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Das FMCW-Radar (Frequency-Modulated Continuous Wave) ist eine Radararchitektur, bei der eine kontinuierliche Welle gesendet wird, deren Frequenz sich linear mit der Zeit ändert, und bei der die Frequenzdifferenz zwischen dem gesendeten Signal und dem empfangenen Echo genutzt wird, um gleichzeitig die Entfernung und die Geschwindigkeit eines Ziels zu messen. Im Gegensatz zum Impulsradar, das in einem “Senden–Warten–Empfangen”-Zyklus arbeitet, sendet und empfängt das FMCW-Radar gleichzeitig und gewinnt Zielinformationen, während das Signal kontinuierlich ausgesendet wird.
Der Akademiker Mao Erke wies einmal darauf hin, dass der zentrale Widerspruch bei der Entwicklung der Radartechnologie seit jeher in der Balance zwischen “klarem Sehen” und “genauer Messung” liege, und er plädierte dafür, “innovative Forschung zu Radarsystemen zu betreiben und Radarsysteme mit neuer Architektur zu entwickeln”. Das FMCW-Radar ist eine klassische technische Umsetzung dieser Philosophie – es nutzt einen “kontinuierlichen” Ansatz, um unter den Einschränkungen einer geringen Spitzenleistung eine hochauflösende Erkennung zu erreichen.
1. Grundlegendes Funktionsprinzip des FMCW-Radars
1.1 Signalstruktur: Lineare Frequenzmodulation und “Chirp”
Das von FMCW-Radar ist eine kontinuierliche Welle, deren Frequenz linear mit der Zeit variiert und gemeinhin als “Chirp” bezeichnet wird. Am Beispiel der gängigsten Sägezahnmodulation steigt die Frequenz des gesendeten Signals linear von einer Startfrequenz f₀ auf f₀+B an, wobei B die Sweep-Bandbreite, T die Sweep-Periode und die Chirp-Steigung S = B/T ist.
1.2 Entfernungsmessprinzip: Die Frequenzdifferenzmethode
Der Kern der FMCW-Radarentfernungsmessung liegt in der “Frequenzdifferenz”. Das Sendesignal und das Empfangssignal werden gemischt, um ein Zwischenfrequenzsignal (IF) zu erzeugen, dessen Frequenz f_IF der Frequenzdifferenz zwischen dem Sende- und dem Empfangssignal zu einem bestimmten Zeitpunkt entspricht.
Da das Signal eine Zeit τ = 2R/c benötigt, um zum Ziel und zurück zu gelangen (wobei R die Entfernung zum Ziel und c die Lichtgeschwindigkeit ist), hat sich die Frequenz des gesendeten Signals in diesem Zeitraum um S·τ erhöht. Daher beträgt die Frequenz des ZF-Signals:
f_IF = S · τ = S · 2R / c
Daraus ergibt sich folgender Zielbereich:
R = c · f_IF / (2S)
Die Reichweite ist proportional zur ZF-Frequenz – je höher die ZF-Frequenz, desto weiter entfernt ist das Ziel.
1.3 Prinzip der Geschwindigkeitsmessung: Das Doppler-Phasenverfahren
Ein FMCW-Radar misst die Geschwindigkeit mittels Doppler-Phasenverschiebung. Das System sendet kontinuierlich mehrere Chirps aus und ermittelt die Radialgeschwindigkeit des Ziels, indem es die Phasenänderung des ZF-Signals zwischen benachbarten Chirps analysiert.
Beträgt die Phasenänderung des Ziels im Zeitintervall T_c zwischen zwei benachbarten Chirps ΔΦ, so beträgt die Radialgeschwindigkeit des Ziels:
v = λ · ΔΦ / (4π · T_c)
wobei λ die Wellenlänge des übertragenen Signals ist.
1.4 Prinzip der Winkelmessung: Phasendifferenz bei mehreren Antennen
Ein FMCW-Radar benötigt mindestens zwei Empfangsantennen zur Winkelmessung. Durch den Vergleich der Phasendifferenz desselben Echosignals an den beiden Empfangsantennen lässt sich der Ankunftswinkel des Ziels berechnen. Die Beziehung zwischen der Phasendifferenz Δφ und dem Zielwinkel θ lautet:
Δφ = 2π · d · sinθ / λ
wobei d der Abstand zwischen den Antennen ist.
2. Die wichtigsten Vorteile des FMCW-Radars
Extrem geringe Spitzenleistung. Dies ist der größte Vorteil des FMCW-Radars. Da es kontinuierlich sendet, muss das FMCW-Radar nicht wie ein Impulsradar in extrem kurzer Zeit enorme Energiemengen freisetzen. Stattdessen erzielt es mit geringer Dauerleistung eine vergleichbare Erkennungsleistung. Dadurch kann das FMCW-Radar kostengünstige Halbleitersender verwenden, wodurch der Einsatz von Hochspannungsmodulatoren und Vakuumröhren entfällt.
Keine Blindzone im Messbereich. Pulsradar kann während der Übertragung keine Echos empfangen, wodurch eine Blindzone im Nahbereich entsteht. FMCW-Radar sendet und empfängt kontinuierlich, wodurch dieses Problem beseitigt wird – was es besonders für die hochpräzise Erkennung im Nahbereich geeignet macht.
Die Entfernungsauflösung steht in direktem Zusammenhang mit der Bandbreite. Die Entfernungsauflösung eines FMCW-Radars beträgt ΔR = c/(2B) und wird ausschließlich durch die Schwingbreitenbandbreite bestimmt, unabhängig von der Impulsbreite. Das bedeutet, dass sich die Auflösung durch eine Erhöhung der Bandbreite verbessern lässt, ohne die Impulsbreite zu verkürzen.
Relativ einfache Struktur und Signalverarbeitung. Das HF-Frontend eines FMCW-Radars ist einfach aufgebaut, und die Signalverarbeitung basiert im Wesentlichen auf der schnellen Fourier-Transformation (FFT) – kostengünstig und einfach zu integrieren.
Störungsschutz und geringe Abhörwahrscheinlichkeit. Aufgrund der geringen Spitzenleistung sind FMCW-Radarsignale für feindliche elektronischen Aufklärungssysteme auf große Entfernungen nur schwer zu erkennen, was inhärente Vorteile hinsichtlich der Tarnung bietet.
3. Die wichtigsten Einschränkungen von FMCW-Radarsystemen
Begrenzte Reichweite. Die Erfassungsreichweite von FMCW-Radarsystemen ist in der Regel auf einige hundert Meter bis zu einigen Kilometern begrenzt. Aufgrund von Herausforderungen bei der Trennung von Sende- und Empfangskanal ist die erreichbare Sendeleistung begrenzt, wodurch die Erfassungsreichweite von Impulsradarsystemen in Höhe von mehreren hundert Kilometern nicht erreicht werden kann.
Spektrales Aliasing in Szenarien mit mehreren Zielen. In Szenarien mit einer hohen Zieldichte können sich die Echos mehrerer Ziele im Frequenzbereich überlappen, was zu einer Kopplung von Entfernung und Geschwindigkeit führt und die Zielauflösung beeinträchtigt.
Kopplung zwischen Reichweite und Geschwindigkeit. Bei der Dreieckwellenmodulation müssen Entfernung und Geschwindigkeit gemeinsam bestimmt werden; bei der Sägezahnmodulation lassen sich Entfernung und Geschwindigkeit nicht gleichzeitig anhand eines einzelnen Chirps bestimmen – hierfür sind Phaseninformationen aus mehreren Chirps erforderlich.
4. Wichtige technische Fortschritte bei FMCW-Radarsystemen (2025–2026)
Hochpräzise Entfernungsmessalgorithmen. In einer 2025 veröffentlichten Forschungsarbeit wurde ein hochpräziser FMCW-Radar-Entfernungsmessalgorithmus vorgeschlagen, der auf der verallgemeinerten Eigenwertzerlegung (GEVD) basiert. Durch die Herleitung einer analytischen Beziehung zwischen den verallgemeinerten Eigenwerten und dem Schwebungssignal werden Diskretisierungsfehler und Rauschstörungen wirksam reduziert. Experimentelle Daten zeigen, dass bei einer Abtastfrequenz von über 400 kHz die maximale Entfernungsabweichung auf 0,2 mm begrenzt wird.
Sparse Learning und Superauflösungsschätzung. Im Rahmen einer Studie aus dem Jahr 2025 wurde das „Sparse Learning“ auf die gemeinsame Entfernungs-Doppler-Schätzung für breitbandige FMCW-Radarsysteme angewendet, wodurch die Auflösung in Szenarien mit mehreren Zielen verbessert wurde.
Verteilte MIMO-FMCW-Netzwerke. Verteilte MIMO-Radarnetzwerke auf Basis von FMCW-Wellenformen mit abgestufter Frequenz (SF-FMCW) erweitern die synthetisierte Bandbreite durch eine schrittweise Erhöhung der Startfrequenz jedes Chirps und erzielen so eine feinere Entfernungsauflösung, ohne die Bandbreite eines einzelnen Chirps zu vergrößern.
Unterdrückung von Störsignalen bei der Drohnenerkennung. Im Rahmen einer Studie aus dem Jahr 2025 wurde das Problem starker Störsignale bei FMCW-Radarsystemen zur Drohnenerkennung angegangen, indem ein robustes Verfahren zur Störsignalunterdrückung vorgeschlagen wurde, das auf physikalisch fundiertem Vorab-Lernen basiert und die Erkennung von langsam fliegenden, kleinen Zielen in geringer Höhe in komplexen städtischen Umgebungen effektiv verbessert.
5. Typische Anwendungsbereiche von FMCW-Radargeräten
5.1 Kfz-Radar
Das FMCW-Radar ist die gängigste Architektur für Radarsysteme im Automobilbereich. Millimeterwellen-FMCW-Radare finden breite Anwendung bei adaptiven Geschwindigkeitsregelungen, automatischen Notbremssystemen, der Überwachung des toten Winkels und automatischen Parksystemen. Eine im Jahr 2025 veröffentlichte Forschungsarbeit demonstrierte ein 135-GHz-FMCW-Radarsystem auf Basis eines 28-nm-CMOS-Prozesses, das ein Zielfahrzeug in einer Entfernung von 112 Metern mit einem Signal-Rausch-Verhältnis von 14,58 dB erfolgreich erfasste.
5.2 Drohnenerkennung und Überwachung in geringer Höhe
Das FMCW-Radar bietet einzigartige Vorteile bei der Überwachung in niedrigen Höhen. Dank seiner geringen Spitzenleistung eignet es sich für den Einsatz in städtischen Umgebungen, während seine hohe Entfernungsauflösung die Erkennung kleiner Drohnen mit einem Radarquerschnitt von nur 0,01 m² ermöglicht. Untersuchungen aus dem Jahr 2025 zeigten, dass ein X-Band-FMCW-Radar Drohnen mit einem RCS von 0,01 m² in einer Entfernung von 300 Metern zuverlässig erkennen kann.
5.3 Industrie- und Unterhaltungselektronik
FMCW-Radar hat Einzug in die industrielle Messtechnik, die Anwesenheitserkennung im Smart Home und die Überwachung von Vitalparametern gehalten. Ein Forschungsbericht aus dem Jahr 2026 beschrieb 60-GHz- und 77-GHz-4T/4R-Multimode-FMCW-Radar-HF-Chips, mit denen kompakte, stromsparende Millimeterwellen-Sensorlösungen auf Basis eines 28-nm-CMOS-Prozesses realisiert wurden.
5.4 Meteorologie und Fernerkundung
FMCW-Radar wird seit Jahrzehnten zur Messung der Höhe der Ionosphäre und zur Niederschlagserkennung eingesetzt. In den letzten Jahren konnten dank der Fortschritte bei Halbleiterbauelementen und digitalen Signalprozessoren bei FMCW-Wetterradaren erhebliche Verbesserungen hinsichtlich Auflösung und Empfindlichkeit erzielt werden.
6. Das Technologieportfolio von STARDL für HF-Frontends von FMCW-Radarsystemen
Die Leistungsgrenze eines FMCW-Radars hängt von der Qualität seines HF-Frontends ab – die Linearität des Senders bestimmt die Entfernungsmessgenauigkeit, die Rauschzahl des Empfängers bestimmt die maximale Empfindlichkeit des Systems und das Phasenrauschen der Signalkette bestimmt die Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung. Das Technologieportfolio von STARDL im Bereich HF-Frontends bietet umfassende Hardware-Unterstützung für FMCW-Radare:
Sendekette – GaN-Leistungsbauelemente. Obwohl FMCW-Radar keine hohe Spitzenleistung erfordert, stellt es strenge Anforderungen an die Linearität und den Wirkungsgrad des Sendesignals. Die GaN-Leistungsbauelemente von STARDL decken das Frequenzband von 0,5 bis 8,0 GHz ab und verfügen über vorab angepasste interne Impedanznetzwerke, die sowohl im Dauerstrich- als auch im Impulsbetrieb eine stabile Linearität gewährleisten. Dank seiner hohen Effizienz und thermischen Stabilität eignet sich GaN besonders für FMCW-Radarsysteme, die einen langfristigen Dauerbetrieb erfordern.
Empfangskette – rauscharme Verstärker. Die Empfangskette eines FMCW-Radars muss schwache Echosignale aus dem kontinuierlichen Sende-Leckabfall herausfiltern, was extrem hohe Anforderungen an die Rauschzahl und den Dynamikbereich stellt. Die LNAs von STARDL basieren auf dem GaAs-Prozess und erreichen Rauschzahlen von nur 0,35 dB bei gleichzeitig guter Linearität, wodurch sie einen hochempfindlichen Empfang für FMCW-Radare ermöglichen.
Signalkette – HF- und Mikrowellen-ICs. FMCW-Radar stellt strenge Anforderungen an das Phasenrauschen und die Linearität in der Signalkette. Die HF-Mikrowellen-ICs von STARDL decken den Frequenzbereich von DC bis 50 GHz ab – von Mischern über Multiplizierer bis hin zu Phasenschiebern – und bilden so eine komplette Lösung für die Signalkette. Ein Design mit geringem Phasenrauschen wirkt sich direkt auf die Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung des FMCW-Radars und dessen Fähigkeit aus, die Entkopplung von Entfernung und Geschwindigkeit zu gewährleisten.
Systemintegration – IC-Bausteine und Sende-/Empfangsmodule. Für Anwendungen, die Mehrkanal-Sende-/Empfangsfunktionen erfordern (wie z. B. MIMO-FMCW-Radar), bieten die Produktreihen der gehäusten ICs und T/R-Module von STARDL Lösungen mit hoher Integrationsdichte. Die gehäusten ICs decken den Frequenzbereich von DC bis 40 GHz ab, sind mit Standard-SMT-Prozessen kompatibel und senken damit die Integrationshürde für FMCW-Radarsysteme.
7. FMCW-Radar im Vergleich zu Impulsradar: Auswahlvergleich
| Dimension | FMCW-Radar | Impulsradar |
|---|---|---|
| Spitzenleistung | Niedrig | Hoch |
| Reichweite – toter Winkel | Keine | Existiert |
| Entfernungsmessverfahren | Frequenzdifferenz (indirekt) | Zeitverzögerung (direkt) |
| Entfernungsauflösung | Abhängig von der Bandbreite | Wird durch die Impulsbreite bzw. das Kompressionsverhältnis bestimmt |
| Maximale Erfassungsreichweite | Hunderte Meter bis zu einigen Kilometern | Zehn bis hundert Kilometer |
| Fähigkeit zur Bekämpfung mehrerer Ziele | Eingeschränkt durch spektrales Aliasing | Stärker |
| Typische Anwendungsbereiche | Radar für die Automobilindustrie, Drohnenerkennung, industrielle Sensortechnik | Suchradar, Verfolgungsradar, Wetterradar |
8. Rahmenkonzept für technische Auswahlentscheidungen
Entscheiden Sie sich für ein FMCW-Radar, wenn: Es ist eine hochpräzise Erkennung im Nahbereich ohne Erfassungslücken erforderlich; die Spitzenleistung unterliegt strengen Beschränkungen; Größe, Kosten und Stromverbrauch spielen eine entscheidende Rolle; es sind kontinuierliche Aktualisierungen der Zielinformationen erforderlich.
Wählen Sie ein Impulsradar, wenn: Eine Erkennung über große Entfernungen (mehrere Dutzend Kilometer oder mehr) ist erforderlich; zur Überwindung der Dämpfung über große Entfernungen ist eine hohe Spitzenleistung erforderlich; in Szenarien mit mehreren Zielen ist eine höhere Auflösungsfähigkeit erforderlich.
Die Realität im Ingenieurwesen
Das Wesentliche eines FMCW-Radars besteht darin, “Kontinuität” gegen “geringe Spitzenleistung” und “keine toten Winkel” einzutauschen sowie “Frequenzdifferenz” gegen “Entfernungsinformationen”. Es ermöglicht eine hochauflösende Erkennung unter den Einschränkungen einer geringen Spitzenleistung – eine erfolgreiche technische Umsetzung der Philosophie des “Radars mit neuer Architektur”, für die sich der Akademiemitglied Mao Erke einsetzt.
Für Ingenieure, die FMCW-Radarsysteme entwickeln, bestimmt die Qualität des HF-Frontends direkt, wie weit das System reichen kann. Die Linearität des Senders bestimmt die Entfernungsmessgenauigkeit, die Rauschzahl des Empfängers legt die Obergrenze der Empfindlichkeit fest und das Phasenrauschen der Signalkette bestimmt die Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung. Das Produktportfolio von STARDL für diese Stufen – von GaN-Leistungsbauelementen bis hin zu rauscharmen Verstärkern, von HF-Mikrowellen-ICs bis hin zu gehäusten Bauelementen – bietet umfassende Hardware-Unterstützung für das HF-Frontend von FMCW-Radarsystemen.
