76 GHz-Imaging (in Arbeit)

Normalerweise steigt der Preis für Mikrowellenbauteile überproportional mit der verwendeten Frequenz. Allerdings hat auch hier die moderne Halbleitertechnik einiges verändert. So sind Bautsteine für Auto-Abstands-Radargeräte oft zu einem Spottpreis bei Ebay zu bekommen. Diese Geräte arbeiten im Bereich von 76..77 GHz, also mit einer Wellenlänge von etwa 4 mm.Zwei Ausfrührungen werden meist angeboten. Zum einen die ältere Ausführung von Bosch und zum Anderen die der Firma TRW.

Der Bosch ACC Sensor

Leider ist der Boschsensor nur mit brachialer Gewalt zu öffnen. Die Schaltung ist auf zwei Platinen untergebracht. Das linke Bild zeigt die HF-Platine.Die Frequenz des Gun-Oszillators mit einem Referenzoszillator (19GHz) mit Oberwellen-Mischer stabilisiert. Die Abstrahlung des 76 GHz Signals erfolgt in vier getrentnten Keulen über Stielstrahler und einer davor sitzenden Linse. Ebenso wird das Signal aus vier Keulen empfangen und mit vier Schottky-Dioden und dem Gun-Signal auf ZF-Null gemischt. Durch eine FM-Modulation des Oszillator enthält die niederfrequent Zwischenfrequenz Informationen über den Abstand und die Geschwindigkeit der erfassten Objekte.
Die laterale Auflösung ist durch die vier Sendeempfangskeulen gegeben.

Aufgrund des Aufbaus ist die Schaltung zum Basteln wenig geeignet. Lediglich der Gun-Oszillator kann leicht abgelötet und für eigene Versuche verwendet werde. Er liefert etwa 10 mW und braucht im schwingenden Zustand etwa 700 mA bei 5V.
Man sollte ihn nicht ohne Kühlkörper betreiben !
Das im rechten Bild aufgeschraubte Eigenbau Alu-Hörnchen reicht als Kühlkörper

Der TRW ACC Sensor

Auch der TRW-Sensor besitzt eine Fokussierlinse. Allerdings werden hier nicht vier sondern zwei sich überlappende Keulen abgestrahlt und empfangen. Nach dem Monopuls-Verfahren kann durch einen Phasenvergleich der Empfangssignale eine laterale Auflösung erreicht werden.
Für Experimente ist der TRW-Sensor besser geeignet da sie sich leicht öffnen lässt und der komplette 76-GHz Sendeempfänger als kompakter Baustein gut entfernt werden kann. Der Sendeempfänger des TRW-Sensors sitzt direkt hinter der Fokusierlinse und kann zusammen mit dieser ausgebaut werden. Die Schaltung ist auf einer kleine PTFE-Platine aufgebaut. Die aktiven Elemente sind drei GaAs-Chips von UMS.
Die Schaltung besteht aus einem DR-stabilisiertem Oszillator (CHV2242a) mit Verdoppler, einem Verdoppler mit Verstärker (CHU2277a) und einer Mischstufe (CHM2378a). Der Oszillator hat einen Tuning-Eingang womit sich die Ausgangsfrequenz um etwa 1,5 GHz ändern lässt. Die Ausgangsleistung des Senders beträgt ca. 13 dBm und die Verluste des passiven Mischers ca. -8 dB, damit lässt sich schon einiges anfangen.
Zum Betrieb benötigt der Baustein + - 4,5V und 0..1,2 V für den Tuning -Eingang

Einer der beiden Radarsensoren arbeitet als Sender, der andere als Empfänger.
Der Oszillatorchip des Senders wird mit einer Rechteckspannung von ca. einem Kilohertz getaktet und so eine Amplitudenmodulation erreicht. Am Mischerausgang des Empfänger sitzt ein Vorverstärker dessen Ausgangsspannung mit einem LogAmp AD 8307 weiter verstärkt und gleichgerichtet wird. Die mit 1kHz pulsierende Spannung wird mit einem Synchrongleichrichter detektiert, geglätted und dem AD-Wandler zugeführt. Diese Spannung ist ein Maß für die Reflektion und Streung des Messobjektes und bestimmt den Grauwert des gescannten Pixels.

Für die folgenden Versuche wurden zwei 76 GHz Einheiten auf den schon öfters (>10GHz< >Thermografie<) verwendeten Scanner montiert. Zusammen mit dem 76 GHz Bild kann auch ein Bild mit einem Thermoelement im 10 µm und mit einer Ge-Fotodiode im 1µm Bereich aufgenommenwerden . Das rechte Bild zeigt den Aufbau. Links und rechts, die beiden Radarsensoren, in der Mitte der Spiegel für den auf dem Ausleger sitzenden 10µm Sensor. Angetrieben wird der Scanner von zwei Schrittmotoren. Steuerung und Datenerfassung besorgt ein Arduino. Die Messdaten werden laufend an einen PC übermittelt der die Datten speichert und als Bild darstellt.

Die drei Bilder zeigen die ersten, leider ziemlich dürftigen,Ergebnisse. Das rechte Bild ist durch Übersteuerung gestört. Beim mittleren Infrarotbild ist der Experimentator einigermaßen zu erkennen. Die dunkle Brille ist übrigens keine Sonnen-, sondern eine normale Brille deren Gläser die Wärmestrahlung des Kopfes abschirmen.
Das rechte Millimeterwellen-Bild zeigt bestenfalls die Umrisse der Person. Möglicherweise stammen die Artefakte von Interferenzeffekten oder kommen durch die ungünstige Anordnung der Linse die zur Erzeugung einer schlanken Strahlkeule und nicht zur Abbildung berechnet und montiert wurden.

Bessere Ergebnisse werden in Transmission erreicht. Für dieses Experiment wurde eine "76 GHz Lichtschranke" aufgebaut. Zwischen Sender und Empfänger wird das Testobjekt mit einem Linearscanner verschoben. In diesem Fall bestand das Objekt aus einem Briefcouvert mit einer "Postkarte" mit verschiedenen Gegenständen. Links oben eine SD-Karte, links unten ein Germaniumscheibchen, in der Mitte ein eine Quarzglassscheibe und rechts ein "T" aus Alufolie. Alle Gegenstände werden im 76 GHz Bild wiedergegeben. Sogar die Klebestreifen sind zumindesten zu erahnen.

Auch die in einer CD-Hülle versteckten Gegenstände können abgebildet werden. Natürlich die Alustreifen, die Rasierklinge und das Geldstück. Aber auch Gegenstände wie der Plastikstern, das T aus dünner Teflonfolie, der PVC-Schlauch, der O-Ring und die Zahnstocher sind zu sehen. Auf einem Röntgenbild wäre das nur bedingt möglich. Aus diesem Grund werden Millimeterwellen-Scanner auch zur Suche nach versteckten Gegenständen verwendet. Das rechte Bild ist eine Röntgendurchleuchtung ( 50 keV, Kupferfilter). Natürlich sind die Münze, die Rasierklinge und die kleine Fließe gut zu sehen, aber schon der Kunststoffstern ist kaum noch zu erkennen. Die Alustreifen, den Zahnstochern und das Teflon-T sieht man nicht.
Zudem ist die durch Mikrowellen, im Gegensatz zur Röntgenstrahlung, erfolgende Durchleuchtung nach bisherigen Kenntnissen gesundheitlich unbedenklich.

Der kleine Spielzeug-Revolver wird in seiner Schachtel mit 76 GHz erkennbar abgebildet. Um ein Vielfaches besser ist allerdings die Röntgendurchleuchtung. Allerdings sind bei einer Spannung von 50 kV mit Kupferfilter nur die wenigen Metallteile des Revolvers zu sehen. Am Besten gelingt die Abbildung mit einer niedrigeren Spannung von etwa 20 kV ohne Filter