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Design of an E-band radar frontend for a novel, self-mixing radar principle
(2021) Ebeling, Sven
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Aufbau eines Frontends zur Demonstration eines neuartigen, selbst-mischenden Radarverfahrens im Rahmen des Forschungsprojekts MIRADOR des ILH. Im Gegensatz zu üblichen Prinzipien, bei denen es eine gemeinsame Zeit- oder Frequenzbasis zwischen Sender und Empfänger gibt, sind beim selbstmischenden Radar beide elektrisch unabhängig voneinander. Stattdessen beruht die Bestimmung der Distanz auf der Reflexion von zwei oder mehr Objekten und ist damit eine relative Größe. Der notwendige Mischer im Empfänger unterscheidet sich in der Hinsicht, dass an einem Port sowohl mindestens ein RF als auch das LO zugeführt wird, welche beide von mindestens zwei räumlich getrennten Reflexionsobjekten stammen, weshalb der Mischer kein Dreitor im eigentlichen Sinne mehr ist. Als Komponenten wurden ein Frequenzmultiplizier, zwei Verstärker und ein Mischer, jeweils aus dem Projekt ELiPSe verwendet, welche ebenso am ILH für ein Kommunikationssystem entworfen wurden. Das Frontend besteht aus einem PCB mit Rogers 3003 Substrat auf welchem nicht nur die MMICs platziert und gebondet wurden, sondern auch zwei on-PCB-Hornantennen platziert sind. Der Sender besteht aus einem Frequenz-Verachtfacher, der bei einem Eingangssignal mit −7dBm eine Ausgangsleistung von 8,8dBm erzeugt. Über eine direkte Chip-to-Chip-Bond-Verbindung wird sein Ausgangssignal zu einem Verstärker geleitet, der das Signal um 14,1dB verstärkt. Der Frequenzbereich des X8 reicht von 70GHz bis 86,7GHz und ist nicht durch den Breitbandverstärker begrenzt. Ein weiterer Bonddraht mit 17,5µm Durchmesser verbindet den Ausgang des Verstärkers mit der Speisestruktur, die eine Welle im substratintegrierten Wellenleiter anregt und diese über eine, in der Leiterplatte integrierte, Hornantenne aussendet. Auf der Empfängerseite befindet sich eine identische Hornantenne. Anschließend werden die Eingangssignale durch einen Verstärker verstärkt, der eine simulierte Kleinsignalverstärkung von 24,2dB hat und eine Bandbreite von 60GHz bis 90GHz aufweist. Die Sättigungs-Ausgangsleistung beträgt 22dBm. Ein als resistiver Mischer konzipierter MMIC wird als Transkonduktanzmischer betrieben, wodurch nicht nur LO und RF an einem Eingang, dem Gate, angelegt werden können, sondern auch der Wandlungsgewinn auf −12,8dB erhöht wird. Sein linearer Bereich reicht bis zu einer "LO"-Eingangsleistung von −2,5dBm, wobei der Frequenzbereich von 66,5GHz bis 76,5GHz reicht. Die Realisierung der Schaltung auf einer Hochfrequenz-Leiterplatte folgt auf die theoretischen Überlegungen und zeigt bei der Inbetriebnahme vielversprechende Ergebnisse.