Radarfrequenzen, Zulassungsfähigkeit und Bandbreite.

Sensoren nutzen elektromagnetische Wellen für die Kommunikation. Radargeräte senden aktiv hochfrequente Funksignale aus. Impulse aus Radarwellen, die sich auf einer bestimmten Frequenz frei ausbreiten. Stoßen sie auf ein Objekt, werten sie anschließend das Echo aus, um das Ziel lokalisieren zu können.

Viele Sensortechnologien nutzen ebenfalls wie Radar elektromagnetische Wellen, sie weisen jedoch andere physikalische Eigenschaften auf. Lidar oder Infrarot verwenden beispielsweise anderweitige Wellbereiche als Radar.

Eine Übersicht gibt folgende Graphik:

Frequenz, Bandbreite, Frequenzband?

Beschäftigt man sich mit Radartechnik und den Frequenzbereichen tauchen verschieden Begriffe auf. Da sie im Zuge dieses Artikels häufiger zu lesen und beim Betrieb von Radargeräten von Bedeutung sind, folgt eine kurze Begriffsklärung.

Eine Frequenz ist die Schwingungsanzahl der elektromagnetischen Wellen. Sie beschreibt die Wiederholungen, die bei der Ausbreitung der Welle erfolgen. Die Welle, schwingt dabei konstant (fortdauernde Oszillation). Je schneller diese Wiederholungen aufeinanderfolgen, desto höher ist die Frequenz.

Die Wellenlänge hängt direkt mit der Frequenz zusammen. Sie ist der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wellenbergen oder Peaks.

Ein Frequenzband wiederum ist ein Teilbereich des verfügbaren Frequenzspektrums und enthält eine Vielzahl von Frequenzen. Diese einzelnen Frequenzen sind aufgrund gleicher oder ähnlicher Ausbreitungseigenschaften als Band zusammengefasst.

Die Bandbreite hingegen ist Differenz zwischen der oberen und der unteren Frequenz eines Frequenzbandes. Sie ist durch die beiden Grenzwerte des eingeteilten Frequenzbandes beschränkt. Sie bestimmt, in welchem Frequenzbereich sich die elektromagnetischen Wellen ausbreiten und bewegen können. So legt die Bandbreite den Rahmen fest, auf welcher Frequenz ein Radargerät Signale senden und empfangen kann. Je größer sie ist, desto mehr einzelne Frequenzen sind hierfür verfügbar.

Die Radarfrequenz

Radarsensorik nutzt nur ein bestimmtes Spektrum der elektromagnetischen Wellen, den Mikrowellenbereich von 30 Megahertz bis 300 Gigahertz. Hier erfolgt erneut eine Unterteilung nach Frequenz, Wellenlänge und Nutzung. Diese Teilbereiche heißen auch Frequenzbänder. Die Einordnung ist durch internationale Institutionen festgelegt, um eine einheitliche Bezeichnung der Radartypen zu schaffen. So sind den Frequenzbändern bestimmte Buchstaben zugeordnet. Ursprünglich dienten die Bezeichnungssysteme, um die genutzte Frequenz geheim zu halten und eine ungestörte Kommunikation zu garantieren. Insbesondere im Einsatz für das Militär war dies üblich.

Auch wenn sich das Anwendungsgebiet von Radar sich im Laufe der Zeit stark vervielfältigt hat, die Klassifizierung blieb erhalten. Am häufigsten Vertreten sind die Bezeichnungssysteme der internationale Berufsverband IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) und der Länderverbund Nato. Viele Radarhersteller geben anstelle der Frequenz den Buchstaben des dazugehörigen Frequenzbands bei Produktbeschreibungen an.

Anmerkung: InnoSenT gibt bei seinen Produkten in der Regel die GHz und das Frequenzband an.

Betrieb von Radargeräten nach Vorschrift

Neben der Benennung der Frequenzen unterliegt die Verwendung von Radarwellen strengen Vorschriften durch einzelne Länder und Länderbündnisse. Hier spielt der Gesundheitsschutz eine wichtige Rolle. Die Sendeleistung der Sensoren ist entsprechend der Anwendung und der möglichen Gefährdung angepasst.

Die Kommunikation ist zudem reguliert, um eine gleichmäßige Auslastung der Frequenz zu erzielen. Für bestimmte Verwendungszwecke steht eine spezielle Frequenzauswahl zu Verfügung. Diese richtet sich im Wesentlichen nach der physikalischen Eignung (erzielbare Reichweite und Genauigkeit) für die jeweilige Applikation. Auf diese Weise sind zudem Störungen und Überlastungen bei der zunehmenden Anwendung von Radartechnologie vermeidbar. Alle Geräte, die elektromagnetische Wellen senden und empfangen, müssen lizenziert sein. Je nach Vertriebsgebiet und Produktionsort sind unterschiedliche Verordnungen zu berücksichtigen.

Wichtigste Regelwerke

Die Vorschriften nehmen Einfluss auf die Produkteigenschaften wie die Frequenz, Frequenzband, Sendeleistung, Frequenztoleranz, Belegung der Bandbreite und das Frequenzspektrum (z. B. Out-of-Band-Emissionen).

Hohe Frequenz vs. niedrige Frequenz

Höhere Frequenzen haben kürzere Wellenlängen. Niedrige Frequenzen verfügen über eine größere Wellenlänge. Diese Eigenschaften wirken sich auf verschieden Parameter der Radarwellen aus: Die Reichweite, Bandbreite und die Durchdringung.

Bei gleicher Sendeleistung (bzw. Signalstärke) bedeuten größere Wellenlängen im Allgemeinen eine höhere Reichweite. So lässt sich vereinfacht sagen, je höher die Frequenz desto geringer die Reichweite. Für mehr Informationen zur Einflussfaktoren der Reichweite können Sie hier weiterlesen.

Stoßen Radarwellen auf Hindernisse wie beispielsweise Personen, Säulen oder Fahrzeugen kommt es zur deren Abschattung oder Beugung. Diese Effekte beeinflusst neben der Materialbeschaffenheit (Dielektrizitätszahl) die Durchdringung von Materialien.

Eine Beugung findet statt an Hindernissen, die kleiner sind als die Wellenlänge. Eine Abschattung geschieht bei Hindernissen, die größer sind als die Wellenlänge.

Ein weiterer Effekt ist die Dämpfung. Angenommen bei dem Hindernis handelt es sich um eine Mauer. Dann verhält sich die Wellenlänge bei niedriger oder höherer Frequenz wie folgt:

Im Vergleich erfolgt bei 24 GHz beim Treffen auf Wänden eine größere Dämpfung der Wellen als bei 10 GHz Radaren.

10 GHz Radare (niedrige Frequenz) verfügen über lange Wellen, die sich um Hindernisse beugen und Wände (kleiner als die Wellenlänge von λ=30mm)  durchdringen.

Für 24 GHz Radare (höhere Frequenz und kurze Wellen) hingegen sind dünne Wände (größer als die Wellenlänge λ=12.5mm) ein Hindernis und schwer zu durchdringen.

Kleinere Wellenlängen wirken sich positiv auf das Produktdesign aus, denn sie erlauben geringere Antennenabmessungen. Ab 60 GHz sind die Sensoren sehr kompakt trotz der umfangreichen Funktionalität. Komplexere Radaranwendungen benötigen mehrere Antennen bei 24 GHz, um eine bessere Auflösung zu erzielen. Dies vergrößert das Produkt.

Bei höheren Frequenzen stehen zudem größere Bandbreiten zu Verfügung. Ein Vorteil für das Auflösungsvermögen von Radargeräten. Die Entfernungsauflösung ist deutlich besser. Häufig ist jedoch die Konstruktion aufwendiger und teurer aufgrund der Bauteile und Toleranzen.

24 GHz, 60 GHz, 77 GHz… ?

Je nach individuellen Produktanforderungen müssen Entwickler diese Eigenschaften abwägen, um herauszufinden, welche Frequenz die Beste für die spätere Anwendung ist. Die Wahl ist durch die vom Gesetz vorgeschriebene Anwendungszuteilung der Frequenzbänder zusätzlich eingeschränkt. So wirken sich die Vorschriften nicht nur auf Eigenschaften wie die Sendeleistung aus, sondern auch der vorgesehene Nutzungszweck ist reguliert. Selbst die Zuordnung von Applikationen zu bestimmten Bändern ist von Land zu Land unterschiedlich.

Typische Frequenzbänder bei Radaranwendungen

Interferenzen vermeiden

Aufgrund der zahlreichen Länderbestimmungen und unterschiedlichen Zuordnungen von Anwendungen zu bestimmten Frequenzen müssen Entwickler bereits vorab genau wissen, für welchen Zweck und in welchem Einsatzgebiet das Radargerät genutzt werden soll. Dadurch haben Radartechnikunternehmen meist eine sehr große Produktvariation. Für jedes Vertriebsgebiet gibt es eine andere Zertifizierung und ein extra an den jeweiligen Vorschriften angepasstes Produkt.

Ziel der Zuordnung ist es Interferenzen zwischen mehreren gleichzeitig genutzten Anwendungen zu vermeiden. Insbesondere für die Bereiche, in der die Zuverlässigkeit der Systeme eine große Rolle spielt. Fahrerassistenzsysteme, die Vitalparameterüberwachung, Safety und Security Applikationen dürfen sich nicht in die Quere kommen.

Dennoch treffen in der Praxis diverse Anwendungen aufeinander, die dieselbe Frequenz nutzen. So sind beispielsweise im Fahrzeug genauso viele verschiedene Sensoren integriert und selbst die Verkehrsüberwachung nutzt Radartechnik. Die Vielzahl an Sensorik in unserem Alltag darf sich nicht stören, auch bei Verwendung des gleichen Frequenzbands.

Um dies zu vermeiden, nutzen Radarentwickler komplexe Modulationsformen (z. B. Spread Spectrum, pseudo Noise) oder führen eine Synchronisation des Radars zum Beispiel mit einer GPS-Zeitreferenz durch. Die Radargeräte senden dann nicht bzw. nur kurzzeitig auf der gleichen Frequenz. Des Weiteren setzen sie fortschrittliche Algorithmen bei der Signalauswertung zur Bereinigung der Messergebnisse ein. Störungen filtern die Systeme auf diese Weise aus.

Informationen zur fortschrittlichen Sensortechnologie

Die Nachfrage nach Sensoren steigt aufgrund Trends wie Digitalisierung, Automatisierung in der Industrie & Logistik, Smart Home & City und das autonome Fahren. Doch die Entwicklung und Integration von Radargeräten ist ein komplexes Thema. Die Fachbegriffe und Funktionen werfen für Anwender viele Fragen auf. Unsere Radarexperten haben für Sie umfangreiche Informationen bereitgestellt, um Ihnen den Einstieg in die Welt des Radars zu erleichtern.