Design of an E-band radar frontend for a novel, self-mixing radar principle

Abstract

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.

This thesis deals with the design of a frontend to demonstrate a novel self-mixing radio detection and ranging (radar) method as part of the MIRADOR research project of ILH. In contrast to conventional principles where there is a common time or frequency basis between the transmitter and receiver, in self-mixing radar these two are electrically independent of each other. Instead, the determination of distance is based on the reflection of two or more objects and is thus a relative quantity. The necessary mixer in the receiver differs in the respect that at least one RF as well as the "LO" are supplied at one port, both of which originate from at least two spatially separated reflection objects, which is why the mixer is not a three-port in the proper sense. The components used were a frequency multiplier, two amplifiers and a mixer, each from the ELiPSe project, which were also designed at the ILH for a communication system. The frontend consists of a PCB with Rogers 3003 substrate on which not only the MMICs were placed and bonded, but also two on-PCB horn antennas were sited. The transmitter consists of a frequency multiplier-by-eight, which produces an output power of 8.8dBm for an input signal of −7dBm. Via a direct chip-to-chip bond connection, the its output signal is fed to an amplifier, which increases the signal with a gain of 14.1dB. The frequency range of the X8 extends from 70GHz to 86.7GHz and is not limited by the wideband amplifier. Another 17.5µm bond wire connects the output of the amplifier to the feed structure, which excites a wave in the substrate-integrated waveguide and transmits it via a subsequent on-PCB horn antenna. On the receiver side there is an identical horn antenna. Following this, the input signals are amplified by an amplifier which has a simulated small-signal gain of 24.4dB and a bandwidth of 60GHz to 90GHz. The saturated output power is 22dBm. A MMIC formerly designed as a resistive mixer is biased as a transconductance mixer, which not only allows LO and RF to be applied at one input, the gate, but also minimizes the conversion loss to −12.8dB. Its linear range extends up to a "LO" input power of −2.5dBm, with the frequency range going from 66.5GHz to 76.5GHz. The realization of the circuit on a high-frequency printed circuit board follows the theoretical consideration and shows promising results during commissioning.