ATLAS EMS

Wie bekommt man 14 Leiterplatten in ein Gänseei?

Konventionell ist es üblich, für Elektronik-Baugruppen hoher Packungsdichte, die dritte Dimensionsachse zu nutzen, in dem mehrere Leiterplatten mit Distanz übereinander gestapelt und mit Steckverbindern elektrisch verbunden werden.

Besonders bei kleineren Schaltungen rauben dabei die relativ großen Steckverbinder enorm viel Platz und führen gleichfalls zu einem weitgehend starren und uneffektiven Aufbau und Abstandsschema. Bei unserer Lösung haben wir zum einen die internen Steckverbinder vollständig eliminiert. Zum anderen konnte das Aufbauschema komplett den schaltungstechnischen Erfordernissen und der maximalen Packungsdichte durch optimale Schachtelung der Bauelemente und Komponenten frei angepasst werden. Realisiert wurde dies auf Grundlage des Einsatzes einer starr-flexiblen Leiterplatten-Technologie und einer für solche Elektronikdesigns speziellen 3-dimensionalen Konstruktion.

Als Beispiel wurden in einem Gänseei großen Gehäuse 14 Leiterplatten integriert, die jeweils durch integrale Flexverbindungen elektrisch und mechanisch fest miteinander verbunden sind. In dieses System wurde eine elektrische Abschirmung ebenso eingefügt wie Elemente für eine effektive thermische Wärmeabfuhr.

Wie bringt man die Anzahl der Straßen von New York kreuzungsfrei als elektrische Verbindungen auf eine postkartengroße Leiterplatte?

Die Steigerung der Integrationsdichte einer elektronischen Baugruppe wird einerseits durch die immer höher integrierten Chips getrieben, die inzwischen nicht selten mehr als 1000 Anschluss-Pins besitzen und immer kleinere Bauformen annehmen. Andererseits auch dadurch, dass diese Bauteile in immer engerer Nachbarschaft platziert werden sollen und auch auf der Leiterplatten Ober- und Unterseite direkt gegenüberliegend.

Um die Dimensionen fassbarer zu machen, sei hier ein Vergleich herangezogen. Das Verkehrsnetz von New York umfasst über 10.000 Straßen. In unserem Fall geht es nun darum, diese Straßen kreuzungsfrei als elektrische Verbindung auf eine postkartengroße Leiterplatte zu bringen. Dies entspricht einer Flächen-Reduzierung um mehr als das 10 Milliardenste.

Die Realisierung dieser Aufgabe ist uns gelungen, in dem wir nicht nur mehr als 10 Lagen mit Leitungen in eine 1,5 mm dicke Leiterplatte integrierten, sondern vor allem die Verbindungslöcher der einzelnen Lagen nicht konventionell durchgängig, sondern stufenförmig anordneten. D. h. es handelt sich dabei um elektrisch leitende Löcher mit einem Durchmesser von weniger als einem Zehntel Millimeter, die vergraben als Sacklöcher in den verschiedenen Ebenen der Leiterplatte verborgen liegen.

In realisierten Produkten wurden dazu über 35.000 Löcher benutzt um diese Verbindungen herzustellen, was einer Lochdichte von einer Durchkontaktierung/mm² entspricht.

Durch Anwendung dieser Technologie ist es möglich, eine hochintegrierte Schaltung in konventioneller Technik auf bis zu einem Viertel seiner Größe zu reduzieren.

Wie kann man die Hörkraft eines Menschens, einer Fledermaus, oder sogar einer äußerst sensibeln Raupenfliege übertreffen?

Schiffe sind teilweise mit mehreren parallel arbeitenden Sonaren ausgerüstet, dabei hat jedes seinen eigenen Einsatzschwerpunkt. Je nach Richtcharakteristik kann eine Antenne aus hundert und mehr akustischen Wandlern bzw. Empfangskanälen bestehen. In Summe muss die Signalverarbeitung u. U. bis zu 1.000 Empfangskanäle mit unterschiedlichen Bandbreiten und Abtastfrequenzen parallel verarbeiten. Die Datenraten können leicht mehrere 10 MByte/sec betragen.

Für die Signalverarbeitung waren mehrere Aufgabenstellungen zu lösen:

• Die räumlich getrennten Module der Anlage mussten über ein schnelles Bussystem gekoppelt werden
• Aus Sicherheitsgründen mussten die Datenstrecken redundant ausgelegt sein
• Aus Gründen der Datenintegrität und der Übertragungsbandbreite musste ein Glasfaser-basiertes Übertragungssystem gewählt werden
• Aus Gründen der Auflösung und der Genauigkeit war für die Zahlendarstellung der Signalverarbeitung in Fließkomma-Technik einzusetzen.

Aufgrund der hohen Datenmengen wurde die Signalverarbeitung als Echtzeitsystem auf Parallelrechnern mit Spezialprozessoren realisiert.

Da viele der Sonar-Algorithmen die Signalspektren untersuchen, bestimmt die Fouriertransformation die weiteren Zeitabläufe in der Signalverarbeitung. Mit Hilfe heutiger Technologie kann jeder der Eingangskanäle in wenigen Mikrosekunden transformiert werden.

Die ATLAS Sonar-Anlagen liefern höchste Präzision in der Auflösung und Detektion von Geräuschquellen, wie nachfolgender Vergleich mit Lebewesen in der akustischen Trennschärfe zeigt.

In der Tierwelt hat die Raupenfliege sogar ein noch besseres Gehör als die Fledermaus. Raupenfliegen können die Richtung von Geräuschen, die nur zwei Winkelgrade voneinander entfernt liegen, unterscheiden. Das vermögen sonst nur Menschen, Katzen oder Eulen mit ihren hochentwickelten Ohren. Eine ATLAS Sonar-Anlage erfüllt diese Aufgabe um Faktoren besser und dies auf weitaus größere Distanzen.

Wie hört man die Mäuse rascheln, auch wenn die Flugzeugturbinen laufen?

Bei der Verarbeitung hydroakustischer Signale ist das Verhältnis Nutzsignal zu Störrauschen eine kritische Kenngröße. Das Rauschsignal ist von vielen Faktoren abhängig. Übermäßig starkes Rauschen setzt die Detektionsreichweite herab und verstärkt das Auftreten von Falschalarmen.

In der eingangsseitigen Signalverarbeitung von Sonaren findet zunächst eine Richtungsbestimmung statt. Dabei werden die Antennenelemente in Sektionen unterteilt, und die Signale einer jeden Sektion gebündelt. Die Folge ist eine Richtwirkung, durch die Signale aus der Vorzugsrichtung verstärkt werden, während Signale aus anderen Richtungen gedämpft werden. Durch Hinzunahme vieler Antennenelemente kann die resultierende numerische Apertur auf die gewünschte Eigenschaft optimiert werden. Im Ergebnis wird das omnidirektionale Umgebungsrauschen stark abgeschwächt.

Durch diese Maßnahmen können auch Kleinstsignale detektiert werden, die zunächst schon im Rauschen untergegangen waren. Die Grenze ist situationsabhängig, liegt aber bei besser als -10dB. Sonare können zudem u. a. mit Hilfe der Regelung sowohl im Nahbereich als auch über einen großen Entfernungsbereich zum Ziel eingesetzt werden. Diese ATLAS-Sonarlösungen sind den Sonaren aus der Tierwelt deutlich überlegen, wie der folgende Vergleich zeigt.

Auch wenn das Prinzip stark an die Sonare der Fledermäuse und Delfine erinnert, so ist es doch leistungsfähiger. Eine Fledermaus operiert mit ihren Schallimpulsen nur im Nahbereich. Delfine reduzieren im Nahbereich die Sendelautstärke um sich auf das Objekt zu konzentrieren und verlieren an Reichweite zu entfernten Objekten.

Wie kann man anhand von akustischem Signalen aus einer Entfernung von bis zu 80 km den genauen Typ eines Schiffes erkennen?

Für ein getauchtes U-Boot muss die Sonar-Anlage Augen und Ohren ersetzen. Die von den Antennen der Sonar-Anlage aufgefassten Signale sind für das U-Boot die einzige Möglichkeit zu erkennen, was für ein Schiff sich in seiner Nähe befindet.

Die empfangenen Signale werden aufbereitet, analysiert und bewertet. Aus bestimmten Signalstrukturen kann auf den genauen Typ eines Schiffes geschlossen werden. Dafür lassen sich aus der Frequenzstruktur bestimmte Parameter extrahieren, z. B. die Anzahl der Blätter einer Schiffsschraube, die Schraubendrehzahl, die Anzahl von Zylindern eines Schiffsdieselmotors, und die Anzahl dieser Motoren bzw. Schiffsschrauben. Aus diesen Informationen lässt sich die Geräuschquelle klassifizieren.

Diese Art von Geräuschklassifizierung ist sehr stark von den Schallausbreitungsbedingungen im Wasser abhängig. Je nach Wasserkondition, Dämpfung und Frequenz kann eine solche Detektion über Entfernungen von bis zu 2 ... 3 Konvergenzzonen, ca. 50 ... 80 km, erfolgen.

Wie verarbeitet man über 25 Millionen Signale pro Sekunde?

Die Aufgabe einer Sonar Anlage ist es Informationen über die akustische Situation zu liefern. Dabei unterscheidet man zwischen einem Aktiv-Sonar, bei dem Sonar-Impulse ins Wasser abgestrahlt werden, und Passiv-Sonare, die nur die Empfangssignale der Antennen auswerten.

Seit Jahrzehnten baut ATLAS Echolote, zur Tiefenmessung für eine sichere Schifffahrt. Es folgten hochauflösende Fishfinder Sonare, die Aktiv-Impulse nutzten, um für die Fischerei Informationen über die Größe von Fischschwärmen bis hin zur Größe eines einzelnen Fisches zu liefern. Basierend auf seinem Sonar-Knowhow, entwickelt und produziert ATLAS Geräte für passive und aktive Ortung

Mit Aktiv-Anlagen werden akustische Impulse ausgesendet, die vom Zielobjekt reflektiert und über die Empfangsantennen empfangen werden. In der nachfolgenden Verarbeitung werden Objektinformationen, wie z. B. Peilung, Entfernung, relative Objektgeschwindigkeit, und ggf. Objektgröße extrahiert. Bei Passiv-Anlagen werden Objektkenngrößen wie z. B. Peilung, Frequenzstrukturen, ggf. grobe Entfernung extrahiert.

In der Sonar-Signalverarbeitung werden physikalische Größen wie Energie, Frequenzen, Energie-über-Zeit, Frequenz-über-Zeit, Peilung-über-Zeit untersucht und in einem Zusammenhang gestellt.

Die diversen Antennensysteme mit ihren unterschiedlichen Empfangskanälen und Abtastraten können in Summe bis zu 1.000 Verarbeitungskanäle liefern. Typische Schaltungen liefern dabei 20.000 Abtastungen pro Sekunde. In Summe muss die Signalverarbeitung einer SONAR-Anlage bis zu 25 MegaSamples pro Sekunde verarbeiten können.

ATLAS hat dazu ein spezielles Signalverarbeitungssystem entwickelt, das zeitgleich mittels diverser mathematischer Algorithmen die verschiedenen Informationsaspekte der Signale untersucht, die Ergebnisse aufbereitet und dem Bediener anschaulich darstellt.

Wie steuert man hunderte von Sensoren elektronisch für eine optimale Bündlung?

Für eine aktive Sonaranlage sollte ein Hochleistungs-Unterwasser-Sendesystem entwickelt werden, das Objekte so beschallt, dass auch bei großen Entfernungen noch brauchbare Objekt-Echos zur Signalverarbeitung empfangen werden können.

Das Sendesystem wurde aus ringförmig angeordneten Schallwandlern aufgebaut und mit einer elektronischen Fokussierung versehen. Damit kann die Sendeenergie punktuell in eine bestimmte Richtung gelenkt und somit eine deutlich erhöhte Reichweite erzielt werden. Um trotzdem den gesamten Horizont abtasten zu können, wurde zusätzlich eine elektronisch gesteuerte Drehung des Sendestrahls entwickelt. Das ATLAS Sendesystem erzielt bei einem Minimum an eingesetzter Energie ein Maximum an Reichweite.

Das menschliche Auge kann Objekte nur soweit erkennen, wie die eigene Sehkraft und das vorhandene Licht reichen. Hochleistungssysteme von ATLAS können Objekte sowohl im Nahbereich als auch aus Entfernungen von über zehn Kilometer gezielt und präzise erkennen.