HF-Signalketten-Design für gechirpte FMCW-Radarsysteme

Zachariah Peterson
|  Created: September 25, 2019  |  Updated: September 25, 2020
Wenn Sie das Ausgangssignal von Ihrem gechirpten FMCW-Radarsystem hören könnten, klingt es vielleicht wie ein Pagodenstar.
Wenn Sie das Ausgangssignal von Ihrem gechirpten FMCW-Radarsystem hören könnten, klingt es vielleicht wie ein Pagodenstar.

Bei Automobil- und UAV-Radar-Anwendungen werden Radarsignale durch die Signalkette verstärkt. Verstärkung ist wichtig, um zu gewährleisten, dass das reflektierte Signal genau erfasst werden kann, und zur Maximierung der Reichweite und der Auflösung Ihres Radarsystems. Obwohl es einige ICs gibt, die eine vollständige Signalkette in einem Einzelgehäuse integrieren, erfüllen diese integrierten Gehäuse möglicherweise Ihre Anforderungen nicht. In einem solchen Fall müssen Sie über das Entwerfen Ihrer eigenen Signalkette für ein gechirptes Radarsystem nachdenken.

Grundlagen der HF-Signalkette für gechirpte FMCW-Radarsysteme

Bei gechirpten Radarsystemen wird die an die Tx-Antennen geschickte Frequenz mit einer linearen Anstiegsrate (z. B. mit einemVCO) synthetisiert. Wenn Sie sich die Frequenz im Laufe der Zeit ansehen, sieht die ideale Kurve wie eine Sinuswelle aus. In echten Systemen kann die Ausgangsfrequenzkurve viel mehr wie eine treppenstufenförmige Wellenform aussehen, wenn die emittierte Frequenz bei diskreten Werten synthetisiert wird.

Reichweite und Auflösung sind bei jedem gechirpten Radarsystem zwei wichtige Designpunkte. Bei einem Chirp-FMCW-System mit linearer Anstiegsrate (wie z. B. diejenige, die bei Fahrzeug- und UAV-Radar verwendet wird), zeigt die folgende Gleichung, wie die maximal verwendbare Reichweite als Funktion Ihres gewünschten SNR-Werts und Tx-Leistungsausgangs von der Antenne berechnet wird:

Maximale Reichweite bei gechirpten FMCW-Radarsystemen
Maximale Reichweite bei gechirpten FMCW-Radarsystemen

Beachten Sie, dass die Rauschzahl (RZ) gleich dem Logarithmus des Rx-SNR geteilt durch das Tx SNR ist. Die Reichweiten-Auflösung bei FMCW-Radar kann auch in Bezug auf die Chirp-Bandbreite (z. B. 4 GHz bei 77 GHz Fahrzeugradar) einfach berechnet werden:

HF-Signalketten Reichweiten-Auflösung bei gechirpten FMCW-Radarsystemen
HF-Signalketten Reichweiten-Auflösung bei gechirpten FMCW-Radarsystemen

Gechirpter FMCW-Radar kann verwendet werden, um die Geschwindigkeit eines ankommenden Objekts durch Extraktion der Frequenzverschiebung von aufeinanderfolgenden Chirps mit Heterodyndetektion zu bestimmen. Diese Frequenzverschiebung ist auf den Doppler-Effekt zurückzuführen, der eine einfache Möglichkeit bietet, die Geschwindigkeit des Ziels zu berechnen. Wenn in Kombination mit direktionaler Emission von einer phasengesteuerten Antenne, können Sie Ihr Radar-System zur Berechnung des Zielobjekts verwenden. Dieser Aspekt ist eher ein Thema der Signalverarbeitung, und als solcher gehört er nicht in diesen Artikel. Stattdessen wollen wir uns auf die besonderen Merkmale von HF-Verstärkern konzentrieren, die sich auf die Signalintegrität in der Signalkette auswirken.

Intermodulationsprodukte und Klirrfaktor

Auf der Tx-Seite beim FMCW-Radar wird die synthetisierte Frequenz keine Einzelfrequenz sein. Bei Frequenzsynthese können der Schaltkreis oder das nichtlineare Element, der/das zur Erzeugung des gewünschten modulierten Signals verwendet wird, auch Obertöne höherer Ordnung, zusätzlich zu Nebenkeulen, erzeugen. Diese Elemente werden dann vom Tx-Verstärker erfasst. Der Leistungsverstärker auf der Tx-Seite wird im Allgemeinen bei Sättigung betrieben und das Ausgangssignal wird schnell nichtlinear, um den gewünschten Leistungsausgang zu erzeugen und Ihre Anforderung an die Reichweite zu erfüllen. Dadurch werden Intermodulationsprodukte erzeugt, die im Ausgang des Verstärkers erscheinen, wenn die Frequenz erhöht wird. Dies ist ähnlich demjenigen, das bei passiver Intermodulation geschieht.

Diese Obertöne höherer Ordnung und Intermodulationsprodukte sollten von dem Signal auf der Tx-Seite vor dem Eingang in die Verstärkerstufe wenn möglich gefiltert werden. Obertöne und Intermodulationsprodukte haben durch die finite Bandbreite des Verstärkers und der Antenne eine niedrigere Intensität. Dadurch wird die Stärke der Obertöne höherer Ordnung und Intermodulationsprodukte, die an die Antenne gesendet und emittiert werden, reduziert.

Dieselben Obertöne höherer Ordnung und Intermodulationsprodukte in dem emittierten Signal werden vom Ziel reflektiert und können beim Receiver erfasst werden. Das bedeutet, dass die Rx-Seite ebenso einen Filter enthalten sollte, um Obertöne höherer Ordnung und Intermodulationsprodukte zu entfernen. Idealerweise sollte sich die Bandbreite von Filtern mit der Chirp-Bandbreite überlappen, obwohl dies nicht immer möglich ist. Intermodulationsprodukte und Obertöne verstärken effektiv das Grundrauschen in der Signalkette, und bestimmte Intermodulationsprodukte können die Extraktion der Taktfrequenz stören.

Beispiel, das zeigt, wie Obertöne und Intermodulationsprodukte in der HF-Signalkette erzeugt werden können. Beachten Sie, dass die Breite des oberen linken Spektrums aufgrund der Modulation zur Klarheit weggelassen wird.
Beispiel, das zeigt, wie Obertöne und Intermodulationsprodukte in der HF-Signalkette erzeugt werden können. Beachten Sie, dass die Breite des oberen linken Spektrums aufgrund der Modulation zur Klarheit weggelassen wird.

Unter den verschiedenen Intermodulationsprodukten, die erzeugt werden können, ist das Produkt 3. Ordnung (IM3) aus zwei Gründen das wichtigste. Erstens neigt dieses besondere Paar von Frequenzen dazu, sehr nahe an die Frequenz des gewünschten Signals zu fallen und fällt wahrscheinlich in die Bandbreiten der nachgeordneten Bauteile in Ihrer Signalkette.

Zweitens bestimmt das Intermodulationsprodukt 3. Ordnung den maximalen Eingangspegel der Grundschwingung auf der Empfangsseite. Wenn die Grundschwingung an Stärke zunimmt, nimmt auch die Schwingung 3. Ordnung an Stärke zu, und die beiden Signalpegel werden möglicherweise gleich. Dieser Punkt ist bekannt als Intercept-Point 3. Ordnung (3OIP), der den höchsten Eingangssignal-Pegel festlegt, der zuverlässig auf der Rx-Seite verwendet werden kann, während die Linearität der Verstärkerstufe erhalten und gewährleistet wird, dass das gewünschte Signal extrahiert werden kann.

Die Entfernung von Obertönen höherer Ordnung aus Ihrem Eingangssignal auf der Tx-Seite ist sehr einfach; verwenden Sie einfach einen Bandpassfilter sehr hoher Ordnung. Restliche frequenzmodulierte Obertöne höherer Ordnung können ihre eigenen festgelegten Intermodulationsprodukte bei niedrigeren Frequenzen, die sich nahe bei Ihrem gewünschten Frequenzbereich befinden, erzeugen. Die Entfernung von Intermodulationsprodukten in der Nähe Ihrer gewünschten Reichweite erfordert ein hochpräzises Filterdesign, was nicht immer machbar ist.

Analyse des harmonisches Gleichgewichts und Load-Pull für nichtlineare Verstärker

Um die Leistungsübertragung von Ihren Verstärkerstufen auf nachgeordnete Bauteile im HF-Design zu maximieren, müssen Sie Load-Pull-Analyse für Impedanzanpassung für Ihre Tx Verstärker-Ausgangsimpedanz in Ihrer Signalkette verwenden. Dies ist besonders wichtig zur Prüfung des Verhaltens eines Verstärkerbetriebs bei großen Eingangssignalen (d.h., Ihr Tx-Verstärker), da typische DC-/AC-Sweeps falsche Ergebnisse bei hohen Eingangssignal-Pegeln erzeugen.

Wenn Sie eine Idee davon bekommen möchten, wie sich störende Obertöne auf Signalintegrität in Ihrem System auswirken, müssen Sie eine Technik wie Analyse des harmonischen Gleichgewichts einsetzen, um zu bestimmen, wie Obertöne höherer Ordnung in einem Verstärker-Eingang beim Ausgang erscheinen. Beachten Sie, dass für einen Verstärkerbetrieb im linearen System (idealerweise auf der Tx-Seite) die Ausgangsleistung mit der Verstärker-Übertragungsfunktion, die dann durch Anwendung eines Frequenz-Sweeps in einer SPICE-basierten Simulation bestimmt werden kann, festgelegt werden kann.

Die Analyse des harmonischen Gleichgewichts wird einmalig entworfen, um festzulegen, wie sich Obertöne höherer Ordnung, die an einem Eingangssignal in einem nichtlinearen Schaltkreis vorhanden sind, zum Ausgang hin verbreiten. Wir werden uns hier nicht mit den Feinheiten der Analyse des harmonischen Gleichgewichts befassen, aber es gibt eine Anzahl von Simulationspaketen, die Sie für die Analyse des harmonischen Gleichgewichts mit SPICE- oder IBIS-Modellen verwenden können.

Es gibt weitere wichtige Design-Richtlinien zu berücksichtigen, wenn Sie mit Mikrowellen- und mmWave-Frequenzen im Allgemeinen arbeiten. Diese umfassen Layout-Richtlinen zu Routing und Übertragungsleitung (siehe diesen Artikel für Richtlinen bei 77 GHz Fahrzeugradar), Überlegungen zur Herstellung, und Auswahl des Trägermaterials.

Die Tools für Layout, Bauteil-Auswahl und Simulation in Altium Designer geben Ihnen ein umfassendes Toolset, um mit gechirpten Radarsystemen zu arbeiten. Die Simulations- und Modellierungstools sind bei der Festlegung des besten Schaltkreis-Designs und Layout-Auswahlmöglichkeiten für Ihr nächstes gechirptes Radarsystem sehr nützlich.

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Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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