Diseño de cadena de señal RF para sistemas de radar FMCW de tipo chirp

En aplicaciones de radar para automoción y drones, las señales de radar se amplifican a lo largo de la cadena de señal. La amplificación es vital para garantizar que la señal reflejada se pueda detectar con precisión y para maximizar el alcance y la resolución del sistema de radar. Aunque algunos circuitos integrados integran una cadena de señal completa en un solo paquete, estos paquetes integrados podrían no satisfacer tus necesidades particulares. En tal caso, deberás plantearte diseñar tu propia cadena de señal para un sistema de radar de tipo chirp.

Conceptos básicos sobre el diseño de cadena de señal RF para sistemas de radar FMCW de tipo chirp

En los sistemas de radar FMCW (onda continua de frecuencia modulada) de tipo chirp, la frecuencia enviada a las antenas Tx se sintetiza con una velocidad de rampa lineal (por ejemplo, con un VCO). Si observas la frecuencia a lo largo del tiempo, el gráfico ideal será como una onda sinusoidal. En sistemas reales, el gráfico de la frecuencia de salida puede parecerse mucho más a una forma de onda escalonada cuando la frecuencia emitida se sintetiza a valores discretos.

El alcance y la resolución son dos consideraciones de diseño importantes en cualquier sistema de radar de tipo chirp. En un sistema FMCW de tipo chirp con velocidad de rampa lineal (como la utilizada en los radares de automoción y drones), la siguiente ecuación muestra cómo calcular el rango máximo utilizable en función del valor de SNR (relación señal/ruido) deseado y la potencia de salida de Tx desde la antena:

Observa que la cifra de ruido (NF) es igual al logaritmo de Rx de SNR dividido por Tx de SNR. La resolución de alcance en el radar FMCW también se puede calcular fácilmente en términos del ancho de banda de la señal (por ejemplo, 4 GHz en un radar de automoción de 77 GHz):

El radar FMCW de tipo chirp sirve para determinar la velocidad de un objeto que se aproxima, extrayendo el desplazamiento de frecuencia de las sucesivas señales con detección heterodina. Este cambio de frecuencia se debe al efecto Doppler, que proporciona una manera simple de calcular la velocidad del objetivo. Cuando se combina con la emisión direccional de una antena de matriz en fase, también se puede usar el sistema de radar para calcular el rumbo del objetivo. Este aspecto es más un tema de procesamiento de señales y, como tal, está fuera del ámbito de este artículo. En su lugar, queremos centrarnos en cómo las características particulares de los amplificadores de RF afectan a la integridad de la señal en la cadena de señal.

Productos de intermodulación y distorsión armónica

En el lado de Tx de un radar FMCW, la frecuencia sintetizada no será única. En la síntesis de frecuencia, el circuito o elemento no lineal utilizado para generar la señal modulada deseada también puede generar otros armónicos de orden superior, además de los lóbulos laterales. Estos componentes entran, a continuación, en el amplificador Tx. El amplificador de potencia en el lado de Tx generalmente opera a un nivel cercano a la saturación, y la salida se vuelve rápidamente no lineal para producir la potencia de salida deseada y adaptarse a los requisitos de rango. Esto genera productos de intermodulación, que aparecen en la salida del amplificador a medida que la frecuencia aumenta. Es similar a los que ocurre en la intermodulación pasiva.

Estos armónicos de orden superior y productos de intermodulación deben filtrarse de la señal en el lado de Tx antes de pasar a la etapa amplificadora, si es posible. Los armónicos y los productos de intermodulación tendrán menor intensidad gracias al ancho de banda finito del amplificador y la antena. De esta forma, se reducirá la intensidad de los armónicos de orden superior y los productos de intermodulación que se envían a la antena y se emiten.

Estos mismos armónicos de orden superior y cualquier producto de intermodulación en la señal emitida se reflejarán desde el objetivo y pueden detectarse en el receptor. Esto significa que el lado de Rx también debe contener un filtro para eliminar los armónicos de orden superior y cualquier producto de intermodulación. Idealmente, el ancho de banda de cualquier filtro debe superponerse con el ancho de banda de la señal, aunque esto no siempre es posible. Cualquier producto de intermodulación y armónico aumenta el ruido de fondo en la cadena de señal, y los productos de intermodulación en particular pueden interferir con la extracción de la frecuencia de batido.

Entre los diversos productos de intermodulación que se pueden generar, el producto de tercer orden (IM3) es el más importante por dos razones. En primer lugar, este par en particular de frecuencias tiende a estar muy cerca de la frecuencia de la señal deseada, y es probable que se encuentre dentro del ancho de banda de los componentes posteriores en la cadena de señal.

En segundo lugar, el producto de intermodulación de tercer orden determinará el nivel de entrada máximo del armónico fundamental en el lado de recepción. A medida que el armónico fundamental aumenta en intensidad, el armónico de tercer orden también lo hace, y los dos niveles de señal, por último, se vuelven iguales. Este punto se conoce como el punto de intercepción de tercer orden (3OIP), que determina el nivel de señal de entrada más alto que se puede usar de manera fiable en el lado de Rx, a la vez que se mantiene la linealidad de la fase amplificadora y se garantiza la posibilidad de extracción de la señal deseada.

Eliminar los armónicos de orden superior de la señal de entrada en el lado de Tx es bastante fácil; basta con usar un filtro pasa banda de orden muy alto. Cualquier armónico residual de orden superior en modulación de frecuencia puede generar sus propios productos de intermodulación establecidos a frecuencias más bajas, cerca de la banda de frecuencia deseada. La eliminación de cualquier producto de intermodulación cerca de la banda deseada requiere un diseño de filtro muy preciso, que no siempre es factible.

Balance armónico y arrastre de carga para análisis de amplificadores no lineales

Para maximizar la transferencia de potencia de las etapas amplificadoras a los componentes posteriores en el diseño de RF, debe utilizarse análisis de arrastre de carga para adaptación de impedancias en la impedancia de salida del amplificador Tx, en la cadena de señal. Esto es especialmente importante para analizar el comportamiento de un amplificador que funciona con señales de entrada grandes (es decir, el amplificador Tx), ya que los barridos de CC/CA típicos producen resultados incorrectos a niveles de señal de entrada altos.

Para hacerte una idea de cómo los armónicos espurios afectan a la integridad de la señal en tu sistema, necesitas usar una técnica como el análisis de balance armónico, con el fin de determinar cómo aparecerán en la salida los armónicos de orden superior presentes en la entrada de un amplificador. En el caso de un amplificador que opere en el régimen lineal (idealmente, en el lado de Tx), la salida se puede determinar utilizando la función de transferencia del amplificador, que puede determinarse entonces aplicando un barrido de frecuencia en una simulación basada en SPICE.

El análisis de balance armónico se ha diseñado exclusivamente para determinar cómo se propagarán a la salida los armónicos de orden superior presentes en una señal de entrada de un circuito no lineal. No entraremos aquí en los detalles del análisis de balance armónico, pero hay disponible una serie de paquetes de simulación para uso con los modelos SPICE o IBIS.

A la hora de trabajar con frecuencias de microondas y onda milimétrica (mmWave) en general, es necesario tener en cuenta otras directrices de diseño importantes. Aquí se incluyen directrices sobre la composición de líneas de enrutado y transmisión (ver este artículo sobre directrices en radares de automoción de 77 GHz), consideraciones sobre fabricación y selección de materiales para el sustrato.

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