Design of a Dual Band RF Beamsteering Frontend for Frequency Modulated Continuous Wave Radar Systems

Die vorliegende Arbeit präsentiert den Entwurf eines Zweiband-Hochfrequenz-Beamsteering-Frontends für frequency modulated continuous wave (FMCW)- Radarsysteme. Das entworfene Frontend unterstützt sowohl das 2.4 als auch das 5.8GHz Industrial, Scientific, Medical (ISM)-Band.
Es existieren gute Arbeiten sowohl zu Zweiband-FMCW-Radaren und digitalen Beamsteering-Systemen. In dieser Arbeit soll die Kombinierung der Signale im Hochfrequenzbereich realisiert werden. Es sollen sowohl die Vorteile von Frequenz- als auch von Antennendiversität genutzt werden können.
Es wird zunächst eine Signaltheorie für FMCW-Radare in Szenarien mit Mehrwegeausbreitung formuliert. Daraus werden Anforderungen an das Mehrantennen- Frontend abgeleitet. Es werden verbesserte Amplitudenstellglieder entwickelt, modelliert und charakterisiert. Ein verbesserter Vektormodulator wird als Baustein für ein Vier-Antennen-Array entwickelt und hergestellt. Das Zweiband- Hochfrequenz-Beamsteering-Frontend wurde als integrierter Schaltkreis entworfen und gefertigt. Ein System, bestehend aus dem Frontend und einem existierenden FMCW-Radar, wurde auf einer Leiterplatte entworfen und realisiert.
Dieses System wurde in verschiedenen Szenarien unter zum Teil deutlichen Mehrwegeausbreitungsbedingungen sowie unter Bedingungen ohne Sichtverbindung (non line-of-sight - nLOS) charakterisiert.
Der entworfene Vektormodulator erlaubt einen Phasenstellbereich von 360° und einen Amplitudenstellbereich von mehr als 40dB. Dabei beträgt der root mean square (RMS) Phasenfehler lediglich 6°, der RMS Amplitudenfehler 0.16dB. Der Vektormodulator hat einen Leistungsverbrauch von 87mW und benötigt 0.2mm² Chipfläche.
Die Messungen des Radarsystems zeigen, dass der Distanzfehler durch Verwendung eines Hochfrequenz-Beamsteering-Frontends deutlich gesenkt werden kann. Es wurde erstmals ein Abstandsmesssytem basierend auf Radiowellen unter nLOS Bedingungen charakterisiert. Es hat dabei seine Vorteile gegenüber Ein-Antennen-Frontends demonstriert. Die mittlere Messabweichung des Abstandes konnte sowohl im 2.4 als auch im 5.8GHz Band von etwa einem Meter bei der Nutzung von nur einer Antenne auf ca. 30cm unter Verwendung des Beamsteering frontends gesenkt werden, dies entspricht einer Reduktion der Messabweichung auf etwa ein Drittel. Die Standardabweichung wurde im Schnitt sogar um Faktor vier verringert. Das realisierte Beamsteering-Radarsystem verbraucht im Betrieb ca. 270mA aus einer 12V Quelle. Es erlaubt einen Zweibandbetrieb und ermöglicht so die gleichzeitige Nutzung von Frequenz- und Antennendiversität.