DE102007029389B4 - RF transmitting and receiving circuit with a directional coupler and a mixer - Google Patents
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Abstract
HF-Sende/Empfangs-Schaltung (1), die aufweist: – einen Mischer (11), mit einem ersten Eingang, dem ein Antennensignal (RF) zugeführt ist, mit einem zweiten Eingang, dem ein Mischersignal (OSZMIX) zugeführt ist, und mit einem Ausgang, an dem ein Basis- oder Zwischenfrequenzsignal (IF) bereitgestellt wird, – einen Richtkoppler (10) mit einem ersten HF-Port zum Anschluss einer Antenne (3), mit einem zweiten HF-Port, der mit dem ersten Eingang des Mischers (11) verbunden ist und an den ein von der Antenne empfangenes Signal (RX) gekoppelt ist, mit einem ersten Oszillator-Port, dem ein Oszillatorsignal (OSZ) zugeführt ist, und mit einem zweiten Oszillator-Port, an den das Oszillatorsignal (OSZ) gekoppelt ist, und – eine Reflexionsanordnung (12), die einen mit dem zweiten Oszillator-Port verbundenen Eingang umfasst, wobei der Eingang eine komplexe Eingangsimpedanz (TL, RT) aufweist, deren Wert derart eingestellt ist, dass am Eingang ein Teil des Oszillatorsignals (OSZREF) reflektiert und von dem Richtkoppler (10) an den zweiten HF-Port gekoppelt wird, sodass dieser reflektierte Teil des Oszillatorsignals (OSZREF) ein parasitäres, direkt von dem ersten Oszillator-Port an den zweiten HF-Port gekoppeltes Oszillatorsignal (OSZTHRU) destruktiv überlagert.RF transmission / reception circuit (1), comprising: - a mixer (11) having a first input to which an antenna signal (RF) is supplied, to a second input to which a mixer signal (OSZMIX) is supplied, and with an output at which a base or intermediate frequency signal (IF) is provided, - a directional coupler (10) with a first RF port for connecting an antenna (3), with a second RF port connected to the first input of the antenna Mixer (11) and to which a signal (RX) received by the antenna is coupled, to a first oscillator port to which an oscillator signal (OSZ) is supplied, and to a second oscillator port to which the oscillator signal ( OSZ), and - a reflection arrangement (12) comprising an input connected to the second oscillator port, the input having a complex input impedance (TL, RT) whose value is set such that a part of the input signal is present at the input Oscillator signal (OSZREF) reflected t and is coupled by the directional coupler (10) to the second RF port, such that this reflected part of the oscillator signal (OSZREF) destructively superimposes a parasitic oscillator signal (OSZTHRU) directly coupled from the first oscillator port to the second RF port.
Description
Die Erfindung betrifft eine HF-Sende- und Empfangseinheit mit einem Richtkoppler und einem Mischer für ein monostatisches Radarsystem.The invention relates to an RF transmitting and receiving unit with a directional coupler and a mixer for a monostatic radar system.
Bekannte Radarsysteme, die gegenwärtig zur Abstandsmessung in Fahrzeugen zum Einsatz kommen, umfassen im Wesentlichen zwei getrennte Radargeräte, welche in unterschiedlichen Frequenzbändern arbeiten. Für Abstandsmessungen im Nahbereich ”Short Range Radar”) werden gegenwärtig nur Radargeräte verwendet, die in einem Frequenzband um eine Mittenfrequenz von 24 GHz arbeiten. Der Nahbereich umfasst dabei Abstände im Bereich von 0 bis ca. 20 Meter vom Fahrzeug. Für Abstandsmessungen im Fernbereich, d. h. für Messungen im Bereich von ca. 20 Meter bis rund 200 Meter (”Long Range Radar”), wird zur Zeit das Frequenzband von 76 GHz bis 77 GHz genutzt. Diese unterschiedlichen Frequenzen sind bei der Erstellung eines Konzeptes für ein Radarsystem, das in mehreren Entfernungsbereichen messen kann, hinderlich und machen im Prinzip zwei getrennte Radargeräte notwendig.Known radar systems currently used for distance measurement in vehicles essentially comprise two separate radars operating in different frequency bands. Short Range Radar Distance Measurements currently use only radars operating in a frequency band around a center frequency of 24 GHz. The near range includes distances in the range of 0 to about 20 meters from the vehicle. For distance measurements in the far range, d. H. For measurements in the range of about 20 meters to about 200 meters ("Long Range Radar"), the frequency band from 76 GHz to 77 GHz is currently used. These different frequencies are a hindrance in creating a concept for a radar system that can measure in several ranges of distance, and in principle make two separate radars necessary.
Das Frequenzband von 77 GHz bis 81 GHz ist seit einiger Zeit ebenfalls für Nahbereichs-Radaranwendungen verfügbar, so dass nun ein Frequenzbereich von 76 GHz bis 81 GHz für automobile Radaranwendungen im Nah- und Fernbereich zur Verfügung steht. Ein einzelnes Mehrbereichs-Radarsystem, welches Abstandsmessungen im Nah- und Fernbereich mit einer einzigen Hochfrequenz-Sende- und Empfangseinheit (HF-Frontend) bewerkstelligt, war jedoch bisher aus unterschiedlichen Gründen nicht möglich. Der Hauptgrund dafür liegt darin, dass zum Aufbau bekannter Radarsysteme derzeit Schaltungen in III/V-Halbleitertechnologien (z. B. Gallium-Arsenid-Technologien) verwendet werden. Gallium-Arsenid-Technologien eignen sich zwar sehr gut für die Integration von Hochfrequenzkomponenten, jedoch ist aufgrund technologischer Beschränkungen kein derart hoher Integrationsgrad zu erreichen, wie er beispielsweise bei einer Integration von Silizium möglich wäre. Darüber hinaus wird nur ein Teil der benötigten Elektronik in GaAs-Technologie gefertigt, sodass viele unterschiedliche Komponenten zum Aufbau des Gesamtsystems notwendig sind.The frequency band from 77 GHz to 81 GHz has also been available for short-range radar applications for some time now, so that a frequency range of 76 GHz to 81 GHz is now available for automotive radar applications in the near and far range. However, a single multi-range radar system that provides close-range and far-range distance measurements with a single high-frequency transmitting and receiving unit (RF front-end) has not been possible for a variety of reasons. The main reason for this is that the construction of known radar systems currently uses circuits in III / V semiconductor technologies (eg gallium arsenide technologies). Although gallium arsenide technologies are very well suited for the integration of high-frequency components, due to technological limitations, it is not possible to achieve such a high level of integration as would be possible, for example, with integration of silicon. In addition, only part of the electronics required is manufactured in GaAs technology, so many different components are needed to build the overall system.
Hochfrequenzoszillatoren in SiGe-Technologie für die Sende- und Empfangsschalung (das HF-Frontend), welche in dem gesamten Frequenzbereich von 76 GHz bis 81 GHz abstimmbar sind, sind jedoch erst durch modernste Herstellungsverfahren möglich geworden, was eine wesentlich kompaktere und kostengünstigere Herstellung der Radarsysteme erlaubt. Beim Design einer HF-Sende/Empfangsschaltung für ein Radarsystem ist neben einer kompakten Bauweise auch ein möglichst großes ”Sichtfeld” (”field of view”) des Radarsensors erwünscht, wobei mit zunehmender Größe des Sichtfelds die erforderliche abgestrahlte Leistung zunimmt.High-frequency oscillators in SiGe technology for the transmitting and receiving formwork (the HF front-end), which are tunable in the entire frequency range of 76 GHz to 81 GHz, but have become possible only by the most modern manufacturing processes, resulting in a much more compact and cost-effective production of radar systems allowed. In the design of an RF transmission / reception circuit for a radar system in addition to a compact design and the largest possible "field of view" of the radar sensor is desired, with increasing the size of the field of view, the required radiated power increases.
Wegen der Forderung nach einer möglichst kompakten Bauweise werden häufig monostatische Radarsysteme verwendet, die sich durch eine gemeinsame Antenne zum Senden und zum Empfangen von Signalen auszeichnen. Monostatische Radarsysteme benötigen in ihrem HF-Frontend einen Richtkoppler (z. B. einen ”ratrace coupler”) zum Trennen von abzustrahlenden und empfangenen Signalen. Das empfangene Signal wird dann in einem mit dem Richtkoppler verbundenen Mischer in ein Zwischenfrequenzband oder in das Basisband gemischt, und das am Mischerausgang zur Verfügung stehende Zwischenfrequenz- oder Basisbandsignal wird für die folgende digitale Signalverarbeitung digitalisiert.Because of the demand for a compact design as possible monostatic radar systems are often used, which are characterized by a common antenna for transmitting and receiving signals. Monostatic radar systems require in their RF front end a directional coupler (eg a "ratrace coupler") for separating signals to be radiated and received. The received signal is then mixed into an intermediate frequency band or baseband in a mixer connected to the directional coupler, and the intermediate frequency or baseband signal available at the mixer output is digitized for subsequent digital signal processing.
Ein realer – häufig in Streifenleitertechnik realisierter – Richtkoppler erreicht keine idealen Werte in Bezug auf Durchgangsdämpfung (”through loss”) und Isolation, die idealerweise – je nach Port – null oder unendlich hoch ist. Das einem Eingangs-Port des Richtkopplers zugeführte (abzustrahlende) Oszillatorsignal wird nicht nur an den Port des Richtkopplers gekoppelt, an dem die Antenne angeschlossen ist, sondern ein kleiner Teil des Oszillatorsignals wird auch an den Port gekoppelt, der mit dem Signaleingang des Mischers verbunden ist. Dieser Teil des Oszillatorsignals ist am Mischereingang dem von der Antenne kommenden empfangenen Signal überlagert und verursacht am Mischerausgang ein Gleichsignal (”DC-Signal”), das dem Basisband- bzw. Zwischenfrequenzsignal überlagert ist. Speziell bei der Verwendung aktiver Mischer kann dieser Gleichsignal-Offset sehr störend sein. Bei höheren Sendeleistungen steigt auch der Gleichsignal-Offset. Der Gleichsignal-Offset ist ein die Sendeleistung, und damit bei Radaranwendungen ein das Sichtfeld beschränkender Parameter. Dieses Problem ist nicht auf Radaranwendungen beschränkt, sondern kann auch bei allgemeinen Kommunikationsanwendungen auftreten. Als Beispiel sei das in der Druckschrift
Die Druckschrift
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine HF-Sende- und Empfangsschaltung (ein HF-Frontend) mit einem Richtkoppler und einem Mischer zur Verfügung zu stellen, bei dem ein Gleichsignal-Offset am Mischerausgang weitgehend eliminiert ist. It is the object of the present invention to provide an RF transmission and reception circuit (an RF front-end) with a directional coupler and a mixer, in which a DC offset at the mixer output is largely eliminated.
Diese Aufgabe wird durch eine HF-Sende- und Empfangsschaltung gemäß Anspruch 1 gelöst. Beispielhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by an RF transmitting and receiving circuit according to
Eine HF-Sende/Empfangs-Schaltung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst einen Mischer mit einem Signaleingang, dem ein Antennensignal zugeführt ist, einem Oszillatoreingang, dem ein Mischersignal zugeführt ist, und einem Ausgang, an dem ein Basis- oder Zwischenfrequenzsignal bereitgestellt wird. Zusätzlich umfasst die HF-Sende/Empfangs-Schaltung einen Richtkoppler mit einem ersten HF-Port zum Anschluss einer Antenne, einem zweiten HF-Port, der mit dem Signaleingang des Mischers verbunden ist und an den ein von der Antenne empfangenes Signal gekoppelt ist, einem ersten Oszillator-Port, dem ein Oszillatorsignal zugeführt ist, und mit einem zweiten Oszillator-Port, an den das Oszillatorsignal gekoppelt ist. Die HF-Sende/Empfangsschaltung umfasst des Weiteren eine Reflexionsanordnung, die einen mit dem zweiten Oszillator-Port verbundenen Eingang hat, wobei der Eingang eine komplexe Eingangsimpedanz aufweist, deren Wert derart eingestellt ist, dass am Eingang ein Teil des Oszillatorsignals reflektiert und von dem Richtkoppler an den zweiten HF-Port gekoppelt wird, sodass dieser reflektierte Teil des Oszillatorsignals ein parasitäres, direkt von dem ersten Oszillator-Port an den zweiten HF-Port gekoppeltes Oszillatorsignal destruktiv überlagert.An RF transmission / reception circuit according to an embodiment of the invention comprises a mixer having a signal input to which an antenna signal is applied, an oscillator input to which a mixer signal is supplied, and an output to which a base or intermediate frequency signal is provided. In addition, the RF transmit / receive circuit includes a directional coupler having a first RF port for connecting an antenna, a second RF port connected to the signal input of the mixer and to which a signal received by the antenna is coupled first oscillator port to which an oscillator signal is supplied, and a second oscillator port to which the oscillator signal is coupled. The RF transmit / receive circuit further comprises a reflection arrangement having an input coupled to the second oscillator port, the input having a complex input impedance, the value of which is adjusted to reflect a portion of the oscillator signal at the input and from the directional coupler is coupled to the second RF port, so that this reflected part of the oscillator signal destructively superimposed on a parasitic, directly coupled from the first oscillator port to the second RF port oscillator signal.
Die Eingangsimpedanz der Reflexionsanordnung kann beispielsweise eine Verzögerungsleitung und einen ohmschen widerstand aufweisen. Der ohmsche Widerstand kann auch durch den Eingangswiderstand eines komplexeren Bauteils, beispielsweise eines Leistungsteilers, gebildet sein. Die Eingangsimpedanz der Reflexionsanordnung kann also eine Verzögerungsleitung und einen Leistungsteiler aufweisen, der einen einen ohmschen Widerstand umfassenden Eingangswiderstand hat. An einem Ausgang des Leistungsteilers wird z. B. das Mischersignal OSZMIX zum Mischen des von der Antenne empfangenen Signals zur Verfügung gestellt.The input impedance of the reflection arrangement can, for example, have a delay line and an ohmic resistance. The ohmic resistance can also be formed by the input resistance of a more complex component, for example a power divider. The input impedance of the reflection arrangement can thus have a delay line and a power divider, which has an input resistor comprising an ohmic resistance. At an output of the power divider z. For example, the mixer signal OSZ MIX is provided for mixing the signal received by the antenna.
Die Verzögerungsleitung kann beispielsweise als Streifenleitung ausgebildet sein. In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Verzögerungsleitung zumindest zwei parallele Streifenleitungen, die an mehreren Stellen durch Kurzschlussleitungen verbunden sind. Diese Kurzschlussleitungen können, ebenso wie die Streifenleitungen, an Stellen zwischen den Kurzschlussleitungen mit Hilfe eines Lasers durchschmelzbar sein. Diese durchschmelzbaren Stellen werden auch als ”Laser-Fuses” bezeichnet. Zum genauen Einstellen des Wertes des ohmschen Widerstandes kann dieser mit Hilfe eines Lasers abstimmbar sein.The delay line may be formed, for example, as a stripline. In one embodiment, the delay line comprises at least two parallel strip lines which are connected at multiple locations by short-circuit lines. These short-circuit lines, like the strip lines, can be melted through at locations between the short-circuit lines with the aid of a laser. These fusible sites are also referred to as "laser fuses." For precise setting of the value of the ohmic resistance, this can be tuned by means of a laser.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Die Figuren und die zugehörige Beschreibung soll helfen, die Erfindung besser zu verstehen. Die in den Figuren dargestellten Elemente sind nicht als Einschränkung zu verstehen, sondern dienen dazu das Prinzip der Erfindung darzustellen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bzw. Signale mit gleicher Bedeutung.Embodiments of the invention are explained below with reference to figures. The figures and the associated description should help to better understand the invention. The elements shown in the figures are not intended to be limiting, but serve to illustrate the principle of the invention. In the figures, like reference numerals designate like parts or signals with same meaning.
Das dem ersten Oszillator-Port A des Richtkopplers
Während des Betriebs der Anordnung gelangt ein von der Antenne empfangenes Antennensignal RX zum ersten HF-Port D des Richtkopplersund wird von dort als Empfangssignal RF an den zweiten HF-Port C und an den ersten Oszillator-Port A gekoppelt. Das Empfangssignal RF wird so dem Signaleingang des Mischers
Ein realer Richtkoppler besitzt keine idealen Eigenschaften in Bezug auf die Durchgangsdämpfung und die Isolation der Ports. So wird beispielsweise das am ersten Oszillator-Port A einkommende Oszillatorsignal OSZ nicht nur – wie gewünscht – an den zweiten Oszillator-Port B und den ersten HF-Port D weitergeleitet, sondern – als parasitärer Effekt – ein kleinerer Signalteil auch an den zweiten HF-Port C. Dieser kleinere Signalteil des Oszillatorsignals OSZ, der unerwünschterweise an den zweiten HF-Port C gekoppelt ist, ist in
Speziell bei aktiven Mischern ist dieser Gleichsignal-Offset ein Problem, da dadurch die abstrahlbare Leistung beschränkt wird. Bei Radaranwendungen wird durch diese Beschränkung der abstrahlbaren Leistung auch das Sichtfeld (”field of view”) des Radarsensors eingeschränkt.
Der zweite HF-Port C ist, wie in
Der Eingang der Reflexionsanordnung weist eine komplexe Eingangsimpedanz auf, deren Wert derart eingestellt ist, dass am Eingang ein Teil OSZREF des Oszillatorsignals reflektiert wird. Die Phase und der Betrag des reflektierten Teils OSZREF des Oszillatorsignals sind dabei durch die Eingangsimpedanz bestimmt. Dieser reflektierte Teil OSZREF des Oszillatorsignals wird vom Richterkoppler
Ein Realisierungsbeispiel der Reflexionsanordnung
Ein Realisierungsbeispiel für die Streifenleitung TL und der Leistungsteiler P der Reflexionsanordnung
Die Verzögerungsleitung
Aus der Darstellung in der
Der mit der Verzögerungsleitung TL verbundene Leistungsteiler P ist in dem Beispiel als passives Bauelement mit einem ersten Widerstand RT und mit einem oder mehreren weiteren Widerständen R1, R2 realistisch. Ein erster Anschluss des ersten Widerstandes RT ist mit der Verzögerungsleitung TL verbunden. Dieser erster Widerstand RT bestimmt im Wesentlichen den Realteil des Eingangswiderstandes der Reflexionsanordnung
Entsprechend der Verzögerungsleitung TL kann auch der Richtkoppler
Bei der anhand von
Ein abstimmbarer ohmscher Widerstand könnte beispielsweise mit Hilfe einer PIN-Diode (P-Intrinsic-N Diode) oder auch durch die Kollektor-Emitter-Strecke eines Bipolartransistors bzw. die Drain-Source-Strecke eines Feldeffekttransistors realisiert werden. Die tatsächlich verfügbaren Möglichkeiten können allerdings durch den verwendeten Herstellungsprozess beschränkt sein.A tunable ohmic resistance could be realized, for example, by means of a PIN diode (P intrinsic N diode) or by the collector-emitter path of a bipolar transistor or the drain-source path of a field effect transistor. However, the possibilities actually available may be limited by the manufacturing process used.
Alternativ zu durch Laser abstimmbaren Bauelementen können alternativ auch elektronisch variierbare Bauelemente zum elektronischen Abstimmen des Leitungsabschlusses am zweiten Oszillatorport B verwendet werden. Das Einstellen der Phase, das bei der in
In
Dazu wird von dem Oszillatorsignal OSZ ein Teil OSZ1, der beispielsweise über einen zweiten Teiler
Der Verstärker
Alternativ können Betrag und Phase des in den zweiten Oszillatorport B eingespeisten Signals OSZ2 auch mit Hilfe eines Quadraturmischers erfolgen. In diesem Fall erfüllt der Quadraturmischer die Funktion der Serienschaltung aus Verstärker
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