Geschaltete Oszillatoren für Hochfrequenz-Entfernungsmesssysteme

Das dieser Arbeit zugrundeliegende Konzept eines frequenzmodulierten Dauerstrich-Sekundärradarsystems mit geschalteten Oszillatoren wurde bereits in der Literatur beschrieben [1, 2, 3]. Die darin beobachtete Phasenkohärenz zwischen einem Injektionssignal und dem Ausgangssignal von geschalteten Oszillatoren wird hier analytisch hergeleitet und durch Systemsimulationen bestätigt. Es wird gezeigt, dass sich eine hohe Güte und eine niedrige Entdämpfung des Resonanzkreises positiv auf die Phasenkohärenz auswirken. Damit werden erstmals Entwurfskriterien für eine gezielte Optimierung von geschalteten Oszillatoren zur Phasenregeneration abgeleitet.
Die Theorie der Phasenabtastung wird auf verrauschte Injektionssignale erweitert. Es wird gezeigt, dass die phasenkohärente Ausgangsleistung von geschalteten Oszillatoren für große Injektionsleistungen näherungsweise unabhängig von dieser ist. Für kleine Injektionsleistungen existiert ein linearer Zusammenhang zwischen der phasenkohärenten Ausgangsleistung und der Leistung des Injektionssignals. Die Grenze zwischen diesen beiden linearen Bereichen wird durch die Quellimpedanz der Injektionsquelle sowie dem Verhältnis von Resonanzfrequenz und Güte des Resonanzkreises bestimmt. Eine höhere Güte des Resonanzkreises erhöht die Sensitivität von geschalteten Oszillatoren in Bezug auf die Phasenabtastung. Auf der Grundlage dieser Theorie zur Phasenabtastung verrauschter Signale wird eine Charakterisierungsmethode für geschaltete Oszillatoren abgeleitet, die eine einfache messtechnische Erfassung des beschriebenen Effekts ermöglicht.
In der vorliegenden Arbeit wird der systematische Entwurf von geschalteten Oszillatoren für Hochfrequenz-Entfernungsmesssysteme am Beispiel von drei verschiedenen Oszillatortopologien erläutert. Die auf diese Weise dimensionierten optimierten Schaltungen wurden als integrierte Schaltkreise in einer SiGe-BiCMOS Technologie gefertigt. Durch die grundsätzlich gute Übereinstimmung der Simulations- und Messergebnisse wurde die Eignung der dargestellten Entwurfsmethodik verifiziert. Außerdem wurden die theoretischen Vorhersagen zum Phasenabtastverhalten durch die Messungen belegt. Die gemessene eingangsbezogene Rauschleistung weist bei der implementierten Variante des kreuzgekoppelten Oszillators mit -66.5 dBm den besten Wert aller bekannten Transponderrealisierungen auf Basis von geschalteten injektionsgekoppelten Oszillatoren auf. Außerdem ist die Leistungsaufnahme dieser Variante mit 52 mW sehr niedrig.
Die Funktionalität der entwickelten Transponderprototypen in einem frequenzmodulierten Dauerstrich-Sekundärradarsystem wurde in verschiedenen Umgebungen demonstriert. Das hier dargestellte Transponderkonzept übertrifft mit einer Ortungsgenauigkeit von wenigen Zentimetern bei einer Reichweite von über 100m und einer Präzision im Millimeterbereich alle bekannten Backscatter-Transpondersysteme um mindestens eine Größenordnung. Im Vergleich zu anderen Dauerstrich- Sekundärradarsystemen ist vor allem die um mehr als den Faktor 20 niedrigere Leistungsaufnahme hervorzuheben.