UWB Sampling Down Converter mit Transisterschaltung zur Abtastpulsgenerierung

Cihal, Rudolf

UWB Sampling Down Converter mit Transisterschaltung zur Abtastpulsgenerierung

Zusammenfassung

Inhaltsangabe:Einleitung:
In dieser Diplomarbeit wird ein bestehendes pulsbasiertes UWB Radarsystem, das im Zuge zweier Diplomarbeiten am Institut für Mikroelektronik an der Johannes Kepler Universität entstand, weiterentwickelt. Im Besonderen wird auf die Verbesserung des Sampling Down Converters Wert gelegt, da die bisher verwendete Variante mit einem Sampling Phase Detector einfach zu teuer ist und auch bezüglich Dynamik nicht die gewünschten Ergebnisse brachte.
Im folgenden werden insbesonders zwei Schaltungsvarianten genauer betrachtet. Zum einen wird eine Ansteuerung über ein differentielles Signal ausprobiert, wobei es nötig ist einen Breitband Balun hierfür einzusetzen. Das Design dieses Bauteils gestaltete sich äußerst anspruchsvoll, da eine Funktionstüchtigkeit im Bereich von 3 10 GHz garantiert werden musste. Die andere Möglichkeit ist der Übergang zu einer Single Ended Variante, die das differentielle Signal nicht benötigt.
Beide Schaltungsvarianten werden eingehend analysiert und auch Messergebnisse mit der dazugehörigen Interpretation geliefert. Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
1.Einleitung1
1.1Grundlagen UWB1
1.2Definition von UWB1
1.3Bisherige Arbeiten am Institut3
1.3.1Pulser3
1.3.2Prototyp des UWB-Radars5
1.4Aufgabenstellung7
2.Leitungen8
2.1Wellenwiderstand, Reflexionsfaktor, Anpassung8
2.1.1Wellenwiderstand Z09
2.1.2Reflexionsfaktor r10
2.1.3Anpassung10
2.2Stripline11
2.3Microstrip Leitung12
2.4Koplanarleitung (CPW, GCPW)14
2.5Schlitzleitung (Slotline)14
3.Verwendete Bauteile15
3.1HF-Transistor (HBT - heterostructure bipolar transistor)15
3.2Schottky Dioden16
4.Balun19
4.1Simulation von Baluns19
4.2Praktischer Aufbau eines Baluns21
4.3Messung verschiedener Baluns24
4.4Multilayer Chip Balun CHM1608U26
5.Sampling Down Converter (SDC) mit Balun29
5.1Prinzip des Sampling Down Converters29
5.2Sampling Theorie30
5.3Bisherige Lösung31
5.4Der erste Prototyp32
5.4.1 Messung34
5.4.2 Dynamik36
5.5Verbesserte Variante des SDC38
5.6Neuaufbau des SDC mit verschiedener Diodenbestückung40
5.6.1Dynamik44
5.7SDC mit Balun CHM1608U45
5.7.1Dynamik45
5.7.2Conversion Loss48
6.Sampling Down Converter (SDC)- Single Ended50
6.1Simulation50
6.2Aufbau der Schaltung52
6.3Dynamik53
7.Varianten zur Ansteuerung des SDC56
7.1Ansteuerung mittels DDS56
7.2Ansteuerung mittels Rampen57
8.Zusammenfassung60
Literaturverzeichnis62
AVerwendete Geräte63
BSchaltpläne und […]

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Rudolf Cihal

UWB Sampling Down Converter mit Transisterschaltung zur Abtastpulsgenerierung

ISBN: 978-3-8366-2558-6

Herstellung: Diplomica® Verlag GmbH, Hamburg, 2009

Zugl. Johannes Kepler Universität Linz, Linz, Österreich, Diplomarbeit, 2006

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http://www.diplomica.de, Hamburg 2009

Danksagung

Bedanken m¨

ochte ich mich zuerst bei den Leuten, die mir diese Ausbildung erm¨

oglicht

haben. Das sind nat¨

urlich vor allem mein Vater Rudolf und meine Mutter Christine,

die besonders in j¨

ungeren Jahren schon daf¨

ur gesorgt haben, dass ich jetzt meine Aus-

bildung mit einem Hochschulabschluss beenden konnte. Auch w¨

are es mir ohne ihre

finanzielle Unterst¨

utzung nicht m¨

oglich gewesen, das Studium so rasch zu beenden.

Aber auch meine Großeltern Alfred und Hildegard m¨

ochte ich erw¨

ahnen, die mich vor

allem kulinarisch immer bestens betreut haben. Besonders gedenke ich hier meiner ver-

storbenen Großeltern Rudolf und Katharina. Zuletzt m¨

ochte ich auch die große Geduld

meiner Freundin Elisabeth hervorheben, die immer hinter mir stand, auch wenn ich vor

lauter Lernen f¨

ur Pr¨

ufungen manchmal wenig Zeit f¨

ur sie hatte.

Auf fachlicher Seite gilt mein besonderer Dank nat¨

urlich meinem Ansprechpartner am

Institut f¨

ur Mikroelektronik Herrn DI Alexander Reisenzahn, der mir immer wieder

mit rettenden Vorschl¨

agen und Tipps zu Hilfe kam und an den ich mich immer wenden

konnte. Generell m¨

ochte ich mich beim gesamten Institut f¨

ur das nette und angenehme

Klima bedanken, das daf¨

ur gesorgt hat, dass ich mich beim Anfertigen der Diplomarbeit

am Institut sehr wohl gef¨

uhlt habe. Herrn Bernhard Mayrhofer gilt ebenfalls besonderer

Dank f¨

ur das prompte ¨

Atzen so mancher Platine und bei der L¨

othilfe f¨

ur besonders

knifflige Angelegenheiten.

Kurzfassung

III

Kurzfassung

In dieser Diplomarbeit wird ein bestehendes pulsbasiertes UWB Radarsystem, das im

Zuge zweier Diplomarbeiten am Institut f¨

ur Mikroelektronik an der Johannes Kepler

Universit¨

at entstand, weiterentwickelt. Im Besonderen wird auf die Verbesserung des

Sampling Down Converters Wert gelegt, da die bisher verwendete Variante mit einem

Sampling Phase Detector einfach zu teuer ist und auch bez¨

uglich Dynamik nicht die

gew¨

unschten Ergebnisse brachte.

Im folgenden werden insbesonders zwei Schaltungsvarianten genauer betrachtet. Zum

einen wird eine Ansteuerung ¨

uber ein differentielles Signal ausprobiert, wobei es n¨

otig

ist einen Breitband Balun hierf¨

ur einzusetzen. Das Design dieses Bauteils gestaltete

sich ¨

außerst anspruchsvoll, da eine Funktionst¨

uchtigkeit im Bereich von 3 10 GHz

garantiert werden musste. Die andere M¨

oglichkeit ist der ¨

Ubergang zu einer Single

Ended Variante, die das differentielle Signal nicht ben¨

otigt.

Beide Schaltungsvarianten werden eingehend analysiert und auch Messergebnisse mit

der dazugeh¨

origen Interpretation geliefert.

Abstract

The aim of this master thesis is to improve a pulse-based UWB radar system that was

developed in the course of two previous master thesises at the institute of microelec-

tronics at the Johannes Kepler university in Linz. Particularly the poor performance

in the area of dynamic range and the high cost of the present system are an important

part of the improvement of the present system.

In this thesis a new version of the sampling down converter is developed. The former

SDC used a sampling phase detector for down-converting signals which is a very expen-

sive part. There are two approaches to avoid the SPD. On the one hand a differential

SDC which requires a broadband balun to split up the differential signal, could be an

alternative. On the other hand there is a single ended version that should be easier to

be built because it doesn't require the balun.

Both types of SDC will be discussed in this thesis and the results of measurements will

be analyzed accordingly.

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

1.1

Grundlagen UWB

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2

Definition von UWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3

Bisherige Arbeiten am Institut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3.1

Pulser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3.2

Prototyp des UWB-Radars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.4

Aufgabenstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Leitungen

2.1

Wellenwiderstand, Reflexionsfaktor, Anpassung . . . . . . . . . . . . . .

2.1.1

Wellenwiderstand Z

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1.2

Reflexionsfaktor r

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1.3

Anpassung

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2

Stripline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3

Microstrip Leitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4

Koplanarleitung (CPW, GCPW) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.5

Schlitzleitung (Slotline)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Verwendete Bauteile

3.1

HF-Transistor (HBT - heterostructure bipolar transistor)

. . . . . . . .

3.2

Schottky Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Balun

4.1

Simulation von Baluns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.2

Praktischer Aufbau eines Baluns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.3

Messung verschiedener Baluns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.4

Multilayer Chip Balun CHM1608U . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Sampling Down Converter (SDC) mit Balun

5.1

Prinzip des Sampling Down Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2

Sampling Theorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.3

Bisherige L¨

osung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.4

Der erste Prototyp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.4.1

Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Inhaltsverzeichnis

5.4.2

Dynamik

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.5

Verbesserte Variante des SDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.6

Neuaufbau des SDC mit verschiedener Diodenbest¨

uckung . . . . . . . .

5.6.1

Dynamik

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.7

SDC mit Balun CHM1608U . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.7.1

Dynamik

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.7.2

Conversion Loss

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Sampling Down Converter (SDC)- Single Ended

6.1

Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.2

Aufbau der Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.3

Dynamik

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Varianten zur Ansteuerung des SDC

7.1

Ansteuerung mittels DDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7.2

Ansteuerung mittels Rampen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Zusammenfassung

Literaturverzeichnis

A Verwendete Ger¨

ate

B Schaltpl¨

ane und Layouts

B.1 Pulser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

B.2 Balun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

B.2.1

Selbstkonstruierte Baluns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

B.2.2

Testplatine f¨

ur gekaufte Baluns . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

B.3 Erster Prototyp des SDC

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

B.4 Verbesserte Variante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

B.5 Balun mit CHM1608 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

C Matlab Befehle

C.1 Zeichnen von Diagrammen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

C.2 Dynamik

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

D Spice Parameter der Dioden

E Lebenslauf

Abk¨

urzungsverzeichnis

VII

Abk¨

urzungsverzeichnis

AD analog digital

ADS Advanced Design System (Simulationssoftware)

BJT bipolar junction transistor

CPW coplanar waveguide (Koplanarleitung)

DDS direct digital synthesizer

EIRP Equivalent Isotropically Radiated Power

FCC Federal Communications Commission

GCPW grounded coplanar waveguide (Koplanarleitung mit Massefl¨

ache)

HBT heterostructure bipolar transistor

ISM Industrial, Scientific, Medical

OPV Operationsverst¨

arker

RF radio frequency

SDC Sampling Down Converter

SE single ended

SPD Sampling Phase Detector

SRD Step Recovery Diode

TEM Mode transversalelektromagnetischer Mode (transverse electromagnetic mode)

TE-TM Mode transversalelektrischer - transversalmagnetischer Mode (transverse elec-

tric - transverse magnetic mode)

TTL Transistor-Transistor-Logik

UWB Ultra Wide Band

Abbildungsverzeichnis

VIII

Abbildungsverzeichnis

1.1

Frequenzmaske f¨

ur UWB Indoor Signale . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2

Grundschema des Pulsers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3

Puls am Pulserausgang nach Differentiation . . . . . . . . . . . . . . . .

1.4

Neuaufbau des Pulsers mit Stubverl¨

angerung und neuem HF-Transistor

1.5

Aufbau des entwickelten Prototyps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.6

Eingangs- und Ausgangssignal des Prototyps

. . . . . . . . . . . . . . .

2.1

Modell eines Leitungsst¨

ucks x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2

verschiedene Leitungsabschl¨

usse im ¨

Uberblick . . . . . . . . . . . . . . .

2.3

Stripline mit Feldlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4

Microstrip Leitung mit Feldverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.5

Koplanarleitung mit Massefl¨

ache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.1

Querschnitt durch einen HBT Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2

Aufbau einer Schottky Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3

Aufnahme einer MSS40-248B20 unter dem Mikroskop . . . . . . . . . .

4.1

Balun mit zu großem Platzverbrauch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.2

simulierte Balun Variante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.3

Ergebnis der s-Parameter Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.4

Designvorschlag f¨

ur einen Balun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.5

Ergebnis der Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.6

verschiedene getestete Baluns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.7

Ausgangskurvenform des Baluns 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.8

Testplatine f¨

ur Baluns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.9

ETC1.6-4-2-3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.10 CHM1608 als kompakter SMD-Balun

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.11 Phasenlage des CHM1608U . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.12 Eingangspuls und Ausgangspulse aus Balun gemessen direkt im SDC . .

5.1

Prinzip des sequentiellen Abtastens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2

Abtasttheorem im Frequenzbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.3

Aufbau eines Sampling Phase Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.4

Prinzipieller Aufbau des SDC mit Balun . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.5

innerer Aufbau des SDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Abbildungsverzeichnis

5.6

Foto der aufgebauten Platine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.7

Fliegender Aufbau der Messung des SDC mit Balun . . . . . . . . . . .

5.8

links: RF-Eingangssignal, rechts: Ausgangssignal aus SDC . . . . . . . .

5.9

Linearit¨

atsmessung des SDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.10 Foto des aufgebauten SDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.11 Aufbau der Gesamtplatine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.12 Puls aus aufgeschnittenem Pulser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.13 Ausgangspuls aus Gesamtplatine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.14 Mikroskopaufnahme des SDC mit T-Bridge Diode, rechts: Detailaufnah-

me der Leitungsverengung bei der Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.15 Mikroskopaufnahme des SDC mit zwei Einzeldioden, rechts: Detailauf-

nahme der durchgehenden RF-Leitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.16 Ausgangspulse aus beiden SDC im Vergleich . . . . . . . . . . . . . . . .

5.17 Vergleich der Dynamik beider Platinen, links: T-Bridge, rechts: zwei Ein-

zeldioden

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.18 Ausgangspulse aus SDC mit CHM1608 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.19 Dynamikmessung mit C

=7 pF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.20 Dynamikmessung mit C

=100 pF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.21 Dynamikmessung mit C

=2 pF (links) und C

=0,5 pF (rechts) . . . . .

5.22 Conversion Loss des SDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.1

Simulation der Single Ended Variante in ADS 2005a . . . . . . . . . . .

6.2

Dynamik Simulation in ADS 2005a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.3

Schaltbild des Single Ended SDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.4

Foto des aufgebauten Single Ended SDC

. . . . . . . . . . . . . . . . .

6.5

Dynamik Messung des SE-SDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7.1

Ergebnis einer Jitter Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7.2

Ansteuerung mittels zweier verschiedener Rampen . . . . . . . . . . . .

B.1 Layout des Pulsers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

B.2 Layout der aufgebauten Baluns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

B.3 Layout der Testschaltung f¨

ur Baluns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

B.4 Layout des ersten Prototyps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

B.5 Best¨

uckung des 1. Prototyps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

B.6 Layout des SDC mit T-Bridge Schottky . . . . . . . . . . . . . . . . . .

B.7 Layout des SDC mit 2 Einzeldioden

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

B.8 Layout des SDC mit CHM1608 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

D.1 Ersatzschaltbild einer Schottky Diode

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Tabellenverzeichnis

1.1

ISM B¨

ander und zugeh¨

orige Aufl¨

osung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.1

Aufgebaute Baluns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.1

Bauteilwerte des SDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2

Bauteile der Gesamtplatine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.3

Ergebnisse der Dynamikmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.1

Bauteilwerte des Single Ended SDC

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

B.1 Best¨

uckung Pulser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

B.2 Best¨

uckung 1. Prototyp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

B.3 Bauteile des SDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

B.4 Bauteile des SDC mit CHM 1608U . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

D.1 Spice Parameter der Schottky Diode MSS40-148B10B . . . . . . . . . .

Einleitung

Kapitel 1

Einleitung

Ziel dieser Diplomarbeit ist es, ein bereits bestehendes pulsbasiertes UWB-

Radarsystem, das von Stefan Matzinger [6] und David Scherrer [9] entwickelt wurde,

weiter zu verbessern. Im Besonderen ist das Augenmerk auf den Sampling-Down

Converter (SDC) gelegt worden, wobei vor allem im Bereich der geringen Dynamik

und des hohen Preises des bestehenden Systems große Verbesserungsm¨

oglichkeiten

liegen.

1.1 Grundlagen UWB

Bei einem Radar ist die Bandbreite ausschlaggebend f¨

ur die Aufl¨

osung. Die beste Aufl¨

sung wird bei der Aussendung eines Dirac-Impulses erzielt, dessen Bandbreite bekannt-

lich unendlich ist. Um St¨

orungen der bereits bestehenden Funkdienste zu vermeiden,

wurden von der Federal Communications Commission (FCC) bestimmte Frequenzb¨

an-

der definiert, in denen Ger¨

ate ohne spezielle Genehmigungen senden d¨

urfen [2]. Es sind

dies die sogenannten ISM (Industrial, Scientific, Medical) B¨

ander , siehe Tabelle 1.1,

die aber eine nur eine sehr begrenzte Bandbreite aufweisen und deshalb f¨

ur eine Ra-

daranwendung wenig geeignet sind. Aus diesem Grund hat sich die FCC entschlossen

einen Frequenzbereich mit einer h¨

oheren Bandbreite zur Verf¨

ugung zu stellen.

1.2 Definition von UWB

Im Jahr 2002 wurde UWB von der FCC wie folgt definiert:

= 2

- f

+ f

0, 2

(1.1)

Einleitung

Frequenz

Bandbreite

Aufl¨

osung

26,957 MHz - 27,283 MHz

326 kHz

460 m

40,660 MHz - 40,700 MHz

40 kHz

3750 m

433,050 MHz - 434,790 MHz

1,74 MHz

86 m

868,000 MHz - 870,000 MHz

2 MHz

75 m

2,400 GHz - 2,483 GHz

83 MHz

1,8 m

5,725 GHz - 5,875 GHz

150 MHz

1 m

24,000 GHz - 24,250 GHz

250 MHz

600 mm

61,000 GHz - 61,500 GHz

500 MHz

300 mm

122,000 GHz - 123,000 GHz

1 GHz

150 mm

244,000 GHz - 246,000 GHz

2 GHz

75 mm

Tabelle 1.1: ISM B¨

ander und zugeh¨

orige Aufl¨

osung

Diese Formel bedeutet, dass UWB Signale mindestens eine Bandbreite von 500 MHz

aufweisen m¨

ussen. Um die Funktionst¨

uchtigkeit anderer Funkdienste auch bei Verwen-

dung eines breitbandigen Signals zu gew¨

ahrleisten, wurden von der FCC Grenzwerte

f¨

ur die Emission festgelegt und die Leistung von UWB Signalen in Frequenzmasken

genau definiert.

Abbildung 1.1: Frequenzmaske f¨

ur UWB Indoor Signale

Aus Abbildung 1.1 ist ersichtlich, dass der Bereich zwischen 3,1 GHz und 10,6 GHz

f¨

ur die Nutzung von UWB Signalen freigegeben wurde, falls die Leistung dieser Signale

bzw. deren EIRP (Equivalent Isotropically Radiated Power) unter -41.3 dBm/Hz bleibt.

Durch die erlaubte hohe Bandbreite ist UWB sehr interessant f¨

ur Radaranwendungen

und wurde in den letzten Jahren ein Bereich sehr intensiver Forschung.

Einleitung

1.3 Bisherige Arbeiten am Institut

Wie schon in der Einleitung erw¨

ahnt, war diese Radaranwendung schon Inhalt zweier

Diplomarbeiten und eines Projektseminars. Die bisherigen Ergebnisse m¨

ochte ich an

dieser Stelle in aller K¨

urze zusammenfassen.

1.3.1 Pulser

Abbildung 1.2: Grundschema des Pulsers

In einem Projektseminar wurde von Clemens Hofbauer ein Pulser entwickelt, der es

erm¨

oglicht Pulse mit einer Dauer von ca. 150 ps zu senden. Als Ansteuerung wird ein

D-Flip Flop der AHCT Serie von Texas Instruments (74AHCT74) verwendet, welches

so geschaltet ist, dass es sich selbst zur¨

ucksetzt. Das ca. 2,4 ns lange Signal wird an

die Basis eines Transistors, der ¨

uber einen Kollektorwiderstand gegen Masse durch-

schaltet, angelegt. Dadurch wird der Transistor aus der S¨

attigung ausgeschaltet und

erzeugt eine sehr steile Flanke. Durch nachfolgendes Differenzieren wird ein Puls im

Picosekundenbereich erzeugt (siehe Abbildung 1.2).

Die ben¨

otigte Differentiation wird durch eine kurzgeschlossene Stubleitung realisiert.

Da diese Leitung einen Reflexionsfaktor von -1 aufweist (siehe 2.1.2) wird ein um 180

phasenverschobener Puls reflektiert und am Knotenpunkt dem Signal ¨

uberlagert. Das

Endergebnis ist eine Differentiation und das gew¨

unschte Pulsersignal. Eine Besonderheit

bez¨

uglich Stub ist noch zu erw¨

ahnen: Die Spannungsamplitude und die Dauer des

Pulses sind bez¨

uglich der Stubl¨

ange zueinander direkt proportional, d. h. je gr¨

oßer die

Stubl¨

ange desto gr¨

oßer auch die Amplitude und die Dauer. Da man aber sehr kurze

Pulse erzeugen will, ist man gezwungen einen Kompromiss zwischen hoher Amplitude

und kurzem Puls einzugehen.

In Abbildung 1.3 kann man den gew¨

unschten kurzen Puls im Bereich von ca. 0,8 V

sehen, wobei nat¨

urlich der vorangehende negative Puls und die Nachschwingungen un-

erw¨

unscht sind. Zur Verbesserung des Pulsers wird auch am Ausgang eine Schottky

Einleitung

Abbildung 1.3: Puls am Pulserausgang nach Differentiation

Diode (siehe Kapitel 3.2) in Durchlassrichtung angebracht, die den gesamten negati-

ven Anteil des Pulses wegschneidet. Weitere positive Effekte bei der Verwendung der

Schottky Diode sind auch eine Verringerung der Dauer des Pulses, sowie ein Abnehmen

des Nachschwingens. Negativ anzumerken ist, dass die Amplitude um die Durchlass-

spannung der Diode verringert wird und die Diode durch die fehlende Anpassung auch

selbst Nachschwingungen verursacht, die jedoch geringer ausfallen als die bisherigen.

Abbildung 1.4: Neuaufbau des Pulsers mit Stubverl¨

angerung und neuem HF-Transistor

Diese Idee des Pulsers wurde f¨

ur meine Diplomarbeit ¨

ubernommen, wobei aber der

vorgeschlagene Transistor durch einen HF-Transistor (BFR740L3 siehe dazu Kapi-

tel 3.1) ersetzt wurde und auch die Stubl¨

ange verl¨

angert wurde, um eine gr¨

oßere

Spannungsamplitude zu erzielen. Das Ergebnis kann man in Abbildung 1.4 sehen. Am

auff¨

alligsten ist sicherlich die Spannungserh¨

ohung auf ca. 2,5 V, die sp¨

ater vor allem

Einleitung

wegen des Baluns ben¨

otigt wird. Durch den neuen Transistor ist es auch m¨

oglich die

Dauer des Pulses kurz genug zu halten. Da bei diesem Puls ebenfalls noch keine Schott-

ky Diode nachgeschaltet ist, ist auch der negative Teil noch nicht weggeschnitten. Auch

die geringen Nachschwingungen des Pulsers sind erw¨

ahnenswert.

1.3.2 Prototyp des UWB-Radars

Der in Zusammenarbeit des Instituts f¨

ur Mikroelektronik und des Instituts f¨

ur Nach-

richtentechnik entwickelte Prototyp des UWB Radars war bereits Bestandteil von zwei

Diplomarbeiten. David Scherrer war f¨

ur die Weiterentwicklung des Pulsers und den

Aufbau eines Senders zust¨

andig (siehe [9]), w¨

ahrend Stefan Matzinger am Aufbau eines

Empf¨

angers arbeitete [6]. Abschließend entstand dann durch Zusammenarbeit beider

Institute eine gemeinsame Prototyp Platine, die ein vollst¨

andiges Radarsystem dar-

stellt.

Abbildung 1.5: Aufbau des entwickelten Prototyps

Der bisherige Aufbau ist in Abbildung 1.5 zu sehen. Zur Synchronisation zwischen Sen-

der und Empf¨

anger wird ein TTL Oszillator mit 50 MHz verwendet, wobei die Frequenz

dann noch auf 12,5 MHz geteilt wird. Mit diesem Signal wird dann die Pulsereinheit

angeregt und es werden UWB Pulse mit der Wiederholungsrate von 12,5 MHz gesendet.

Im Empf¨

anger wird das 50 MHz Signal von einem Direct Digital Synthesizer (DDS)

in einen digitalen Sinus mit der Frequenz von 12,5 MHz umgewandelt. Im Ausgangs-

filter wird das Signal tiefpassgefiltert und so ein analoger Sinus erzeugt. Durch einen

Einleitung

differentiellen Verst¨

arker wird der Sampling Phase Detector (SPD) angesteuert. In die-

sem wird der kurze Abtastpuls erzeugt und das empfangene RF-Signal downconvertiert.

Dieser Schritt ist unbedingt n¨

otig, da ein Signal im Gigahertz-Bereich noch nicht direkt

AD gewandelt werden kann. Das downconvertierte Signal wird dann nochmals tiefpass-

gefiltert, um eine Mittelung zu erreichen, und wird dann ¨

uber einen Mikrocontroller

(TUSB3210) auf einen PC ¨

ubertragen. Die Ansteuerung des DDS erfolgt ebenfalls ¨

uber

den erw¨

ahnten Mikrocontroller.

Abbildung 1.6: Eingangs- und Ausgangssignal des Prototyps

Erste Tests lieferten recht vielversprechende Ergebnisse (siehe Abbildung 1.6). Man

sieht die ¨

Ahnlichkeit zwischen den beiden Pulsen, wobei zu beachten ist, dass man den

downconvertierten Puls von rechts beginnend betrachten muss. Dies hat den Grund,

dass das Signal in dieser Darstellung f¨

ur den Mikrocontroller leichter und schneller zu

verarbeiten ist. Es muss auch erw¨

ahnt werden, dass die Sendeeinheit direkt an den

Empf¨

anger ¨

uber ein D¨

ampfungsglied, das die Zield¨

ampfung modellieren sollte, ange-

schlossen war. Das erkl¨

art auch die geringe Amplitude des downconvertierten Pulses.

Zu beachten ist auch, dass auf dem linken Bild die Zeitachse in Nanosekunden (10

-9

skaliert ist.

Die Nachteile des entwickelten Prototyps sind folgende:

· Der Sampling Phase Detector, der die Abtastung und die Down-Convertierung

ubernimmt ist eine sehr teures Bauelement (ca. 11 USD). Im Vergleich zu den

ubrigen Kosten der Gesamtplatine betragen die Kosten des SPD fast 25 % der Ge-

samtkosten. Aus diesem Grund soll nach einer g¨

unstigeren Alternative Ausschau

gehalten werden.

· Mit diesem Aufbau wurde nicht die gew¨

unschte Dynamik von 60 dB erreicht.

· Eine Jitter Messung beim DDS brachte zutage, dass ein Jitter von ca. 25 ps auf-

tritt. Dieser Jitter kann jedoch durch Mittelung behoben werden, aber trotzdem

Einleitung

wurde eine weitere Diplomarbeit am Institut ausgeschrieben, die eine Alternative

zur Ansteuerung des SDC finden soll.

1.4 Aufgabenstellung

Aus den zuvor erw¨

ahnten Nachteilen der bestehenden Schaltung, lassen sich auch ganz

klar die Vorgaben f¨

ur diese Arbeit ableiten. Es soll eine funktionst¨

uchtige Alternative

zum teuren SPD entwickelt werden, die sich nur auf Standardbauteile beschr¨

ankt und

deshalb kosteng¨

unstiger ist. Weiters soll auf eine einfache Herstellbarkeit geachtet wer-

den, sodass der gesamte Aufbau am Institut gefertigt werden kann. Das stellte mich

insbesondere beim Aufbau von diversen Baluns vor gr¨

oßere Probleme, da der minimale

Abstand von Leiterbahnen mindestens 0,15 mm betragen musste, um noch fertigbar zu

sein, aber von verschiedenen Balunvarianten kleinere Leitungsabst¨

ande ben¨

otigt wur-

den. Ebenfalls zu vermeiden sind Multilayer-Prints, was aber keine große Einschr¨

ankung

f¨

ur meine Arbeit darstellte. Ein weiterer wichtiger Punkt ist auch die Verbesserung der

Dynamik.

Die Vermeidung des Sampling Phase Detectors bringt eine Reihe von Problemen mit

sich: Da der Abtastpuls f¨

ur den Sampling Down Converter bis jetzt intern im SPD

erzeugt wurde, muss nun eine L¨

osung gefunden werden, diese Pulse selbst zu erzeugen.

Zu diesem Zweck wird der bereits entwickelte Pulser eingesetzt, der Pulse im UWB

Bereich erzeugt. Nun m¨

ussen aber diese Pulse auf ein differentielles Signal umgewandelt

werden, was mit dem eingesetzten differentiellen Verst¨

arker nicht m¨

oglich ist. Bisher

hatten die Signale Frequenzanteile im Megahertz Bereich, aber jetzt haben diese Pulse

Anteile bis zu zehn Gigahertz. Um diese Aufgabe erf¨

ullen zu k¨

onnen, wird ein Balun

ben¨

otigt, der auch Signale von so hohen Frequenzen verzerrungsfrei in differentielle

Signale umwandeln kann. Eine zweite Variante w¨

are der ¨

Ubergang auf ein Single-Ended

System, da hier der Balun nicht mehr ben¨

otigt werden w¨

urde und man sich somit diese

Komponente ersparen w¨

urde.

Leitungen

Kapitel 2

Leitungen

In diesem Kapitel m¨

ochte ich nur kurz auf die wichtigsten Grundlagen der Leitungstheo-

rie eingehen, die dann auch bei der Erstellung meiner Diplomarbeit verwendet wurden.

Auf langwierige Herleitungen und Beweise wird an dieser Stelle verzichtet, hier erlaube

ich mir auf die weiterf¨

uhrende Literatur zu verweisen. Den Abschluss dieses Kapitels

stellt ein kurzer (nicht vollst¨

andiger) ¨

Uberblick ¨

uber die verwendeten planaren Leitun-

gen dar, die bei der Erstellung meiner Prototypen Verwendung fanden.

2.1 Wellenwiderstand, Reflexionsfaktor, Anpassung

Die Leitungstheorie dient zur Beschreibung der Ausbreitung von elektromagnetischen

Wellen auf Leitungen. Die Ber¨

ucksichtigung dieser Theorie ist immer dann wichtig,

wenn ein Signalanteil hochfrequent ist im Vergleich zur Signallaufzeit auf der Leitung,

d. h. bei sehr hohen Frequenzen oder sehr langen Leitungen.

Abbildung 2.1: Modell eines Leitungsst¨

ucks x

Die Modellierung eines Leitungsst¨

ucks x (siehe Abbildung 2.1) erfolgt durch den

Widerstandsbelag R', den Querleitwertsbelag G', den Induktivit¨

atsbelag L' und den

Kapazit¨

atsbelag C'. Aus diesen Gr¨

oßen lassen sich nun die Gleichungen f¨

ur eine in der

Leitung laufende Welle herleiten (siehe auch [1]).

Details

Seiten
Erscheinungsform: Originalausgabe
Jahr: 2006
ISBN (eBook): 9783836625586
Dateigröße: 12.8 MB
Sprache: Deutsch
Institution / Hochschule: Johannes Kepler Universität Linz – Technisch-Naturwissenschaftliche Fakultät, Mikroelektronik
Erscheinungsdatum: 2014 (April)
Note: 1,0
Schlagworte: radar sampling down converter balun breitband abtastpulsgenerierung

Autor

Rudolf Cihal (Autor:in)

UWB Sampling Down Converter mit Transisterschaltung zur Abtastpulsgenerierung

Zusammenfassung

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

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Autor

Rudolf Cihal (Autor:in)