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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen balancierten Transfermischer mit einem
Kopplerelement, welches auf einer Seite einen HF-Quellenport und
einen Antennenport und auf der anderen Seite zwei Diodenports aufweist,
zwei Mischerdioden, welche jeweils zwischen einen der Diodenports
und eine HF-Masse geschaltet sind, und Anpassnetzwerken, welche
das Verhältnis zwischen der von den Mischerdioden umgesetzten
Leistung zu der reflektierten und über den Antennenport
durch eine Antenne abgestrahlten Leistung mittels einer kontrollierten
Anpassung der Mischerdioden einstellen.
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Derartige
Diodenmischer werden beispielsweise in Radarsensoren für
Abstandswarn- und Regelsysteme in Kraftfahrzeugen, insbesondere
adaptive Geschwindigkeitsregelsysteme bzw. ACC(Adaptive Cruise Control)-Systeme,
eingesetzt. In der Publikation der Robert Bosch GmbH "Adaptive Fahrgeschwindigkeitsregelung
ACC, Gelbe Reihe, Ausgabe 2002, Technische Unterrichtung" sind derartige
adaptive Geschwindigkeitsregelsysteme beschrieben. Dort sind ebenfalls
Radarsensoren beschrieben.
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Bei
Radarsensoren mit einem monostatischen Antennenkonzept wird ein
und dieselbe Antenne zum Senden des Radarsignals und für
den Empfang des Radarechos eingesetzt. Der Diodenmischer dient dann
dazu, das über den HF(Hochfrequenz)-Quellenport zugeführte
Signal zur Antenne weiterzuleiten und zugleich das von der Antenne empfangene
Signal mit einem Anteil des über den HF-Quellenport zugeführten
Signals zu mischen. Das Mischprodukt stellt dann ein Zwischenfrequenzsignal,
dessen Frequenz den Frequenzunterschied zwischen dem gesendeten
und dem empfangenen Signal angibt, dar. Dieses Zwischenfrequenzsignal liefert
Informationen über die bei der Reflektion des gesendeten
Signals am Radarziel eingetretene Dopplerverschiebung und damit über
die Relativgeschwindigkeit des Radarziels und, sofern die Frequenz
des gesendeten Signals FMCW(Frequency Modulated Continous Wave)-Radar
rampenförmig moduliert ist, auch über die Laufzeit
des Radarsignals und damit über den Abstand des Radarziels.
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Ein
monostatischer Mehrstrahlradarsensor für Kraftfahrzeuge
mit einem Mischersystem, welches mehrere Transfermischer aufweist,
ist in der
DE 10
2004 044 130 A1 angegeben.
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Bei
bekannten Systemarchitekturen von Mehrstrahlradarsensoren wird die
erzeugte Lokaloszillatorleistung einem Transfermischer zugeführt. Dieser
Transfermischer sendet typischerweise die Hälfte der Leistung
aus, während die andere Hälfte der Leistung als
Referenzsignal für die Mischerdioden dient. Dieses Transmissionsverhalten
ist designbedingt fest eingestellt. Mehrstrahlradarsensoren arbeiten
häufig mit vier Radarstrahlen bzw. Radarstrahlkeulen. Dabei
können beispielsweise die beiden äußeren
Radarstrahlkeulen abgesenkt sein. Diese Absenkung adaptiv bzw. situationsbedingt
auszubilden, wäre wünschenswert.
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Vorteile der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße balancierte Transfermischer mit
einem Kopplerelement, welches auf einer Seite einen HF-Quellenport
und einen Antennenport und auf der anderen Seite zwei Diodenports
aufweist, zwei Mischerdioden, welche jeweils zwischen einen der
Diodenports und eine HF-Masse geschaltet sind und Anpassnetzwerken,
welche das Verhältnis zwischen der von den Mischerdioden
umgesetzten Leistung zu der reflektierten und über den
Antennenport durch eine Antenne abgestrahlten Leistung mittels einer
kontrollierten Anpassung der Mi scherdioden einstellen, wobei die
Anpassnetzwerke elektronisch einstellbar ausgebildet sind, hat den
Vorteil, dass die Diodenanpassung der Mischerdioden über die
Anpassnetzwerke während des Betriebs elektronisch variiert
werden kann und damit eine elektronische Einstellung der Transmission
des Transfermischers bei sonst beibehaltenen Eigenschaften ermöglicht
wird. Im Gegensatz zu bekannten balancierten Transfermischern, bei
welchen die Diodenanpassung ein fest eingestellter Designparameter
ist, ist dieser Parameter beim erfindungsgemäßen
balancierten Transfermischer variabel, wodurch eine elektronische,
stufenlose Einstellbarkeit der Transmission implementiert werden
kann. Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine Erhöhung
der Funktionalität des Mehrstrahlradarsensors derart erreicht,
dass die Transfermischer für die äußeren
Radarstrahlkeulen vom isolierenden in den transferierenden Zustand
situationsbedingt elektronisch umgeschaltet oder Zwischenwerte der
Transmission eingestellt werden können. Der erfindungsgemäße
Transfermischer weist somit eine stufenlos variable oder diskret
schaltbare Transmission auf. Durch eine Veränderung, d.
h. Verbesserung oder Verschlechterung der Anpassung der Mischerdioden,
wird entsprechend ein größerer oder kleinerer
Teil der Lokaloszillatorleistung in den Mischerdioden umgesetzt
und dadurch entsprechend mehr oder weniger Leistung reflektiert
bzw. zur Antenne ausgesendet. Der Diodenmischer ist dementsprechend
nach wie vor funktional. Im transmittierenden Zustand wird etwa
die Hälfte der Leistung von den Mischerdioden reflektiert
und zur Antenne geleitet.
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Um
eine elektronische Einstellbarkeit der Anpassnetzwerke zu erzielen,
können die Kapazitäten der Anpassnetzwerke elektronisch
einstellbar ausgebildet sein. Vorteilhaft ist es, wenn die Anpassnetzwerke
dazu Kapazitätsdioden aufweisen.
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Eine
diskret schaltbare Ausprägung zwischen Isolation und Transmission
ist gegeben, wenn die Kapazitäten der Anpassnetzwerke durch
den Einsatz von PIN-Dioden einstellbar ausgebildet sind bzw. als
Kapazitätsdioden PIN-Dioden vorgesehen sind. Die PIN-Dioden
stellen diskret schaltbare Kapazitäten dar, die zusammen
mit der Anpasschaltung entweder für eine komplette Isolation
oder eine völlige Transmission sorgen. Die Optimierung
zwischen Isolati an und Transmission kann über offene Stichleitungen
in den Anpassnetzwerken erfolgen.
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In
vorteilhafter Weise können als stufenlos einstellbare Kapazitäten
Varaktor-Dioden in den Anpassnetzwerken vorgesehen sein. Durch die
elektronisch variable, stufenlos einstellbare Kapazität
der Varaktor-Dioden kann dementsprechend eine stufenlose Anpassung
realisiert werden. Diese stufenlos einstellbare Anpassung wiederum
ermöglicht eine stufenlose, elektronische Einstellung der
Transmission. Die offenen Stichleitungen ermöglichen auch
hier wieder die Optimierung zwischen maximaler Isolation und maximaler
Transmission.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen
sein, dass das Kopplerelement als Branchline-Koppler ausgebildet
ist. Aufgrund der Eigenschaften des Branchline-Kopplers verändern
sich bei einer Änderung der Anpassung der Mischerdioden
die Anpassung von Antennen- und Lokaloszillatorport nicht. Dies
ist für die Einsetzbarkeit des erfindungsgemäßen
Transfermischers sehr bedeutend.
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Nachfolgend
ist anhand der Zeichnung prinzipmäßig ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung angegeben.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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Es
zeigen:
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1 ein
prinzipmäßiges Schaltbild eines erfindungsgemäßen
balancierten Transfermischers;
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2 ein
vereinfachtes Schaubild einer Anpassung des erfindungsgemäßen
balancierten Transfermischers; und
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3 ein
vereinfachtes Schaubild einer Transmission bzw. Isolation des erfindungsgemäßen balancierten
Transfermischers.
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Ausführungsform der
Erfindung
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßer balancierter Transfermischer
dargestellt, welcher als Kopplerelement einen Branchline-Koppler 10 aufweist.
Der Branchline-Koppler 10 weist vier in einer Rechteckkonfiguration
miteinander verbundene Ports auf, nämlich einen HF-Quellenport 12,
einen Antennenport 14 und zwei Diodenports 16, 18,
von denen einer dem HF-Quellenport 12 und der andere dem
Antennenport 14 gegenüberliegt.
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Wie
aus 1 ersichtlich, weist der balancierte Transfermischer
des weiteren zwei baugleiche Mischerdioden 20, 22 auf,
welche mit entgegen gesetzter Polung zwischen eine jeweilige HF-Masse 24, 26 und
einen der Diodenports 16, 18 des Branchline-Kopplers 10 geschaltet
sind. Zwischen den Mischerdioden 20; 22 und den
Diodenports 16, 18 sind jeweilige Anpassnetzwerke 28, 30 angeordnet. Die
Anpassnetzwerke 28, 30 erlauben erfindungsgemäß eine
elektronisch einstellbare Anpassung der Mischerdioden 20, 22,
die an den Diodenports 16 und 18 wirksam wird.
Dadurch wird das Verhältnis zwischen der von den Mischerdioden 20, 22 und
den Anpassnetzwerken 28, 30 als Lokaloszillator-Referenzsignal
umgesetzten Leistung zu der von den Mischerdioden 20, 22 und
den Anpassnetzwerken 28, 30 reflektierten und über
den Antennenport 14 durch eine Antenne 46 (strichpunktiert
angedeutet) abgestrahlten Leistung eingestellt. Dieses Verhältnis
bestimmt den Grad der Transmission des Transfermischers. Wird durch
erhöhte Fehlanpassung mehr Leistung von den Mischerdioden 20, 22 und
den Anpassnetzwerken 28, 30 reflektiert und weniger
als Lokaloszillator-Referenzsignal umgesetzt, so steigt die Transmission
des Transfermischers, da mehr Leistung abgestrahlt wird. Im umgekehrten
Fall kann bei besserer Anpassung mehr Leistung zu den Mischerdioden 20, 22 gelangen
und als Lokaloszillator-Referenzsignal umgesetzt werden. Dadurch
sinkt die abgestrahlte Leistung und die Transmission des Transfermischers
verringert sich.
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Der
HF-Quellenport 12 des Branchline-Kopplers 10 ist über
einen Leitungskoppler 32 bzw. eine DC-Trennung mit einer
Leitung 34 verbunden, welche über einen Eingang 36 mit
einer HF-Quelle, beispielsweise ein Oszillator 38 (strichpunktiert
angedeutet), verbunden ist.
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Der
Antennenport 14 des Branchline-Kopplers 10 ist über
einen weiteren Leitungskoppler 40 mit einer Leitung 42 verbunden,
welche über einen Ein- und Ausgang 44 mit der
Antenne 46 verbunden ist. Der Oszillator 38 und
die Antenne 46 sind hier nur strichpunktiert angedeutet,
da sie nicht Bestandteil des balancierten Transfermischers sind.
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Ein
von dem Oszillator 38 erzeugtes HF-Signal wird über
die Leitung 34 dem HF-Quellenport 12 zugeführt
und über die beiden Anpassnetzwerke 28, 30 an
die Mischerdioden 20, 22 weitergeleitet. Je nach
Abstimmung der Mischerdioden 20, 22 wird ein größerer
oder kleinerer Teil dieses Signals reflektiert und über
den Branchline-Koppler 10 in die Leitung 42 und
schließlich in die Antenne 46 eingespeist.
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Ein
von der Antenne 46 empfangenes HF-Signal gelangt über
die Leitung 42 und den Branchline-Koppler 10 an
die Mischerdioden 20, 22 und wird mit dem nicht
reflektierten Anteil des über die Leitung 34 zugeführten
HF-Signals zu einem Nutzsignal gemischt, welches an einem bekannten
Nutzsignalabgriff 48 abgegriffen werden kann. Das Verhältnis
zwischen der von den Mischerdioden 20, 22 umgesetzten
Leistung zu der reflektierten und über die Antenne 46 abgestrahlten
Leistung wird durch eine kontrollierte Anpassung der Mischerdioden 20, 22 über
die Anpassnetzwerke 28, 30 eingestellt.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel sind zur Optimierung des
Arbeitspunktes der Mischerdioden
20,
22 für
jede Mischerdiode
20,
22 eine Vorspannungszuführung
50 bzw.
52 vorgesehen.
Die optionalen Vorspannungszuführungen
50 und
52 sind
symmetrisch zueinander aufgebaut und enthalten jeweils einen Tiefpassfilter.
Sowohl Vorspannungszuführungen
50,
52 als
auch der Nutzsignalabgriff
48 sind beispielsweise bereits
in der
DE 10 2006 017
175 A1 beschrieben, weshalb nachfolgend nicht mehr näher
darauf eingegangen wird.
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Erfindungsgemäß sind
die Anpassnetzwerke 28, 30 elektronisch einstellbar
ausgebildet. Sonach ist der balancierte Transfermischer mit den
beiden Mischerdioden 20, 22 derart ausgelegt,
dass die Diodenanpassung der Mischerdioden 20, 22 elektronisch
variiert werden kann. Dementsprechend wird sowohl eine einfache
und komfortable elektronische Umschaltmöglichkeit als auch
eine variable Einstellmöglichkeit für die Transmission
des balancierten Transfermischers geschaffen.
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Anpassnetzwerke
weisen üblicherweise offene Stichleitungen auf, über
deren elektrische Länge die Schaltungskapazität
fest eingestellt wird. In einfacher und vorteilhafter Weise wird
nun, um die Anpassnetzwerke 28, 30 erfindungsgemäß elektronisch
einstellbar auszubilden, die Kapazität der Anpassnetzwerke 28, 30 einstellbar
ausgebildet. Die Kapazität variiert die Anpassung und somit
sind als variable Kapazität, wie aus 1 ersichtlich,
Kapazitätsdioden 28a, 30a vorgesehen,
so dass durch ein Anlegen einer Gleichspannung an diese Kapazitätsdioden 28a, 30a ein
Einstellen der Anpassung der Mischerdioden 20, 22 ermöglicht
wird. Die Kapazitätsdioden 28a, 30a können
als PIN-Dioden oder als Varaktor-Dioden ausgeführt werden.
PIN-Dioden ermöglichen ein diskretes Schalten zwischen
Isolation und Transmission des Transfermischers. Varaktor-Dioden
hingegen ermöglichen eine stufenlos einstellbare Transmission
des Transfermischers. Die Kapazitätsdioden 28a, 30a sind
für die einstellbare Anpassung nach einer bestimmten Zuleitungslänge unmittelbar
nach dem Branchline-Koppler 10 angeordnet. Die Zuleitungslänge
dient dazu, die schaltbare Transmission hinsichtlich der Frequenz
zu zentrieren. Nach der Zuleitungslänge befinden sich noch
vor den Kapazitätsdioden 28a, 30a HF-taugliche
Trennkapazitäten bzw. DC-Trennungen 28b, 30b.
Diese verhindern, dass zugeführter Gleichstrom, welcher zur
Einstellung bzw. Ansteuerung der Kapazitätsdioden 28a, 30a vorgesehen
ist, an die Mischerdioden 20, 22 gelangt. Danach
ist eine Gleichspannungszuführung 28c, 30c für
die Kapazitätsdioden 28a, 30a angeordnet,
welche an deren Kathoden auf Masse liegen. Die Gleichspannungszuführung 28c, 30c ist über übliche
HF-Filterstrukturen 28d, 30d gefiltert. Um die
Ansteuerspannung, die über die Gleichspan nungszuführungen 28c, 30c bzw.
die HF-Filterstrukturen 28d, 30d bereitgestellt
wird, von der übrigen Schaltung zu entkoppeln, sind wie
vorstehend bereits erwähnt, die Trennkapazitäten 28b, 30b vorgesehen. Wegen
der hohen Barrierespannungen der Kapazitätsdioden 28a, 30a (typischerweise
1,2 V gegenüber 0,6 V bei den Mischerdioden 20, 22)
ist sichergestellt, dass die Kapazitätsdioden 28a, 30a nicht
mischen können, sondern tatsächlich nur die Kapazität
schalten. Nach der Zuleitungslänge befinden sich offene Stichleitungen 28e, 30e.
Die Länge dieser Stichleitungen 28e, 30e bestimmt
das Maß der zuschaltbaren Transmission. Die Kapazitätsdioden 28a, 30a werden
nun gleichzeitig vom gesperrten Zustand (0 V) in den leitenden Zustand
(5 V), insbesondere über einen 5 kOhm-Vorwiderstand (nicht
näher dargestellt), geschaltet. Dadurch verändern
die Kapazitätsdioden 28a, 30a ihre Phase,
welches einer Kapazitätsänderung entspricht. Damit
ergibt sich bei geeigneter Auslegung eine Verbesserung der Anpassung der
Mischerdioden 20, 22. Diese verbesserte Anpassung
bedeutet, dass mehr Oszillatorleistung in den Mischerdioden 20, 22 umgesetzt
wird und weniger ausgesendet bzw. reflektiert wird. Durch die Eigenschaften
des Branchline-Kopplers 10 ändern sich weiterhin
nicht die Anpassung von Antennenport 14 und Oszillatorport
bzw. HF-Quellenport 12. Dies ist maßgebend für
die Einsetzbarkeit des erfindungsgemäßen balancierten
Transfermischers.
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In
den 2 und 3 sind simulierte Charakteristika
eines derartigen balancierten Transfermischers mit einstellbarer
Transmission dargestellt. Als Kapazitätsdioden 28a, 30a wurden
dabei Varaktor-Dioden eingesetzt. In 2 ist auf
der horizontalen Achse die Frequenz in Gigahertz und auf der vertikalen
Achse die Anpassung in Dezibel aufgetragen. Wie aus 2 ersichtlich, ändert
sich die Anpassung des balancierten Transfermischers mit dem stufenlosen
Einstellen der Transmission kaum. Dies wird durch den Einsatz des
Branchline-Kopplers 10 ermöglicht, der seine Anpassung
an den Ports 12 und 14 als Funktion der Lasten
an den Diodenports 16 und 18 nicht ändert,
sofern die Anpassungen an den Diodenports 16 und 18 nur
identisch sind. In 3 ist die relative Änderung
der Transmission des balancierten Transfermischers als Funktion
der Zuleitungslänge zu erkennen. Dabei ist auf der horizontalen Achse
wiederum die Frequenz in Gigahertz und auf der vertikalen Achse
die einstellbare Isolation in Dezibel aufgetragen. Die Zuleitungslänge
ist äquivalent zu einer einstellbaren Kapazität über
die Kapazitätsdioden 28a, 30a. Die dargestellten
Isolationskurven K1 bis K6 (0 dB entspricht dabei einervölligen
bzw. kompletten Transmission) entsprechen also ebenfalls einer über
eine Spannung an 28c und 30c einstellbaren Kapazität.
Die offenen Stichleitungen 28e, 30e wurden bereits
derart ausgelegt, dass die Frequenz zentriert ist. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel ist mit einer geeigneten Zuleitungslänge
von ca. 50 bis 60% elektrischer Länge, bzw. einer äquivalent einstellbaren
Kapazität eine zuschaltbare Dämpfung von ca. 20
dB zu erreichen. Die Grundtransmission beträgt dabei ca.
4 dB. Die Isolationskurve K1 weist eine elektrische Länge
von 0° auf. Die Isolationskurve K2 entsteht bei 33,3° elektrischer
Länge. Die Isolationskurve K3 entsteht bei 40° elektrischer
Länge, während die Isolationskurven K4, K5 und
K6 elektrische Längen von 46,6°, 53,3° und
60° repräsentieren. Diese elektrischen Längen
sind ebenfalls elektronisch über die variablen Kapazitätsdioden 28a, 30a einstellbar. Über
unterschiedliche Bestromungen der Kapazitätsdioden 28a, 30a werden
unterschiedliche Reflektionskoeffizienten der Mischerdioden 20, 22 erreicht.
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Der
erfindungsgemäße Transfermischer mit schaltbarer
Transmission kann nun in vorteilhafter Weise in einem monostatischen
Radarsensor, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, im Rahmen
des Mischersystems eingesetzt werden. Durch die elektronisch schaltbare
Transmission kann beispielsweise die Funktionalität eines
Mehrstrahlradarsensors, beispielsweise mit vier Strahlen, erhöht
werden, indem z. B. situationsbedingt die beiden äußeren
Radarstrahlen abgesenkt werden, wenn der zugehörige Transfermischer
vom transferierenden in den isolierenden Zustand umgeschaltet wird.
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Derartige
monostatische Radarsensoren mit erfindungsgemäßen
balancierten Transfermischern können insbesondere auch
bei adaptiven Geschwindigkeitsregelvorrichtungen für Kraftfahrzeuge
eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19610850
C1 [0002]
- - DE 102006017175 A1 [0002, 0023]
- - DE 102004044130 A1 [0005]