Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWMIn modernen Fahrzeugen sind hochsensible Instrumente verbaut, die gegen Strahlung abgesichert werden müssen. Eine Frage ist dabei besonders wichtig: Welches Material wird für das Schutzgehäuse genutzt? Speziell im Mobilitätssektor handelt es sich meist um klassische Radar- und Kommunikationsanwendungen, wie Abstandssensoren in Autos, die Mobilfunkstandards 4G oder 5G und Navigationsinstrumente, die beispielsweise in Flugzeugnasen verbaut sind. Daher spricht man bei Gehäusen für diese Einsatzgebiete von sogenannten »Radomen«. Meistens sind es Glasfaserverbund-Werkstoffe (GFK), die als Mehrschicht-Komposite zum Einsatz kommen. Wir haben für die Prüfung dieser Radome ein ultrabreites, abstimmbares photonisches Terahertz-FMCW-Radar mit einer Modulationsbandbreite von bis zu 1,65 THz entwickelt.
Radare sind essentiell für unsere Navigationssystem. Vor Witterungseinflüsse werden sie mittels mechanischer Abdeckungen, sogenannten Radomen, geschützt. Diese müssen bestimmten Anforderungen genügen, um die Funktionsfähigkeit des Radars nicht zu beeinträchtigen.
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Materialcharakterisierung für RADAR-Anwendungen
Ultrabreitband-Terahertz-FMCW-Radar (Frequency Modulated Continuous Wave Radar)
Mehrschichtkomposite zerstörungsfrei prüfen
Da Glasfaserverbund-Werkstoffe durchlässig für Hochfrequenzstrahlung sind, werden sie besonders dort eingesetzt, wo hochempfindliche Komponenten geschützt werden sollen, aber gleichzeitig der Einfluss der Gehäusematerialien auf die Strahlen möglichst gering bleiben muss. Der Einsatz von Terahertz-Technologien in der Industrie zur Materialcharakterisierung und volumetrischen Prüfung ist aufgrund ihrer zerstörungsfreien und nicht-invasiven Natur inzwischen sehr gefragt. Terahertz-FMCW-Bildgebungssysteme, die im Sub-Terahertz-Bereich unter 1 THz arbeiten, werden für die volumetrische Prüfung von Materialien auf Defekte und Anomalien eingesetzt. Im Vergleich zu den laserbasierten Terahertz-Zeitbereichssystemen mit Bandbreiten von mehreren Terahertz arbeitenarbeiten elektronische FMCW-Radare typischerweise mit Modulationsbandbreiten von unter 100 GHz.
Dank der hohen Bandbreite des photonischen FMCW-Radars können einzelne Verbundwerkstoffschichten im Submillimeterbereich unterschieden und Dickenvariationen der einzelnen Schichten aufgelöst werden. Das verdeutlicht sehr gut das Potenzial unseres Systems für eine kombinierte Anwendung von zerstörungsfreier Prüfung und Schichtdickenmessungen.
Dank der hohen Bandbreite des photonischen FMCW-Radars können einzelne Verbundwerkstoffschichten mit einer Auflösung im Submillimeterbereich unterschieden und Dickenvariationen der einzelnen Schichten mit einer Genauigkeit von etwa 100 μm aufgelöst werden. Das verdeutlicht sehr gut das Potenzial unseres Systems für eine kombinierte Anwendung von zerstörungsfreier Prüfung und Schichtdickenmessungen.
Anwendungsbeispiel Radom
Die österreichische Firma 4a manufacturing GmbH stellt Kompositmaterialien für Radome her (CIMERA Radome), die unter anderem in der 5G mmWave und der Satcom Industrie eingesetzt werden. Ein Team unserer Abteilung »Materialcharakterisierung und -prüfung« untersucht für das Unternehmen deren Komposite für Hochfrequenz-Anwendungen – speziell im Bereich zwischen 4 und 40 GHz.
Der genaue Aufbau der komplexen Mehrschichtkomposite ist dabei entscheidend für die Funktionalität der Materialien und die Frage: Bei welchen Frequenzen erscheinen die Radome möglichst »elektromagnetisch transparent« für die gewünschte Zielanwendung? Bisher lieferte 4a manufacturing GmbH Ergebnisse von Materialsimulationen, die Aussagen über dieses Frequenzverhalten erlauben. In der Zusammenarbeit werden die Simulationen nun zusätzlich durch Hochfrequenzmessungen abgesichert.
»Dank unserer abgeschirmten Messkammer konnten wir uns hier als Dienstleister ins Spiel bringen«, so Projektleiter Dr. Maris Bauer. Transmissions- und Reflexionsmessungen an Testradomen verifizieren die Simulationsergebnisse. Das schafft die zusätzliche Sicherheit, dass die hergestellten Materialien von 4a manufacturing GmbH für ihre konkreten Anwendungszwecke geeignet sind. Daneben erlauben unsere Terahertz-Prüfsysteme, die innere Struktur fertiger Radome zu untersuchen, um beispielsweise mögliche Risse oder ähnliche Produktionsfehler frühzeitig zu erkennen.
