THz-Technik Bild 3: Allgemeines Blockschaltbild eines Millimeterwellen-Körperscanners entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass der Scanner in möglichst kurzer Zeit ein Maximum an Informationen über das Ziel erfasst, ohne dass ihm wichtige Details entgehen. Der Mixed-Signal-Teil besteht aus schnellen A/D-Wandlern (ADCs) und D/A-Wandlern (DACs). Diese verwandeln die analogen HF-Informationen in digitale Bits, die der Computer des Scanners zu HF-Sendesignalen weiterverarbeiten kann. Im digitalen Teil schließlich ist ein Großteil der Softwarealgorithmen angesiedelt, die für die Bildverarbeitung, das Scannen und das Identifizieren von Bedrohungen zuständig sind. Die Anforderungen an den digitalen Teil diktieren in der Regel das, was von den HF- und den Mixed- Signal-Abschnitt verlangt wird (z.B. Zahl der Kanäle, Frequenz, erforderliche Bandbreite und Abtastrate). Die meisten Unternehmen, die Millimeterwellen-Scanner entwickeln, haben den Digital- und Software-Teil sowie das Antennendesign für den Scanner genau unter Kontrolle, denn hier können sie die Leistungsfähigkeit ihrer Scanner von den Lösungen anderer Anbieter unterscheiden, indem sie proprietäre Algorithmen und Antennenkonstruktionen entwickeln, die bei geringstem Platzbedarf für optimale Auflösung und höchste Scan-Geschwindigkeit sorgen. Der HF- und der Mixed-Signal- Teil bilden entscheidende Komponenten der Gesamtlösung, jedoch ist das Gesamtdesign bei den meisten Scannern ähnlich. Bild 5 und 6 zeigen Sende- bzw. Empfangsteil des HF-Abschnitts. Wie man sieht, werden die Sende- und Empfangssignalketten von derselben Frequenzquelle, d.h. vom selben Frequenzerzeugungsblock angesteuert. Die Frequenzquelle generiert ein Signal von 5 bis 10 GHz, das anschließend eine Multipliziererkette durchläuft, in der es verstärkt und in der Frequenz verdoppelt wird, sodass ein Signal von 20 bis 40 GHz entsteht, das somit in den vom Scanner benutzten Frequenzbereich fällt. Dieses Signal passiert anschließend eine endekette, in der es je nach Systemkonfiguration möglicherweise erneut verstärkt sowie gefiltert wird, um etwaige Frequenzkomponenten zu entfernen, die in den vorangegangenen Stufen entstanden sein können. Da die meisten Scanner in einem breiten Frequenzband arbeiten, benötigen sie einen Filter, der sich für dieses gesamte Frequenzband eignet. Ein einziger Breitband-Filter war traditionell stets schwierig herzustellen oder nicht kosteneffektiv implementierbar. Die Hersteller setzen deshalb auf eine Filterbank mit mehreren schmalbandigen Filtern, die anschließend mit Schaltern kombiniert werden. Gemeinsam wirken diese schmalbandigen Filter wie ein Breitbandfilter. Analog Devices kann diese traditionelle Architektur allerdings mithilfe abstimmbarer Filter vereinfachen. Durch Variieren einer Abstimmspannung lässt sich der Filter stetig auf eine bestimmte Wunschfrequenz abstimmen. Die abstimmbaren Bandpassfilter von ADI können mehrere Filterbänke ersetzen oder zumindest die Anforderungen an die Filterbank entschärfen, wenn sie in der Signalkette zusammen eingesetzt werden. Das gefilterte Sendesignal durchläuft daraufhin eine Matrix aus Schaltern zu mehreren Sendekanälen. Je nach den Performance- Ansprüchen und dem Antennendesign des jeweiligen Systemintegrators kann die Signalkette aus ein paar Dutzend oder auch mehreren hundert Sende- und Empfangskanälen bestehen. In der Regel hat die Zahl der Kanäle Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit und die Kosten des Systems. Die Schaltermatrix kann aus mehreren Schaltern zusammengesetzt sein, die das Sendesignal an mehrere Sendeantennenelemente weiterreichen. Besonders bei hohen Frequenzen bis zu 40 GHz wurde diese Schaltermatrix traditionell mit PIN-Dioden oder GaAs-Schaltern in SPDT-Konfiguration implementiert. Mit PIN-Dioden benötigt jeder einzelne Schalter viele externe Bauelemente zum Umgang mit den hohen Bias-Spannungen und -Strömen. Diese peripheren Schaltungen werden umso komplexer, je mehr Kanäle das System hat. Ebenso erfordern Designs mit entsprechenden GaAs-Bauelementen viele Schalter, um den Schalterbaum zum Erzielen einer großen Kanalzahl zu realisieren. Analog Devices hat dieses Design vereinfacht und bietet dafür 40-GHz-SP4T-SoI- Schalter (Silicon on Insulator) wie den ADRF5046 an. Ein Schalter unterstützt hier nicht nur zwei Schaltstellungen. Vielmehr können Designer mit dem SP4T-Schalter auf bis zu vier Schalterpositionen zurückgreifen. In einem einfachen zwölfkanaligen System zum Beispiel können drei SP4T-Schalter bis zu sieben SPDT-Schalter ersetzen. Für Systeme mit mehr Kanälen wirkt sich der Vorteil des SP4T- Schalters sogar noch stärker aus, da die Systemkomplexität exponentiell zunimmt. Abgesehen davon, dass sich die Zahl der Schalter-ICs verringert, ist es ebenso wichtig, die Zahl der externen Bauelemente und die Bias-Leistung zu reduzieren. Der ADRF5046 basiert auf einem SOI-Prozess, der mit einer niedrigen Versorgungsspannung und einem vernachlässigbar geringen Bias-Strom arbeitet und herkömmliche CMOS-Signale verarbeiten kann, ohne dass irgendwelche externen Bauelemente nötig sind. Bild 4 verdeutlicht den Unterschied zwischen einer Schalter-Implementierung mit den älteren PIN-Dioden und den neuen SOI-Schaltern. Das Sendesignal wird schließlich von den Sendeantennenelementen ausgestrahlt. Abhängig von der jeweiligen Systemarchitektur sind zu jeder Zeit entweder mehrere Antennen oder nur eine aktiv. In den meisten Systemen ist jedoch jeweils nur eine Sendeantenne in Betrieb. Das System kann die Signale linear mehrere Sendeantennen nacheinander durchlaufen lassen, wobei die Zeitintervalle zwischen den einzelnen Sendungen sehr kurz sind (wenige Mikrosekunden). Auf der Empfängerseite sind mehrere Empfangselemente gleichzeitig aktiv und neh- 48 hf-praxis 3/2020
THz-Technik Bild 4: Implementierungsvergleich zwischen SOI- (links) und PIN-Dioden- Schaltern (rechts) men die vom Ziel reflektierten Signale entgegen. Diese Signale werden daraufhin mehreren Kanälen zugeführt und durchlaufen einen LNA pro Kanal, um das Signal ohne Zunahme des Rauschens zu verstärken. Die verstärkten Signale mehrerer Kanäle werden dann, ähnlich wie auf der Senderseite, mit einer Schalter- Matrix zusammengeführt. Zum Anpassen der Verstärkung dient ein digitaler Abschwächer. Der auf einem SoI-Prozess basierende ADRF5730 erfüllt die Forderung nach einer kurzen Einschwingzeit. Das empfangene Signal wird daraufhin einer Abwärtswandlung unterzogen und erneut verstärkt. Üblicherweise setzen die Systemintegratoren auf eine Superheterodyn-Architektur, die ein hochfrequentes Signal in mehreren Stufen auf eine ZF herabwandelt. Dank der Verfügbarkeit breitbandiger Mischer in der Art des HMC8192 (20...42-GHz-I/ Q-Mischer) haben Integratoren jedoch die Möglichkeit, Signale von bis zu 42 GHz in einer Stufe in ZF- oder Basisband-Signale umzuwandeln. Diese Mischerstufe greift auf dasselbe Frequenzquellen-Modul zurück, das auch für die Sendestufe benutzt wird. Die vom I/Q-Mischer kommende ZF wird daraufhin einer Stufe zugeführt, die das massebezogene Signal in ein differenzielles Signal verwandelt, bevor es anschließend an einen schnellen ADC gelangt. Dieser digitalisiert das Signal und erzeugt die digitalen Informationen für einen Computer, auf dem verschiedene Software- Algorithmen zum Detektieren von Bildern laufen. Wie in den Bildern zu sehen war, kann Analog Devices mit einer kompletten Signalkettenlösung für Millimeterwellen-Körper- Scanner aufwarten, die sich von der Antenne zu Bits und wieder zurück erstreckt. Dank des breiten Portfolios an HF-, Mikrowellen- und Millimeterwellen- Bauteilen haben Integratoren die Gewissheit, die richtigen Bauelemente zu finden, die ihren Performance- und Preiserwartungen gerecht werden. Eine lückenlose „Bits-to-Antenna“-Lösung hat Zukunft. Die Hersteller sparen hierdurch eine Menge Zeit, Geld und Arbeitsaufwand, da ihnen das Auswählen und Evaluieren eines jeden Bauteils und die jeweilige Preisverhandlungen erspart bleiben. Genauigkeit und Geschwindigkeit Aus dem Blickwinkel des HF- Teils, hängen die Genauigkeit (Auflösung) und Geschwindigkeit eines Körperscanners wesentlich von den folgenden wenigen Faktoren ab: - Frequenzbereich Dieser entscheidet über die Durchdringungs-Eigenschaften und die verfügbare Bandbreite eines Scanners. Je höher die Frequenz ist, um so größer sind in der Regel die Durchdringung und die verfügbare Bandbreite. Mehr Bandbreite bedeutet wiederum eine höhere Auflösung, da in jedem Frequenzkanal mehr Daten über das Ziel übertragen werden können. Wegen der geringeren Wellenlänge kommen Systeme, die höhere Frequenzen verwenden, auch mit kleineren Antennen aus. Aus diesem Grund setzt man in Systemen mit mehreren Kanälen viele kleine Antennen mit hohen Frequenzen ein. Unter anderem wegen der Komplexität des Halbleiter-Designs und der Gehäuse können Körperscanner, die mit sehr hohen Frequenzen über 60 GHz arbeiten, für kommerzielle Massen-Anwendungen sehr teuer und kompliziert herzustellen sein. Die meisten heutigen Systeme arbeiten deshalb mit Frequenzen von 10 bis 40 GHz. - Zahl der Kanäle Diese wirkt sich auf den Umfang der Informationen aus, die von mehreren verschiedenen Quellen aus über das Ziel übertragen werden können. Mehr Kanäle bedeuten normalerweise eine höhere Auflösung des Ziels und eine bessere räumliche Diversität der Antennen. Um die Zahl der Kanäle zu erhöhen, muss die Hardware der einzelnen Kanäle wiederholt implementiert werden, was den Platzbedarf und die Kosten des HF-Teils signifikant in die Höhe treiben würde. Mehr Kanäle bringen es außerdem mit sich, dass das System mehrere schnelle ADCs benötigt, was die Kosten des Mixed-Signal-Teils zusätzlich steigern würde. - Dynamikbereich Er ist entscheidend für die Empfindlichkeit des Körperscanner- Systems. Je größer er ist, umso besser ist das System in der Lage, kleine, verborgene Objekte zu detektieren. Um den Dynamikbereich des Systems zu vergrößern, entscheiden sich Integratoren meist für Bauteile, die sich durch eine sehr gute Linearität und eine niedrige Rauschzahl auszeichnen. Wichtige Erfolgsfaktoren Ob ein Systemintegrator oder ein Hersteller eines Millimeterwellen-Körper-Scanners Erfolg hat, hängt neben der technischen Leistungsfähigkeit des Scanner- Systems von einer Vielzahl weiterer Faktoren ab. Abgesehen von der Fähigkeit eines Scanners zum präzisen Detektieren kleiner, verborgener und gefährlicher Objekte ist es notwendig, dass das System schnell arbeitet, um in stark frequentierten Bereichen eingesetzt werden. Es muss außerdem kosteneffektiv sein, um für den Masseneinsatz geeignet sein, und es muss sich von den Angeboten der Mitbewerber abheben, damit es kommerziell tragbar ist. Somit hängt der Erfolg eines Körper-Scanner- Herstellers von den folgenden Faktoren ab: - Genauigkeit des Scannens Dies ist ein wichtiges Kriterium, damit die Geräte klar zwischen potenziell gefährlichen und unbedeutenden Objekten unterscheiden können. Die erste Generation von Millimeterwellen-Scannern war mit vielen Problemen behaftet und wies eine sehr hohe Fehlalarmrate auf. Dies führte zu viel unnützem Zeit- und Arbeitsaufwand und den entsprechenden Frustrationen, wenn die Risiken mit alternativen Lösungen beurteilt werden mussten. Hohe Auflösung und eine niedrige Fehlalarmrate schließen sich meist gegenseitig aus, denn mit wachsender Auflösung eines Scanners nimmt auch die Wahrscheinlichkeit für falsche Alarme zu. Die meisten Systemintegratoren arbeiten deshalb intensiv daran, den richtigen Kompromiss zwischen Auflösung und Fehlalarmrate zu finden. Aus der Erfahrung heraus ist zu sagen, dass der Bereich zwischen 10 und 40 GHz die gewünschte breitbandige Abdeckung mitbringt und dass es hier eine große Auswahl rauscharmer Bauteile unter anderem von ADI gibt, die einen großen Dynamikbereich bieten. Die Auflösung eines Systems lässt sich mit der richtigen Hardware-Architektur und der Wahl der richtigen Bauteile steigern. Die Systemintegratoren entwickeln anschließend fortschrittliche Software-Algorithmen, hf-praxis 3/2020 49
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