Hochfrequenz-Systeme: Das analoge Rückgrat der Digitalisierung für innovative Anwendungen

12.04.2021

-  Prof. Alexander Kölpin, Institut für Hochfrequenztechnik, Hamburg University of Technology -

Hand aufs Herz: Was genau ist eigentlich Digitalisierung? Die Antwort fällt nicht leicht und fällt extrem unterschiedlich aus, je nachdem, welche Fachrichtung man fragt. Digitalisierung aus Sicht der Elektrotechnik ist eng mit dem Erfassen, Übertragen, Verarbeiten und Analysieren von Daten und Informationen verknüpft. Die dafür notwendige Schaltungstechnik ist ein klassisches Thema der Elektrotechnik. Die Physik der realen Welt ist analog, auch wenn sie digital interpretiert wird. Dies gilt insbesondere für mobile Anwendungen, die ohne eine Funkschnittstelle und analoge Hochfrequenzsysteme nicht mit der Außenwelt kommunizieren können. Aber Hochfrequenztechnik kann weit mehr und ermöglicht neue und innovative Anwendungen.

Prof. Alexander Kölpin, seit März 2020 neuer Institutsleiter des Instituts für Hochfrequenztechnik (IHF) der Technischen Universität Hamburg (TUHH) und Nachfolger von Prof. Arne Jacob, beschäftigt sich thematisch mit fünf zentralen Aspekten der analogen Hochfrequenzschaltungen und -Systeme:

·         Ressourceneffiziente Funkkommunikationssysteme

·         Hochauflösende Positionsmesstechnik und Sensoren

·         Robuste und zuverlässige Hochfrequenzelektronik

·         Hochfrequenzmesstechnik und Modellierung elektromagnetischer Materialeigenschaften

·         Algorithmen zur Signalkonditionierung hochfrequenter Systeme samt Maschinellem Lernen

In seiner Antrittsvorlesung wird Prof. Kölpin exemplarisch drei Forschungsprojekte vorstellen: Ressourcenlimitierte drahtlose Sensorknoten für die Ortung fliegender Fledermäuse, hochauflösende Kraft- und Drehmoment-Sensorik für industrielle Anwendungen sowie berührungslose medizinische Herzkreislaufdiagnostik mit Hilfe von Radar. Die Antrittsvorlesung wird im Rahmen des Kolloquiums des Studiendekanats Elektrotechnik, Informatik und Mathematik (EIM) stattfinden.

Bei mobilen Anwendungen Umgebungsinformationen immer und überall erfassen: Für diese Aufgabe sind drahtlose Sensornetze gefragt. Als Beispiel werden Forschungsergebnisse eines miniaturisierten Sensorknotens zur Beobachtung fliegender Fledermäuse präsentiert (Abbildung 1). Die Herausforderung liegt auf der Hand: Die kleinen Tiere dürfen durch die Größe und das Gewicht des Sensors nicht beeinträchtigt werden. Mit einem Gewicht leichter als ein DIN A5-Blatt Papier und der Größe eines 1-Cent-Stücks ermöglicht das System die Ortung mehrerer fliegender Fledermäuse und erfasst die Sozialstruktur der Gruppe. Der energieeffiziente Sensor kann außerdem eine Vielzahl von weiteren Umgebungsparametern und physiologischen Daten messen und per Funk übertragen. Die Einsatzmöglichkeiten eines solchen Sensornetzwerks sind nahezu unbegrenzt und ein wichtiger Baustein im Kontext Cyber-Physischer Systeme (CPS), einem der Forschungsschwerpunkte des Studiendekanats EIM.

Auch heutzutage stellt das berührungslose und schnelle Erfassen von Kräften und Momenten auf rotierenden Wellen immer noch eine Herausforderung dar. Viele industrielle Produktionsmaschinen, aber auch Anwendungen im Bereich moderner Mobilität oder regenerativer Energien sind auf solche Messungen angewiesen. Prof. Kölpin zeigt einen neuen Ansatz basierend auf keramischen Oberflächenwellen-Resonatoren als Kraftsensoren, die mit einem Hochfrequenzsignal berührungslos abgefragt werden. Mit Hilfe des so genannten Sechstor-Interferometers kann die kraftabhängige Resonanzfrequenz des passiven Sensorelements auf besser als zehn Parts per Million (ppm) innerhalb von nur 1,5 Mikrosekunden bestimmt und damit präzise auf die momentan wirkenden Kräfte geschlossen werden. Diese Hochfrequenz-Sensorik ermöglicht detaillierte Prozesseinblicke für die Modellierung von CPS und ist ein Schlüssel für Anwendungen der Digitalisierung im Kontext Industrie 4.0.

Das Sechstor-Interferometer lässt sich als Sensor für Mikrovibrationen auch für medizinische Applikationen hervorragend einsetzen: Berührungslos können Herz-Kreislauf-Funktionen und Atmung von bekleideten Patientinnen und Patienten gemessen werden (Abbildung 2). Mit Hilfe Maschinellen Lernens, zu dem sich die Initiative „Machine Learning in Engineering“ (MLE@TUHH) an der TUHH gegründet hat, können neben den Basisparametern wie Puls- und Atemfrequenz eine Reihe weiterer, bisher nicht standardmäßig erfasster Messgrößen aufgezeichnet werden, die eine detaillierte Analyse der Herzfunktion und Atmung erlauben. Die kabellose Messung der Vitalparameter ermöglicht so den Medizinerinnen und Medizinern neue diagnostische Möglichkeiten. Zudem ist die drahtlose Messung für die Patientinnen und Patienten deutlich weniger einschränkend als eine herkömmliche, drahtgebundene Messung eines Elektrokardiogramms (EKG), was kontinuierliches Monitoring ermöglicht. Hochfrequenzsysteme können hier zu gesteigerter Lebensqualität und früherer Erkennung gesundheitlicher Krisen beitragen.

Prof. Kölpins Antrittsvorlesung wird im Rahmen des Kolloquiums des Dekanats EIM mittels der Onlineplattform Zoom live für die Öffentlichkeit übertragen. Das Programm kann der Ankündigung des Studiendekanats EIM entnommen werden. Interessierte Personen erhalten die Zugangsdaten unter folgendem Link: https://lists.tuhh.de/sympa/subscribe/kolloq.eim

Ansprechpartner

Prof. Alexander Kölpin
Institut für Hochfrequenztechnik
Technische Universität Hamburg

E-Mail: alexander.koelpin(at)tuhh.de

 

Tel.: +49 40 42878 3019