Niet bepaald een techniek waarvan je verwacht dat het ook op een chip past. Toch is dat wel degelijk mogelijk, vertellen dr.ir. Reza Mahmoudi, UHD bij Mixed-signal Microelectronics (MsM), en dr.ir. Paul van Zeijl van het pas opgerichte OmniRadar. Zij kregen eind vorig jaar een Valorisation Grant van twee ton voor het ‘vermarkten’ van de One-Chip-Radar, een radarsysteem op een chip.
“Iedereen denkt bij radar aan de schotels die je bij de marine in Den Helder of op Schiphol ziet, met een diameter van zo’n vijf meter”, zegt Mahmoudi. “Met zulke radarsystemen kun je schepen of vliegtuigen op grote afstand zien. Daarvoor heb je hoge vermogens nodig. Ben je echter geïnteresseerd in voorwerpen op kortere afstand, dan volstaat een kleiner systeem met een kleiner vermogen. Daar komt bij dat de resolutie, de nauwkeurigheid, van grote radarsystemen heel beperkt is. Dat geeft niet als je op zoek bent naar schepen van tientallen meters lang, maar wij hebben een radar gebouwd dat details van minder dan één centimeter kan zien. Daarvoor heb je een hogere frequentie nodig.”
Radar is een vorm van echolocatie. Vleermuizen brengen hun omgeving in kaart door hoogfrequent geluid voort te brengen en te luisteren naar de weerkaatsingen. Radar werkt net zo, maar dan met radiostraling. Met radar kun je niet alleen de afstand en afmetingen van een voorwerp bepalen, maar -via het dopplereffect- ook de snelheid van het voorwerp ten opzichte van de radar.
Hoe hoger de frequentie, hoe korter de golflengte van de uitgezonden stralen en hoe nauwkeuriger je voorwerpen of oppervlakken in beeld kunt brengen. Een Megahertz komt overeen met een golflengte van driehonderd meter, honderd Gigahertz komt neer op drie millimeter. De gebruikte frequentie bepaalt ook direct de grootte van de benodigde antennes. “Wij gebruiken een frequentieband rond de 60 Gigahertz”, vertelt de in Iran geboren Mahmoudi. “Dit betekent dat de antennes waarmee we werken slechts een paar millimeter groot zijn. En dat past op een chip.”
Een voordeel van 60 Gigahertz is dat rond die frequentie wat ‘vrije ruimte’ bestaat: daar zit namelijk een licentievrije frequentieband van zo’n zeven Gigahertz waar je -tot een bepaald vermogen- vrijelijk signalen mag uitzenden omdat deze frequenties niet in gebruik zijn voor radio, mobiele telefonie en dergelijke. In de MsM-groep wordt om die reden al jaren gewerkt aan elektronische systemen voor 60 Gigahertz. Daarbij worden ze voor het ontwerp van de benodigde antennes bijgestaan door prof.dr Bart Smolders en promovendus Ulf Johannsen van de groep Electromagnetics (EM). Dit onderzoek leverde al diverse promoties op en heeft nu dus geleid tot de conceptie van de One-Chip-Radar, een radarsysteem in een siliciumchip van 6 x 7 millimeter en slechts een millimeter dik.
Uniek aan het systeem is dat alle onderdelen geïntegreerd zijn op de chip, inclusief de antennes en de omzetting van analoge naar digitale signalen. Voor ingewikkelde berekeningen moet uiteraard een externe processor worden aangesloten, en het geheel moet ook nog van elektriciteit worden voorzien, maar een radar op een chip is een stuk handzamer dan een die een half vliegdekschip in beslag neemt. Een smartphone met radarfunctie lijkt kortom binnen handbereik.
De One-Chip-Radar is inderdaad bedoeld voor de consumentenmarkt, vertelt Van Zeijl, een Delftse ingenieur die als medewerker van Philips al samenwerkte met Mahmoudi. “Vooral in Duitsland wordt hard gewerkt aan vooruitkijkradar in auto’s, bijvoorbeeld om auto’s virtueel aan elkaar te koppelen in een zogeheten roadtrain.” Hierbij meet een auto de afstand tot zijn voorganger door met radar tot een paar honderd meter vooruit te kijken, zodat de auto -al dan niet automatisch- kan reageren op het rijgedrag van zijn voorganger. Het idee is dat dit leidt tot minder files en ongelukken. Diverse onderzoeksgroepen van de TU/e, verenigd in het ATeam, werken aan soortgelijke oplossingen voor ‘coöperatief rijden’. Hiervoor zijn onder meer tests uitgevoerd op de snelweg tussen Helmond en Eindhoven.
Van Zeijl: “Zo’n vooruitkijkradar is slechts een extra feature voor in een auto en mag daarom niet te veel kosten, hooguit een paar tientjes. Dat betekent dat de onderdelen erg goedkoop moeten zijn. Wij willen als eerste zo’n goedkope radar op de markt brengen. Dat alle onderdelen op een enkele chip passen, drukt de kosten al behoorlijk.” Mahmoudi vult aan: “In samenwerking met NXP-semiconductors gebruiken we bovendien een heel goedkope procestechniek voor silicium. Dat maakt het ontwerpproces overigens wel lastiger. Het is een beetje alsof je met een tweedehands auto in de Formule 1 wilt meedoen.”
Om een slag te slaan op de consumentenmarkt is haast geboden. Mahmoudi: “Op het moment dat een gigant als Samsung besluit dat dit een veelbelovende techniek is, ben je kansloos. Dus moeten we ze voor zijn. Maar als zo’n multinational OmniRadar over een paar jaar opkoopt, of het intellectueel eigendom van de One-Chip-Radar overneemt, dan is dat prima.”
Radar op een chip heeft niet alleen potentiële toepassingen in de auto-industrie, vertelt Van Zeijl. Sensoren voor het automatisch openen van deuren werken bijvoorbeeld ook met radar. “Die systemen zijn aan de grote en dure kant en werken nog niet optimaal. Maar er zijn nog meer toepassingen. Zo kun je met onze chip ook heel nauwkeurig het olieniveau in grote olietanks op de Maasvlakte in de gaten houden, je kunt ze inbouwen in de vingers van robots om de afstand te meten tot een voorwerp, je kunt radar gebruiken in hydraulische cilinders, om hierin de uitrekking tot op de millimeter te bepalen.”
Van Zeijl vervolgt met nog een praktijkvoorbeeld. “Er bestaan infraroodsensoren, waarmee wordt gekeken of er iemand aanwezig is in een kantoorruimte. Als er niemand is, schakelt het licht vanzelf uit om energie te besparen. Maar als je heel rustig zit te typen, gaat het licht ook uit. Met radardetectie kun je dat voorkomen.” In al deze voorbeelden kan radar een aanvulling of verbetering zijn voor bestaande sensoren, voegt Mahmoudi toe. “Het doel van dit project is om geavanceerde technologie, in dit geval radar, naar de consumentenmarkt te brengen. Precies wat de overheid tegenwoordig van ons verwacht.”
Discussie