Progettazione della catena di segnale RF nei sistemi radar a modulazione di frequenza FMCW

Zachariah Peterson
|  Created: September 25, 2019  |  Updated: September 25, 2020

Brahminy starling chirping

 

Se fosse possibile sentire l’output di un sistema chirp radar a modulazione di frequenza, somiglierebbe al cinguettio di uno storno bramino

Nelle applicazioni radar del settore automobilistico e dei droni, i segnali radar sono amplificati lungo la catena di segnale). L’amplificazione è fondamentale per garantire che il segnale riflesso possa essere rilevato in modo accurato e per aumentare al massimo il range e la risoluzione del sistema radar. Sebbene vi siano dei circuiti integrati che integrano un’intera catena di segnale in un singolo pacchetto, questi pacchetti integrati potrebbero non soddisfare le vostre particolari esigenze. In questo caso, sarà necessario pensare alla progettazione della propria catena di segnale per un sistema radar a modulazione di frequenza.

Concetti di base della catena di segnale RF per i sistemi radar a modulazione di frequenza FMCW

Nei sistemi radar a modulazione di frequenza FMCW, la frequenza inviata alle antenne Tx è sintetizzata con una velocità di rampa lineare (ad es. con un VCO). Osservando la frequenza nel tempo, il grafico ideale appare come un’onda sinusoidale. Nei sistemi reali, il grafico della frequenza di output può apparire molto più simile a una forma d’onda a gradino quando la frequenza emessa è sintetizzata a valori discreti.

Range e risoluzione sono due aspetti importanti della progettazione di qualsiasi sistema radar a modulazione di frequenza. In un sistema a modulazione di frequenza FMCW con velocità di rampa lineare (come quelle utilizzate nei radar del settore automobilistico o dei droni), l’equazione sottostante mostra come calcolare il range massimo utilizzabile come funzione del valore SNR desiderato e dell’output Tx dall’antenna:

Range massimo nei sistemi chirp radar a modulazione di frequenza FMCW

Attenzione: la cifra di rumore (NF) è pari al logaritmo di Rx SNR diviso per il Tx SNR. Il range di risoluzione nel radar FMCW può essere anche calcolato facilmente in base all’ampiezza di banda della modulazione di frequenza (ad es. 4 GHz in un radar 77 GHz per il settore automobilistico):

 

Range di risoluzione nei sistemi chirp radar a modulazione di frequenza FMCW

Il radar a modulazione di frequenza FMCW può essere usato per determinare la velocità di un oggetto in ingresso estraendo la variazione di frequenza dei chirp successivi con la rilevazione eterodina. La variazione di frequenza è dovuta all’effetto Doppler, che offre un modo semplice per calcolare la velocità del target. Abbinato all’emissione direzionale di un’antenna ad array a fasi, è inoltre possibile utilizzare il sistema radar per calcolare la direzione del target. Poiché questo aspetto riguarda l’elaborazione del segnale, non rientra nel tema di questo articolo. Desideriamo invece concentrarci sul modo in cui le particolari caratteristiche degli amplificatori RF influiscono sull’integrità del segnale nella catena di segnale.

Prodotti di intermodulazione e distorsione armonica

Sul lato Tx del radar FMCW, la frequenza sintetizzata non sarà una frequenza singola. Nella sintesi della frequenza, il circuito o elemento non lineare utilizzato per generare il segnale modulato desiderato può generare anche altre armoniche di ordine superiore oltre ai lobi laterali. Questi componenti entrano quindi nell’amplificatore Tx. L’amplificatore di potenza sul lato Tx opera generalmente vicino alla saturazione, quindi l’output diventa velocemente non lineare per produrre l’output di potenza desiderato e soddisfare i requisiti di range. Ciò genera prodotti di intermodulazione che appaiono nell’output dell’amplificatore con l’aumento della frequenza. Questo è simile a ciò che accade nell’intermodulazione passiva.

 

Se possibile, queste armoniche di ordine superiore e questi prodotti di intermodulazione dovrebbero essere filtrati dal segnale sul lato Tx prima di entrare nella fase di amplificazione. Le armoniche e i prodotti di intermodulazione avranno un’intensità inferiore grazie all’ampiezza di banda finita dell’amplificatore e dell’antenna. Ciò ridurrà la forza delle armoniche di ordine superiore e i prodotti di intermodulazione inviati all’antenna ed emessi.

Queste stesse armoniche di ordine superiore e qualsiasi prodotto di intermodulazione nel segnale emesso rifletteranno dal target e potranno essere rilevati dal ricevitore. Ciò significa che anche il lato Rx dovrebbe contenere un filtro per rimuovere le armoniche di ordine superiore e qualsiasi prodotto di intermodulazione. Idealmente, l’ampiezza di banda di qualsiasi filtro dovrebbe sovrapporsi all’ampiezza di banda del chirp, sebbene ciò non sia sempre possibile. I prodotti di intermodulazione e le armoniche aumentano di fatto il rumore della catena di segnale e particolari prodotti di intermodulazione possono interferire con l’estrazione della frequenza di battimento.

L’esempio mostra come le armoniche e i prodotti di intermodulazione possono essere generati nella catena di segnale RF. La larghezza dello spettro superiore sinistro dovuta alla modulazione è stata omessa ai fini della chiarezza.

Tra i vari prodotti di intermodulazione che possono essere generati, il prodotto di 3° ordine (IM3) è quello più importante per due motivi. In primo luogo, questa particolare coppia di frequenze cade solitamente molto vicino alla frequenza del segnale desiderato ed è probabile che cada nelle ampiezze di banda dei componenti a valle della vostra catena di segnale.

In secondo luogo, il prodotto di intermodulazione di 3° ordine determinerà il livello massimo di input dell’armonica fondamentale sul lato di ricezione. Via via che aumenta la forza dell’armonica fondamentale, aumenta anche la forza dell’armonica di 3° ordine, e i due livelli di segnale diventano uguali. Questo punto è noto con il nome di 3rd-order Intercept Point (3OIP) e determina il più alto livello di segnale d’ingresso che può essere utilizzato in modo affidabile sul lato Rx, mantenendo al contempo la linearità della fase di amplificazione e garantendo l’estrazione del segnale desiderato.

La rimozione delle armoniche di grado superiore dal segnale d’ingresso sul lato Tx è abbastanza semplice; basta utilizzare un filtro passa banda di ordine molto elevato. Qualsiasi armonica residua di ordine più alto con modulazione di frequenza può generare i propri prodotti di intermodulazione a frequenze più basse, più vicine alla banda di frequenza desiderata. La rimozione i qualsiasi prodotto di intermodulazione vicino alla vostra banda desiderata richiede la progettazione molto precisa del filtro, il che non è sempre possibile.

Equilibrio armonico e load-pull per l’analisi dell’amplificatore non lineare

Al fine di aumentare al massimo il trasferimento di potenza dalle fasi di amplificazione ai componenti a valle nella progettazione RF, sarà necessario utilizzare l’analisi load-pull per la corrispondenza dell’impedenza per l’impedenza dell’output dell’amplificatore del Tx nella catena di segnale. Ciò è particolarmente importante per analizzare il comportamento di un amplificatore operante con segnali di input ampi (il vostro amplificatore Tx), poiché le tipiche modalità DC/AC generano risultati sbagliati in presenza di livelli di segnali di input elevati.

Se desiderate farvi un’idea del modo in cui le armoniche non attendibili influiscano sull’integrità del segnale nel vostro sistema, dovete utilizzare una tecnica come l’analisi dell’equilibrio armonico per determinare come qualsiasi armonica di ordine più alto presente nell’input di un amplificatore apparirà nell’output. Attenzione: per un amplificatore operante in regime lineare (idealmente sul lato Tx), l’output può essere determinato utilizzando la funzione di trasferimento dell’amplificatore, che può quindi essere determinata applicando un frequency sweep in una simulazione basata su SPICE.

L’analisi dell’equilibrio armonico è appositamente progettata per determinare come le armoniche di ordine più elevato presenti su un segnale di input in un circuito non lineare si propagheranno nell’output. Non prenderemo qui in esame i dettagli dell’analisi dell’equilibrio armonico, tuttavia esistono vari pacchetti di simulazione che potete utilizzare per l’equilibrio armonico con i modelli SPICE o IBIS.

Ci sono altre importanti linee guida per la progettazione da tenere in considerazione quando si lavora con le frequenze a microoonde e mmWave in generale. Queste includono le linee guida sul layout della linea di trasmissione e il routing (leggete questo articolo per maggiori informazioni sulle linee guida nel radar 77 GHz per il settore automobilistico), le considerazioni per la produzione e la selezione del substrato.

Il layout, la selezione dei componenti e gli strumenti di simulazione di Altium Designer offrono molti strumenti per lavorare con i sistemi radar a modulazione di frequenza. Gli strumenti di modellazione e simulazione sono molto utili per determinare il migliore progetto del circuito e le migliori scelte per il layout del vostro prossimo sistema radar a modulazione di frequenza.

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Zachariah Peterson ha una vasta esperienza tecnica nel mondo accademico e industriale. Prima di lavorare nel settore dei PCB, ha insegnato alla Portland State University. Ha condotto la sua Fisica M.S. ricerche sui sensori di gas chemisorptivi e il suo dottorato di ricerca in fisica applicata, ricerca sulla teoria e stabilità del laser casuale. Il suo background nella ricerca scientifica abbraccia temi quali laser a nanoparticelle, dispositivi semiconduttori elettronici e optoelettronici, sistemi ambientali e analisi finanziaria. Il suo lavoro è stato pubblicato in diverse riviste specializzate e atti di conferenze e ha scritto centinaia di blog tecnici sulla progettazione di PCB per numerose aziende. Zachariah lavora con altre società del settore PCB fornendo servizi di progettazione e ricerca. È membro della IEEE Photonics Society e dell'American Physical Society.

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