Das Projekt ATLAS60G, das unter dem deutschen Forschungsstipendium 16AVF2125A finanziert wurde, lief vom 1. Oktober 2018 bis zum 30. Juni 2021 und konzentrierte sich auf ein 60-GHz-Radarsystem für zivile Fahrzeuge. Die Technische Universität Dresden war federführend bei der Gesamtkoordination, dem Schaltungsentwurf, der Hardware-Entwicklung, dem Bau des Prüfstandes und der experimentellen Leistungsbewertung. Bosch trug dazu bei, indem es die Systemspezifikation definierte, sie in ein Radaranforderungsprofil umsetzte und verschiedene Basisstationskonzepte für die Echtzeitlokalisierung von Fahrzeugen in Parkhäusern evaluierte. Die Zusammenarbeit kombinierte akademisches Fachwissen im Bereich HF-Design mit industrieller Erfahrung im Bereich Kfz-Radar, und das Projekt wurde innerhalb des vorgegebenen Zeitrahmens durchgeführt.
Was die technische Seite betrifft, so hat das Team erfolgreich eine integrierte 60-GHz-Phasenregelschleife (PLL) in IHP-Technologie hergestellt, sie auf eine Leiterplatte geklebt und ihren Betrieb im Labor verifiziert. Der PLL-basierte Signalgenerator enthält einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO), der auf einer differenziellen Colpitts-Topologie basiert und einen 20-GHz-Träger erzeugt, der von einer durch eine Ladungspumpe erzeugten Referenzspannung gesteuert wird. Ein Frequenzverdreifacher, der durch Filterung der dritten Harmonischen realisiert wird, und ein Ausgangspuffer wandeln das VCO-Signal in das 60-GHz-Band hoch. Der interne Teiler reduziert das 20-GHz-VCO-Ausgangssignal auf 5 GHz für den PLL-Rückkopplungspfad und hält den PLL-Eingang unter 6 GHz, was innerhalb des Betriebsbereichs des kommerziellen PLL-Chips liegt, der den Phasendetektor, die Ladungspumpe und die Teilerfunktionen bereitstellt. Der VCO wurde für ein geringes Phasenrauschen optimiert und liefert ein 20-GHz-Signal mit einer gemessenen Leistungsaufnahme von nur 0,44 W, die deutlich unter der herkömmlicher DDS-Generatoren (Direct-Digital-Synthesis) liegt. Allerdings beträgt die Ausgangsleistung ohne Pufferverstärker nur -20 dBm, was für das gesamte System nicht ausreicht und einen Nachverstärker erforderlich macht.
Es wurden zwei PCB-Varianten prototypisiert. Variante 1 enthielt einen speziellen Pufferverstärkerchip und eine direkte Chip-zu-Chip-Bond-Schnittstelle, um den 60-GHz-Verlust zu minimieren und eine gute Impedanzanpassung zu gewährleisten. Obwohl On-Wafer-Tests die erwartete Verstärkung von 15 dB ergaben, litt die Implementierung auf Platinebene unter Oszillation, so dass sie aufgegeben wurde. Variante 2 ließ den Puffer weg und verließ sich allein auf den VCO-Chip. Kabelverluste von etwa 16 dB und Bond-Interface-Verluste von etwa 10 dB reduzierten die gemessene Leistung auf -28 dBm bis -26 dBm. Trotz der geringen Leistung wurden das Phasenrauschen und die Erzeugung von Frequenzrampen validiert, was die Machbarkeit der PLL-Architektur bestätigte und darauf hindeutet, dass ein Verstärker mit höherer Verstärkung die Rauschwerte weiter verbessern würde.
Parallel dazu hat das Team zwei 60-GHz-Frequenzgeneratorstationen entwickelt und im Labor getestet, die kontrollierte Frequenzrampen über die erforderliche Bandbreite erzeugen und als lokale Oszillatoren für das gesamte Radarsystem dienen. Ein kommerzielles DDS-System wurde ebenfalls als vorübergehende Lösung evaluiert, um eine frühe 60-GHz-FMCW-Fähigkeit zu erreichen, während die kundenspezifischen integrierten Schaltkreise noch entwickelt wurden.
Die Beiträge von Bosch konzentrierten sich auf die Spezifikation auf Systemebene für autonomes Parken. Das Konsortium definierte eine hochpräzise Echtzeit-Lokalisierung, die in GPS-armen Umgebungen mit Hilfe von Radarbasisstationen eine Genauigkeit im Zentimeterbereich erreichen kann. Bosch übersetzte diese Anforderungen in ein Radar-Anforderungsprofil, wobei zwischen optischen, radargestützten und akustischen Methoden unterschieden wurde, und bewertete passive und aktive Basisstationskonzepte. Aktive Konzepte wie der „SILO“-Oszillator mit verriegelter Injektion und ein Zwei-Band-Übertragungsschema wurden unter besonderer Berücksichtigung der Filterung, der Mehrwegeabschwächung und des Energieverbrauchs untersucht. Obwohl in der Prototyp-Phase stromsparende Funktionen auf einen späteren Entwicklungszyklus verschoben wurden, legte die Evaluierung den Grundstein für einen zukünftigen integrierten Millimeterwellen-MMIC mit reduziertem Stromverbrauch.
Insgesamt hat das ATLAS60G-Projekt einen praktikablen 60-GHz-Signalgenerator auf PLL-Basis mit geringem Stromverbrauch, validierter Frequenzrampenerzeugung und einem klaren Weg zu einem vollständigen Radarsystem für die Lokalisierung autonomer Fahrzeuge demonstriert. Die Zusammenarbeit zwischen der Technischen Universität Dresden und Bosch, die von der deutschen Forschungsförderung unterstützt wird, hat innerhalb der dreijährigen Projektlaufzeit erfolgreich eine Brücke zwischen der Innovation auf Schaltungsebene und den Anforderungen von Automobilsystemen geschlagen.