Signalerzeugung

Ein besonderes Augenmerk bei der Signalerzeugung liegt auf einer kompakten und effizienten Erzeugung hochstabiler und breitbandiger Sendesignale im Millimeterwellenbereich. Diese sind erforderlich, um Radarsensoren mit hoher Auflösung und Genauigkeit zu realisieren

Konzepte zur Signalerzeugung

Der High-Electron-Mobility-Transistor (HEMT) ist aufgrund seiner Eigenschaften als Oszillatorbauteil nicht geeignet. Das im Vergleich zum Bipolartransistor höhere 1/f-Rauschen des HEMT erhöht das Phasenrauschen und verringert somit die Qualität des erzeugten Signals. Da die am Fraunhofer IAF prozessierten monolithisch integrierten Mikrowellenschaltungen (MMICs, engl. monolithic microwave integrated circuits) auf einer metamorphen HEMT-Technologie basieren, ist eine direkte Integration des Oszillators auf MMIC-Ebene nicht sinnvoll. Es kommt daher ein Konzept zum Einsatz, das auf der Generierung eines hochqualitativen niederfrequenten Signales mit anschließender Frequenzmultiplikation beruht. Als niederfrequente Signalquelle kann dabei ein direkter digitaler Synthesizer (DDS) oder eine Phasenregelschleife (PLL, engl. phase-locked loop) eingesetzt werden.

© Foto Fraunhofer IAF

DDS-Prinzip

Aufgrund der direkten Signalsynthese mittels schneller Digital-Analog-Wandler bieten kommerziell erhältliche DDS-Bausteine nach wie vor nur relativ geringe Ausgangsfrequenzen. Aktuell erhältliche DDS sind auf ca. 1,5 GHz begrenzt. Um auf dieser Basis Signale im W-Band zu erzeugen, ist ein hoher Frequenzvervielfachungsfaktor von etwa 100 erforderlich. Zudem ist aufgrund der geringen Ausgangsfrequenz die Unterdrückung von Harmonischen im Spektrum nach der Vervielfachung aufwändig und limitiert die nutzbare Sendebandbreite.

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PLL-Prinzip

Zur Signalerzeugung mittels PLL ist ein hochstabiler niederfrequenter Referenzoszillator im MHz-Bereich sowie ein spannungsgesteuerter Hochfrequenz (HF) Oszillator (VCO, engl. voltage-controlled oscillator) erforderlich. Vom erzeugten HF-Signal wird ein Teil ausgekoppelt und die Frequenz geteilt. Anschließend wird die Phasenlage des geteilten Signals von der PLL mit der aktuellen Phasenlage des niederfrequenten Referenzoszillators verglichen. Über eine Variation der Steuerspannung des VCO wird dessen Phase an die des Referenzoszillators angeglichen. Da die Eigenschaften (Frequenzstabilität, Phasenrauschen) des HF-Signals somit vom Referenzsignal abgeleitet werden, ist die gewünschte Systemperformance bei der Auswahl des Referenzoszillators zu berücksichtigen. Die Frequenzstabilität nimmt dabei um den Vervielfachungsfaktor (N) ab und das Phasenrauschen um 20·log(N). Daher ist die Referenzfrequenz so hoch wie möglich zu wählen, um den Qualitätsverlust so gering wie möglich zu halten. Gängige PLLs unterstützen heutzutage Referenzsignale um 100 MHz [2] [3]. Durch die Frequenzteilung des HF-Signals ist ein PLL-basierter Synthesizer an keine maximale Frequenz des HF-VCO gekoppelt. Hierdurch kann die Grundfrequenz des Systems größer als die Radar-Bandbreite gewählt werden, und Harmonische machen sich nach der Frequenzvervielfachung nicht im Sendesignal bemerkbar. Durch den Schleifenfilter der Steuerspannung des HF-VCO wird zudem das Referenzsignal ausreichend unterdrückt, um keine Störungen im Spektrum zu erzeugen.

Zur Erzeugung der beim frequenzmodulierten Dauerstrichradar (FMCW-Radar, engl. frequency modulated continuous wave radar) erforderlichen Frequenzrampen sind beide Verfahren geeignet.

Verwendete Signalerzeugung

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Konzept zur Signalerzeugung

Aufgrund der geringen Ausgangsfrequenz von DDS-Bausteinen und dem damit verbundenen Aufwand in der Filterung der durch die Frequenzvervielfachung erzeugten Harmonischen im Spektrum, wird hier ein PLL-basierter Ansatz zur Signalerzeugung verfolgt. Um die FMCW-Frequenzrampen erzeugen zu können, wird eine PLL mit fraktionalem Teiler eingesetzt, dessen Teilungsfaktor linear während einer Rampe variiert werden kann. Als Referenzsignal wird ein 100 MHz Oszillator mit hoher Frequenzstabilität und sehr geringen Phasenrauschen eingesetzt. Der HF-VCO arbeitet auf einer Grundfrequenz von 7,8 GHz und kann mit einem passiven Schleifenfilter im Bereich von 7,2 GHz bis 8,3 GHz verstimmt werden. Das Signal wird anschließend zunächst in der Frequenz verdoppelt und mit einem variablen Dämpfungsglied an die bevorzugte Eingangsleistung des MMIC angepasst. Hier erfolgt eine weitere Versechsfachung des Signals ins W‑Band. angepasst, auf welchem eine weitere Versechsfachung des Signals ins W‑Band erfolgt

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Phasenrauschen der Signalquelle

Durch die Verzwölffachung des PLL-stabilisierten Signals kann mit den gewählten Komponenten ein Frequenzbereich von 86,4 GHz bis 99,6 GHz abgedeckt werden. Dadurch wird eine Radarbandbreite von über 10 GHz möglich. Der dynamisch veränderbare Frequenzteiler der PLL ermöglicht eine sehr präzise Erzeugung von linearen Frequenzrampen, welche sich zudem durch eine hohe Reproduzierbarkeit auszeichnen.