Conception d'une chaîne de signaux RF pour systèmes radar FMCW à chirp

Zachariah Peterson
|  September 25, 2019
Si vous pouviez entendre la sortie de votre système chirp radar FMCW, vous auriez l’impression d’écouter un étourneau des pagodes.
Si vous pouviez entendre la sortie de votre système chirp radar FMCW, vous auriez l’impression d’écouter un étourneau des pagodes.

Dans les applications radar pour automobiles et drones, les signaux radar sont amplifiés tout au long de la chaîne du signal. L'amplification est essentielle pour s'assurer que le signal réfléchi peut être détecté avec précision, et pour maximiser la portée et la résolution de votre système radar. Bien que certains circuits imprimés intègrent toute une chaîne de signaux en un seul package, ces packages intégrés peuvent ne pas répondre à vos besoins spécifiques. Dans un tel cas, vous devrez penser à concevoir votre propre chaîne de signaux pour un système de radar à chirp.

Bases d'une chaîne de signaux RF pour systèmes radar FMCW à chirp

Dans les systèmes de radar FMCW à chirp, la fréquence envoyée aux antennes d’émission est synthétisée avec un taux de rampe linéaire (par exemple, avec un oscillateur). Si vous suivez la fréquence dans le temps, le graphique idéal ressemblera à une onde sinusoïdale. Dans les systèmes réels, le graphique de la fréquence de sortie peut ressembler beaucoup plus à une forme d'onde en escalier lorsque la fréquence émise est synthétisée sur des valeurs discrètes.

La portée et la résolution sont deux points essentiels pour concevoir tout système de radar à chirp. Dans un système FMCW à chirp avec un taux de rampe linéaire (comme celui utilisé dans les radars automobiles et les drones), l'équation ci-dessous montre comment calculer la portée maximale utilisable en fonction de la valeur SNR souhaitée et de la puissance d’émission de l'antenne :

Portée maximale des systèmes chirp radar FMCW
Portée maximale des systèmes chirp radar FMCW

Remarque : la valeur du bruit (NF) est égale au logarithme de la réception SNR divisée par l’émission SNR. La résolution de la portée d’un radar FMCW peut aussi être facilement calculée en termes de largeur de bande passante du chirp (par exemple, 4 GHz dans les radars automobiles de 77 GHz) :

Résolution de la portée des systèmes chirp radar FMCW
Résolution de la portée des systèmes chirp radar FMCW 

FMCW chirped radar can be used to determine the speed of an oncoming object by extracting the frequency shift of successive chirps with heterodyne detection. This frequency shift is due to the Doppler effect, which provides a simple way to calculate the speed of target. When combined with directional emission from a phased array antenna, you can also use your radar system to calculate the target’s heading. This aspect is more of a signal processing topic, and as such is outside the scope of this article. Instead, we want to focus on how the particular characteristics of RF amplifiers affect signal integrity in the signal chain.

Intermodulation Products and Harmonic Distortion

On the Tx side in FMCW radar, the synthesized frequency will not be a single frequency. In frequency synthesis, the circuit or nonlinear element used to generate the desired modulated signal may also generate other higher order harmonics in addition to sidelobes. These components then enter the Tx amplifier. The power amplifier on the Tx side is generally operating near saturation and the output quickly becomes nonlinear in order to produce the desired power output and satisfy your range requirement. This generates intermodulation products, which appear in the output of the amplifier as the frequency is ramped. This is similar to what happens in passive intermodulation.

These higher order harmonics and intermodulation products should be filtered from the signal on the Tx side prior to entering the amplifier stage if possible. Harmonics and intermodulation products will have lower intensity thanks to the finite bandwidth of the amplifier and the antenna. This will reduce the strength of higher order harmonics and intermodulation products that are sent to the antenna and emitted.

These same higher order harmonics and any intermodulation products in the emitted signal will reflect from the target and can be detected at the receiver. This means the Rx side should also contain a filter to remove higher order harmonics and any intermodulation products. Ideally, the bandwidth of any filters should overlap with the chirp bandwidth, although this is not always possible. Any intermodulation products and harmonics effectively increase the noise floor in the signal chain, and particular intermodulation products can interfere with extraction of the beat frequency.

Exemple montrant comment les harmoniques et les produits d'intermodulation peuvent être générés lors de la conception de chaîne du signal RF. Notez que la largeur du spectre supérieur gauche due à la modulation n’est pas représenté pour plus de clarté.
Exemple montrant comment les harmoniques et les produits d'intermodulation peuvent être générés lors de la conception de chaîne du signal RF. Notez que la largeur du spectre supérieur gauche due à la modulation n’est pas représenté pour plus de clarté.

Parmi les différents produits d'intermodulation qui peuvent être générés, le produit de troisième ordre (IM3) est le plus important pour deux raisons. Tout d'abord, cette paire particulière de fréquences a tendance à se rapprocher de la fréquence du signal souhaité. Elle est susceptible de s’inscrire dans les largeurs de bande des composants en aval de votre chaîne de signaux.

Deuxièmement, le produit d'intermodulation de troisième ordre déterminera le niveau d'entrée maximal de l'harmonique fondamentale du côté réception. Au fur et à mesure que l'harmonique fondamentale augmente en puissance, l'harmonique de troisième ordre monte également en puissance, et les deux niveaux de signal finissent par s’égaliser. Ce point est connu sous le nom de point d'interception du 3ème ordre (3OIP), qui détermine le niveau de signal d'entrée le plus élevé pouvant être utilisé de manière fiable du côté émission, tout en maintenant la linéarité de l'étage d'amplification et en garantissant l’extraction du signal souhaité.

Il est assez facile d'éliminer les harmoniques d'ordre supérieur dans votre signal d'entrée du côté émission. Il suffit d'utiliser un filtre passe-bande d'ordre très élevé. Tout harmonique résiduel d'ordre supérieur modulé en fréquence peut générer son propre ensemble de produits d'intermodulation à des fréquences plus basses et proches de la bande de fréquence souhaitée. L'élimination de tout produit d'intermodulation à proximité de la bande souhaitée nécessite une conception très précise du filtre, ce qui n'est pas toujours possible.

Balance et load-pull des harmoniques pour l’analyse des amplificateurs non linéaires

Afin de maximiser le transfert de puissance de vos étages d'amplification vers les composants en aval dans la conception RF, vous devrez utiliser l'analyse load-pull pour établir la correspondance d'impédance avec l’impédance de sortie de votre amplificateur d’émission dans votre chaîne de signaux. Ceci est particulièrement important pour examiner le comportement d'un amplificateur fonctionnant avec des signaux d'entrée importants (c'est-à-dire votre amplificateur d’émission), car les balayages CC/ CA typiques produisent des résultats incorrects à des niveaux de signaux d'entrée élevés.

Si vous voulez avoir une idée de la façon dont les harmoniques parasites affectent l'intégrité du signal dans votre système, vous devez utiliser une analyse de la balances des harmoniques pour déterminer comment les harmoniques d'ordre supérieur présentes à l'entrée d'un amplificateur apparaîtront à la sortie. Notez que, pour un amplificateur fonctionnant dans le régime linéaire (idéalement du côté émission), la sortie peut être déterminée en utilisant la fonction de transfert de l'amplificateur, qui peut ensuite être déterminée en appliquant un balayage de fréquence dans une simulation SPICE.

L'analyse de la balance des harmoniques est spécialement conçue pour déterminer comment les harmoniques d'ordre supérieur présentes sur un signal d'entrée dans un circuit non linéaire se propageront vers la sortie. Nous n'entrerons pas ici dans les détails de l'analyse de la balance des harmoniques, mais il existe un certain nombre de progiciels de simulation que vous pouvez utiliser pour la balance des harmoniques avec des modèles SPICE ou IBIS.

Il existe d'autres directives de conception importantes à prendre en compte pour travailler avec des fréquences micro-ondes et mmWave en général. Il s'agit notamment des directives sur le routage et l'agencement des lignes de transmission (voir cet article sur les directives des radars automobiles 77 GHz), des considérations de fabrication et du choix des matériaux de substrat.

La disposition, la sélection des composants et les outils de simulation Altium Designer vous offrent un large éventail d'outils pour travailler avec les systèmes de radar à chirp. Les outils de simulation et de modélisation sont très utiles pour déterminer la meilleure conception de circuit et les meilleurs choix d’agencement pour votre prochain système de radar à chirp.

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Zachariah Peterson possède une vaste expérience technique dans le milieu universitaire et industriel. Avant de travailler dans l'industrie des PCB, il a enseigné à la Portland State University. Il a dirigé son M.S. recherche sur les capteurs de gaz chimisorptifs et son doctorat en physique appliquée, recherche sur la théorie et la stabilité du laser aléatoire. Son expérience en recherche scientifique couvre des sujets tels que les lasers à nanoparticules, les dispositifs électroniques et optoélectroniques à semi-conducteurs, les systèmes environnementaux et l'analyse financière. Ses travaux ont été publiés dans diverses revues spécialisées et actes de conférences et il a écrit des centaines de blogs techniques sur la conception de PCB pour de nombreuses entreprises. Zachariah travaille avec d'autres sociétés de PCB fournissant des services de conception et de recherche. Il est membre de l'IEEE Photonics Society et de l'American Physical Society

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