DE102009045546A1 - Hochfrequenzschaltung mit verbesserter Antennenanpassung - Google Patents

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Abstract

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beinhaltet eine HF-Sende-/Empfangsschaltung ein abstimmbares Anpass-Netzwerk umfassend einen ersten Anschluss, der an einen HF-Schnittstellen-Port gekoppelt ist, und einen Richtkoppler, der einen ersten Port, der mit einem HF-Eingang des Mischers gekoppelt ist, einen zweiten Port, der mit einem HF-Generator-Port gekoppelt ist, und einen dritten Port, der mit einem zweiten Anschluss des abstimmbaren Anpass-Netzwerks gekoppelt ist. Der Richtkoppler ist dazu ausgebildet, ein Signal von dem HF-Generator-Port an das abstimmbare Anpass-Netzwerk sowie ein Signal von dem abstimmbaren Anpass-Netzwerk an den HF-Eingang des Mischers weiterzuleiten. Die HF-Sende-/Empfangsschaltung beinhaltet weiter eine an das abstimmbare Anpass-Netzwerk gekoppelte Steuereinheit für das abstimmbare Anpass-Netzwerk. Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, die Impedanzanpassung zwischen dem HF-Schnittstellen-Port und dem zweiten Anschluss des abstimmbaren Anpass-Netzwerks zu optimieren.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Hochfrequenzschaltungen und damit implementierte Verfahren, insbesondere auf Hochfrequenzschaltungen mit verbesserter Antennenanpassung.
  • Radarsysteme, die zur Abstandsmessung in Fahrzeugen verwendet werden, umfassen im Wesentlichen zwei Radar-Subsysteme, die in verschiedenen Frequenzbereichen arbeiten. Zur Abstandsmessung im Nahbereich (”short range radar”, Nahbereichsradar) werden gegenwärtig üblicherweise Radarsysteme verwendet, welche in einem Frequenzbereich um eine Mittenfrequenz von 24 GHz arbeiten. Unter Nahbereich werden üblicherweise Abstände zum Fahrzeug in einem Bereich von 0 m bis 20 m verstanden. Das Frequenzband von 76 GHz bis 77 GHz wird gegenwärtig zur Abstandmessung im Fernbereich verwendet, d. h. für Messungen von Abständen zum Fahrzeug im Bereich von 20 m bis 200 m (”long range radar”, Fernbereichsradar). Diese unterschiedlichen Frequenzbereiche behindern die Entwicklung eines Konzepts für ein einziges Radarsystem, welches Messungen in mehreren Entfernungsbereichen (Nahbereich, Fernbereich) ausführen kann und erfordern im Prinzip zwei separate Radarsysteme.
  • Der Frequenzbereich von 77 GHz bis 81 GHz ist ebenfalls geeignet für Anwendungen zur Entfernungsmessung im Nahbereich und wurde von den Behörden zu diesem Zweck zugänglich gemacht, so dass der Frequenzbereich von 76 GHz bis 81 GHz nun für Anwendungen im Automobilbereich sowohl für Messungen im Nahbereich als auch im Fernbereich zur Verfügung steht. Ein einzelnes Mehrbereichs-Radarsystem, welches Abstandsmessungen sowohl im Nah- als auch im Fernbereich mit einem einzigen Hochfrequenz-Sende-/Empfangsmodul (HF-Frontend) bewerkstelligt, war jedoch bisher aus unterschiedlichen Gründen nicht möglich bzw. nicht praktikabel. Ein Grund dafür liegt darin, dass zum Aufbau be kannter Radarsysteme zur Zeit Schaltungen verwendet werden, welche in III/V-Halbleitertechnologien (z. B. Gallium-Arsenid-Technologien) gefertigt 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 in Silizium möglich wäre. Darüber hinaus wird nur ein Teil der benötigten Elektronik in GaAs-Technologien gefertigt, so dass viele unterschiedliche Einzelkomponenten zum Aufbau des Gesamtsystems notwendig sind.
  • Moderne Fertigungstechnologien ermöglichen die Herstellung von Hochfrequenz-Oszillatoren, welche über den gesamten Frequenzbereich von 76 GHz bis 81 GHz abstimmbar sind. Diese Technologien, wie z. B. eine SiGe-Technologie, ermöglichen die Produktion von Radarsystemen, welche im Wesentlichen kompakter und günstiger herzustellen sind im Vergleich zu bekannten Radarsystemen. Neben einer kompakten Architektur ist auch ein großes ”Sichtfeld” (”field of view”) des Radarsensors ein wünschenswertes Designziel bei einem Design von Hochfrequenz-Sende-/Empfangsschaltungen (HF-Frontends), wobei für ein größeres Sichtfeld die abgestrahlte Signalleistung steigt.
  • Monostatische Radarsysteme verwenden eine gemeinsame Antenne zum Senden und Empfangen von Radarsignalen und werden aufgrund der dadurch möglichen kompakten Architektur des Radarmoduls verwendet. Das HF-Frontend eines monostatischen Radars umfasst typischerweise einen Richtkoppler (z. B. einen ”rat race coupler”) zum Trennen der empfangenen Signale von den Sendesignalen. Ein empfangenes Signal wird mit Hilfe eines Mischers in das Basisband oder ein Zwischenfrequenzband (ZF-Band) umgesetzt, wobei der Mischer mit dem Richtkoppler verbunden ist. Das Basisbandsignal bzw. das Zwischenfrequenzsignal (ZF-Signal) steht am Ausgang des Mischers zur Verfügung und kann zur weiteren digitalen Signalverarbeitung digitalisiert werden.
  • Ein realer Richtkoppler, der mit Hilfe von Mikrostreifenleitungen (”microstrip lines”) realisiert werden kann, weist keine idealen Eigenschaften im Bezug auf Durchgangsverluste und Isolation auf, die – abhängig von dem betrachteten Port-Paar des Richtkopplers – idealerweise Null bzw. unendlich sind. Das Oszillatorsignal, dass einem Eingangs-Port des Richtkopplers zugeführt ist, um über die Antenne angestrahlt zu werden, wird nicht nur zu jenem Port weitergeleitet, der mit der Antenne verbunden ist, sondern es wird auch ein kleiner Anteil des Oszillatorsignals (d. h. ein Bruchteil der Leistung des Oszillatorsignals) an jenen Port weitergeleitet, der mit einem Signaleingang des Mischers verbunden ist. Dieser Bruchteil des Oszillatorsignals wird am Mischereingang mit dem von der Antenne empfangenen Signal überlagert. Diese Überlagerung führt zu einem Gleichstrom-Offset am Ausgang des Mischers, welcher dem Basisbandsignal bzw. dem ZF-Signal überlagert ist. Insbesondere bei der Verwendung aktiver Mischer ist dieser Gleichstrom-Offset sehr störend. Der Gleichstrom-Offset steigt mit einer steigenden Sendeleistung. Der Gleichstrom-Offset ist daher also ein die Sendeleistung und damit die Größe des Sichtfeldes begrenzender Parameter.
  • Auch im Fall eines idealen Richtkopplers ist ein Gleichstrom-Offset ein potentielles Problem bei monostatischen Radarsystemen auf Grund von Impedanz-Fehlanpassungen am Antennen-Port des Richtkopplers. Bei einer Fehlanpassung der Antenne wird ein Oszillatorsignal, das gesendet werden soll, zurück in den Antennen-Port des Richtkopplers reflektiert. Das reflektierte Oszillatorsignal wird dann an den Signaleingang des Mischers weitergeleitet und verursacht ebenfalls den oben beschriebenen Gleichstrom-Offset.
  • Da eine viertel Wellenlänge λ/4 im Frequenzband von 76 GHz bis 81 GHz weniger als 500 μm auf einem Siliziumsubstrat ent spricht, ist es jedoch in einer Massenproduktion sehr schwierig, eine präzise Anpassung zwischen Antenne und der HF-Sende-/Empfangsschaltung (HF-Frontend) zu erhalten.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein System bzw. ein Verfahren zur Antennenanpassung bei Hochfrequenzschaltungen, insbesondere bei monostatischen Radarsystemen, zur Verfügung zu stellen.
  • Diese Aufgabe wird durch das HF-Frontend gemäß Anspruch 1 bzw. durch die Halbleiterschaltungen gemäß den Ansprüchen 9 und 20, sowie durch das Verfahren gemäß Anspruch 17 gelöst. Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beinhaltet eine HF-Sende-/Empfangsschaltung ein abstimmbares Anpass-Netzwerk umfassend einen ersten Anschluss, der an einen HF-Schnittstellen-Port gekoppelt ist, und einen Richtkoppler, der einen ersten Port, der mit einem HF-Eingang des Mischers gekoppelt ist, einen zweiten Port, der mit einem HF-Generator-Port gekoppelt ist, und einen dritten Port, der mit einem zweiten Anschluss des abstimmbaren Anpass-Netzwerks gekoppelt ist. Der Richtkoppler ist dazu ausgebildet, ein Signal von dem HF-Generator-Port an das abstimmbare Anpass-Netzwerk sowie ein Signal von dem abstimmbaren Anpass-Netzwerk an den HF-Eingang des Mischers weiterzuleiten. Die HF-Sende-/Empfangsschaltung beinhaltet weiter eine an das abstimmbare Anpass-Netzwerk gekoppelte Steuereinheit für das abstimmbare Anpass-Netzwerk. Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, die Impedanzanpassung zwischen dem HF-Schnittstellen-Port und dem zweiten Anschluss des abstimmbaren Anpass-Netzwerks zu optimieren.
  • Details eines oder mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung werden unter Bezugnahme der folgenden Abbildungen näher erläutert. In den Abbildungen zeigen:
  • 1 ein Radarsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Einfindung;
  • 2 eine Schaltung eines HF-Frontends, die gemäß einem Beispiel der Erfindung einen Rat-Race-Koppler verwendet;
  • 3a–b ein Beispiel eines Richtkopplers und ein Beispiel eines abstimmbaren Anpass-Netzwerks;
  • 4 eine Schaltung eines HF-Frontends, die gemäß einem Beispiel der Erfindung mehrere Rat-Race-Koppler verwendet;
  • 5 eine Schaltung eines HF-Frontends, die gemäß einem Beispiel der Erfindung mehrere Rat-Race-Koppler und eine Mischer-Gleichsignalrückführung verwendet; und
  • 6 eine Schaltung eines HF-Frontends, die gemäß einem Beispiel der Erfindung mehrere Lange-Koppler und eine Mischer-Gleichsignalrückführung verwendet.
  • In den Figuren bezeichnen, wenn nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten bzw. Signale mit gleicher Bedeutung.
  • Unterschiedliche Ausführungsbeispiele werden im Folgenden im Detail beschrieben. Diese Beispiele wurden jedoch zur besseren Illustration der Erfindung ausgewählt und sollen den Schutzbereich der Ansprüche nicht einschränken. Die Erfindung ist im speziellen Kontext eines Radarsystems beschrieben. Die Erfindung ist jedoch auch auf andere Systeme, wie z. B. HF-Kommunikationssysteme, anwendbar, bei denen Sende- und Emp fangssignale gleichzeitig oder zeitlich sehr nah beieinander auftreten.
  • 1 zeigt ein Radarsystem 2 gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung. Das Radarsystem 2 beinhaltet eine integrierte HF-Schaltung 10 (HF-Frontend), das mit einer externen Antenne 12 verbunden ist. Das integrierte Radarsystem 2 beinhaltet einen Oszillator 22 zum Erzeugen eines Sendesignals OSC, das über die Antenne abgestrahlt werden soll, und zum Erzeugen eines Mischersignals LO zum Betrieb eines Mischers 24. Ein Richtkoppler 18 koppelt die vom Oszillator 22 kommenden Signale (Sendesignal OSC) an die Antenne 12 und die von der Antenne 12 kommenden Signale an den Mischer 24. In unterschiedlichen Beispielen der vorliegenden Erfindung steuert eine Radarsystemsteuereinheit 26 den Oszillator 22 und ein automatisches Anpass-Netzwerk 20. Des Weiteren verarbeitet die Steuereinheit 26 das Ausgangssignal IF des Mischers 24. In manchen Ausführungsbeispielen ist die integrierte HF-Schaltung 10 auf einem Siliziumwafer unter Verwendung eines Silizium-Germanium-(SiGe-)Bipolarprozesses integriert. In alternativen Ausführungsbeispielen können jedoch andere Wafertypen wie z. B. Galliumarsenid-(GaAs-)Wafer verwendet werden. In manchen Ausführungsbeispielen kann die Antenne 12 als integrierte On-Chip-Antenne realisiert sein.
  • Das Radarsystem 2 erzeugt ein Hochfrequenzsignal (Sendesignal OSC) mit einer von der Antenne 12 abgestrahlten Leistung Pi. Wenn das abgestrahlte Hochfrequenzsignal ein Objekt 28 (wie z. B. ein Automobil) erreicht, wird ein Teil der Sendeleistung reflektiert. Die reflektierte Signalleistung Pr wird wieder von der Antenne 12 empfangen, mit Hilfe des Mischers 24 in das Basisband- bzw. das Zwischenfrequenzband umgesetzt (heruntergemischt, engl.: ”down converted”) und das Basisband- bzw. Zwischenfrequenzsignal IF wird durch die Radarsystem-Steuereinheit 26 weiterverarbeitet. Die durch die Steuereinheit 26 verarbeiteten Daten können dann verwendet werden, um die Geschwindigkeit und den Abstand des Objekts 28 in Bezug auf die Antenne 12 zu ermitteln. Bei Anwendungen im Automobilbereich können die gemessene Geschwindigkeit und der Abstand z. B. dazu verwendet werden, die relative Geschwindigkeit eines vor einem Auto fahrenden Fahrzeuges zu ermitteln, um damit den Tempomaten zu steuern oder um das Vorhandensein eines Hindernisses in einem toten Winkel beim Spurwechsel zu erkennen.
  • Wegen den hohen Frequenzen, die bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung auftreten, kann die integrierte HF-Schaltung 10 direkt auf eine Platine (engl.: ”PCB board”, nicht dargestellt) gebondet sein, um parasitäre Effekte durch Verbindungsleitungen zu reduzieren. Die Antenne 12 kann direkt mit einem Ausgangs-Pad 16 der Schaltung 10 mit Hilfe eines Bonddrahtes 14 verbunden sein.
  • Es ist ersichtlich, dass, auch wenn der Richtkoppler 18 ein idealer Koppler ist (d. h. keine Kopplung von Port A nach Port C in 1), ein Gleichsignal-Offset am Ausgang des Mischers 24 möglich ist, wenn der Reflektionskoeffizient Γr am Antennen-Interface (Bondpad 16) von Null abweicht. Im dargestellten Beispiel wird das Sendesignal OSC vom Port A an den Port B des Richtkopplers 18 (und damit an die Antenne) gekoppelt. Ein Anteil des gekoppelten Sendesignals OSC wird am Antennen-Interface (Bondpad 16) reflektiert und läuft zurück in das HF-Frontend 10. Der Richtkoppler koppelt den reflektierten Anteil des Sendesignals OSC an den Mischer 24 wie ein von der Antenne empfangenes Signal. Weil der Mischer 24 mit dem Mischersignal LO betrieben wird, welches die gleiche Frequenz wie das Sendesignal OSC hat, wird das reflektierte Sendesignal OSC durch den Mischer 24 auf einen Gleichsignal umgesetzt. Ein überhöhter Gleichanteil am Ausgang des Mischers 24 ist nachteilig, weil dadurch die Empfindlichkeit des HF-Frontends reduziert wird, indem die mögliche Dynamik reduziert wird. In Extremfällen, kann die reflektierte Leistung den Mischer 24 auch in die Sättigung treiben. Der Gleichsignal-Offset reduziert die maximale Eingangsignalleistung, wel ches das System handhaben kann und bringt unter Umständen das System dazu, in Bereichen zu arbeiten, in denen Rauschen und Verzerrung nur suboptimale Werte aufweisen.
  • In unterschiedlichen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung gibt der Reflektionskoeffizient Γr am Antennen-Interface (Bondpad 16) Anlass zur Reduzierung des Gleichsignal-Offsets durch eine dynamische Anpassung der Antenne 12 an das HF-Frontend 10 mit Hilfe eines automatischen Anpass-Netzwerks 20.
  • In 2 ist ein HF-Frontend 100 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das HF-Frontend (Sende-/Empfangsschaltung) hat eine Antenne 102, ein (automatisch) abstimmbares Anlass-Netzwerk 104, einen Richtkoppler 105, einen Oszillator 120, einen Leistungsteiler 118, einen Verstärker 116, einen Mischer 122, einen Koppler 110, Leistungsdetektoren (repräsentiert durch die Dioden 106 und 108) und eine Reaktanzkorrektur-Steuereinheit 112. Der Richtkoppler 105 ist als Rat-Race-Koppler dargestellt, jedoch können auch anderen Kopplerarchitekturen verwendet werden. Der Signalpfad und die Komponenten des HF-Frontend 100 können auch differenzielle Signalpfade umfassen.
  • Die Abmessungen des Rat-Race-Kopplers 105 sind entsprechend dem interessierenden Frequenzband gewählt. Der Richtkoppler 105 hat gemäß einem Ausführungsbeispiel einen Gesamtumfang von 3λ/2. Für den Frequenzbereich zwischen 76 GHz und 81 GHz beträgt die Wellenlänge λ zwischen 1875 μm und 2000 μm auf einem Siliziumsubstrat. Zum Zwecke der Implementierung der Schaltung wurde für λ ein Wert von rund 1960 μm gewählt. In alternativen Ausführungsbespielen der vorliegenden Erfindung können jedoch auch andere Werte für λ verwendet werden. Die Länge des Segments 113 des Richtkopplers 105 kann 3λ/4 betragen, die Längen der Segmente 107, 109 und 111 können jeweils λ/4 betragen. Die Impedanz dieser Leitungen beträgt 2Z0, wobei Z0 eine Systemimpedanz (Wellenwiderstand) ist, welche in den meisten Ausführungsbeispielen 50 Ω beträgt. Obwohl die Darstellung einen kreisförmigen Richtkoppler zeigt, kann der Koppler 105 tatsächlich als gefaltete Struktur implementiert sein. In unterschiedlichen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann der Richtkoppler 105 als 70 Ω-Leitung in einer Oberflächenmetallisierung über einer Masseleitung, die in einer tiefer liegenden Metallisierungsschicht verläuft, realisiert sein. Der Widerstand 124 ist 50 Ohm in einem Ausführungsbeispiel. Wegen der hohen Frequenz und der hohen Sensitivität im Hinblick auf eine Fehlanpassung, ist der Richtkoppler 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel als differenzieller Richtkoppler implementiert. In unterschiedlichen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können andere Frequenzbereiche, andere Dimensionen für den Richtkoppler, andere Kopplerarchitekturen, andere Impedanzwerte bzw. physikalische Abmessungen verwendet werden.
  • Der ordnungsgemäße Betrieb des Rat-Race-Kopplers 105 wird dadurch erreicht, dass die in den Signalpfaden des Kopplers 105 auftretenden Laufzeiten bzw. Phasenverschiebungen derart gewählt sind, dass eine konstruktive oder destruktive Interferenz an dem jeweiligen Richtkoppler-Port erreicht wird. Z. B. wird das Signal S3, welches am Port D in den Koppler 105 eingespeist wird, in zwei Komponenten aufgespalten, wovon eine Komponente im Urzeigersinn durch das Segment 113 und eine andere Komponente gegen den Urzeigersinn durch das Segment 111 verläuft. Die beiden Komponenten interferieren konstruktiv am Port A (der mit der Antenne 102 gekoppelt ist) weil an jener Stelle jede Komponente eine Länge von 3λ/4 zurückgelegt hat. Am Port B (welcher an den Mischer 122 gekoppelt ist) interferieren die beiden Komponenten jedoch destruktiv, weil die im Urzeigersinn verlaufende Komponente eine Distanz von λ und die gegen den Urzeigersinn verlaufende Komponente eine Distanz von λ/2 zurückgelegt hat. Wegen des Gangunterschiedes von einer halben Wellenlänge sind die beiden Komponenten um 180° phasenverschoben und die Überlagerung der beiden Signalkomponenten ergibt im Idealfall eine vollständige Auslö schung, also kein Signal am Port B. Eine ähnliche Analyse führt dazu, dass das Signal, welches in den Port D eingespeist wird am Port C zu einer konstruktiven Interferenz führt. Dabei absorbiert der Widerstand 124 die Hälfte der Leistung des Verstärkers 116.
  • Das Signal, welches in den Port A eingespeist wird, führt jedoch zu einer konstruktiven Interferenz am Port B, weil an jener Stelle beide Signalkomponenten (d. h. die im Urzeigersinn und die gegen den Urzeigersinn verlaufende Komponente) in Phase zueinander sind. Wegen dieser konstruktiven Interferenz gelangt jedes Signal, das an der Antenne 102 reflektiert wird und in den Port A des Richtkopplers 105 zurückläuft, an den Port B und somit in den Eingang des Mischers 122.
  • In unterschiedlichen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist das abstimmbare Anpass-Netzwerk 104 mit einem Antennenport (Bondpad 16, siehe 1) und dem Richtkoppler verbunden (d. h. mit Port A des Richtkopplers, siehe 2). In anderen Worten, das Anpass-Netzwerk ist zwischen Richtkoppler 105 und Antenne 102 geschaltet. Eine Messung der Impedanz-Fehlanpassung bzw. der (durch eine Fehlanpassung bewirkten) Reflektion des Sendesignals (siehe 2, Signal RF_M) an dem abstimmbaren Anpass-Netzwerk 105 wird entlang einer Übertragungsleitung zwischen dem Anpass-Netzwerk 104 und dem Port A des Richtkopplers 105 vorgenommen. In unterschiedlichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein Koppler 110 dazu verwendet, in Richtung Antenne laufende und zurückreflektierte Signalleistung zu Leistungsdetektoren weiterzuleiten. Die Leistungsdetektoren, welche durch die Detektionsdioden 106 und 108 repräsentiert werden, können durch bekannte Techniken implementiert sein. Die Reaktanz-Steuereinheit 112 verarbeitet die Ausgangssignale der Detektoren 106 und 108 und gibt ein Steuersignal MN_CONT aus, welches das abstimmbare Anpass-Netzwerk 104 steuert. Der Koppler 110 und die Leistungsdetektoren 106, 108 können zusammen als Reflexionsmessungs-Einheit gesehen werden, die dazu ausgebildet ist, einen vom Reflexionsfaktor (d. h. den Anteil der reflektierten Leitung) abhängigen Messwert zu generieren.
  • In verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist der Richtkoppler 110 als ”Single Section Coupled Line Coupler” (d. h. als Richtkoppler mit zwei entlang eines einzigen Leitungsabschnitts gekoppelten Leitungen) implementiert, wie in 3a dargestellt. Ein derartiger Richtkoppler 110 hat zwei benachbarte Leitungen 190 und 192 in sehr geringem Abstand über eine bestimmte Distanz (Bezugszeichen 119), welche vorzugsweise λ/4 beträgt. In alternativen Ausführungsformen kann die Länge 119 auch weniger als λ/4 betragen, um Platz zu sparen, wenn die damit verbundene Änderung des Richtkoppler-Verhaltens berücksichtigt wird. In unterschiedlichen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, bei denen der Frequenzbereich von 75 GHz bis 81 GHz verwendet wird, beträgt die Länge 119 rund 490 μm. Der Port A1 des Kopplers 110 ist mit dem Richtkoppler 105 (siehe 2) verbunden, Port B1 ist mit dem abstimmbaren Anpass-Netzwerk 104 (siehe 2) verbunden und die Port C1 und D1 sind mit den Detektordioden 106 und 108 (siehe ebenfalls 2) verbunden. Eine bei der Antenne 102 einfallende Welle verläuft vom Port A1 zum Port B1, wobei ein Teil der einfallenden Leistung an den Port C1 gekoppelt wird.
  • Die Reaktanzkorrektur-Steuereinheit 112 erhält Messwerte der einfallenden Leistung vom Detektor 106 bzw. der reflektierten Leistung vom Detektor 108 und ist dazu ausgebildet, den Anteil der von der Antenne 102 reflektierten Leistung zu ermitteln. In unterschiedlichen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ermittelt die Reaktanzkorrektur-Steuereinheit 112 eine Kennzahl, welche den Reflektionskoeffizient repräsentiert, in anderen Ausführungsbeispielen können jedoch auch andere Kennzahlen verwendet werden, wie z. B. ein Stehwellverhältnis (VSWR, engl.: ”voltage standing wave ratio”) oder ein die reflektierten Leistung repräsentierender Messwert. Die Reaktanzkorrektur-Steuereinheit 112 kann implemen tiert werden, indem ein Netzwerk analoger Summierer und Verstärker verwendet wird oder, alternativ, kann auch eine digitale Implementierung verwendet werden. In unterschiedlichen Ausführungsbeispielen können die Detektoren 106 bzw. 108 einfache Dioden sein. In alternativen Ausführungsformen können jedoch die Detektoren 106 und 108 jeweils ein Signal ausgeben, welches proportional zum Logarithmus der detektierten Leistung ist, wobei dann eine einfache Subtraktion der Ausgangssignale einen Wert ergibt, der proportional zum Reflektionsfaktor in dB ist.
  • Sobald die Reaktanzkorrektur-Steuereinheit 112 eine Maßzahl (z. B. Reflexionsfaktor, VSWR, reflektierte Leistung in dB, etc.) für die reflektierte Leistung ermittelt hat, wird ein entsprechendes, von dieser Maßzahl abhängiges Steuersignal M_CONT an das abstimmbare Anpass-Netzwerk 104 ausgegeben, um diese Maßzahl zu optimieren. Das heißt, die reflektierte Leistung wird reduziert bzw. minimiert. In unterschiedlichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird diese Optimierung in einer Rückkoppelschleife durchgeführt, wobei das Steuersignal MN_CONT gleichsam als ”Fehlersignal” fungiert und die oben genannte Maßzahl als die (möglichst auf Null) zuregelnde Regelgröße.
  • In anderen Ausführungsbeispielen kann das Steuersignal MN_CONT erhöht oder gesenkt werden, solange bis die oben genannte Maßzahl einen vordefinierten, erwünschten ersten Wert erreicht. In manchen Ausführungsformen kann ein weiteres Verändern des Steuersignals deaktiviert werden, sobald der erste Wert erreicht wurde, solange bis die oben erwähnte Maßzahl über einen zweiten Wert steigt (d. h. sich wieder verschlechtert), worauf das Steuersignal wieder entsprechend einem Regelgesetz weiter verändert wird. Der erste Wert und der zweite Schwellwert können so gewählt werden, dass das Reaktanz-Steuersystem eine Hysterese aufweist, um so Störungen während des Betriebs zu reduzieren.
  • In 3 ist ein Schaltplan eines Beispiels eines abstimmbaren Anpass-Netzwerks 104 gezeigt. In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird ein LC-Π-Netzwerk verwendet mit einer Serieninduktivität L, programmierbaren Shunt-Kondensatoren C1 und C2 sowie Ports 130 und 132. In unterschiedlichen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden die nominellen Werte dieser Bauteile so gewählt, dass die Kapazität des Bondpads 16 kompensiert wird. Programmierbare Kondensatoren C1 und C2 können z. B. spannungsgesteuerte Kondensatoren sein, die mit Hilfe einer Varaktor-Diode, einer Sperrschichtdiode oder als MOSFET-Kondensator implementiert sind und die mit Hilfe eines analogen Steuersignals MN_CONT gesteuert werden. In manchen Ausführungsbeispielen können die Shunt-Kondensatoren C1 und C2 unabhängig voneinander (also einzeln) angesteuert werden, um eine bessere Anpassung zu erreichen. In weiteren Ausführungsbeispielen kann ein geschaltetes Netzwerk einzelner Kondensatoren verwendet werden, welches mit Hilfe eines digitalen Signals, welches das Steuersignal MN_CONT repräsentiert, angesteuert wird und einen dem Steuersignal entsprechenden Kapazitätswert annimmt. In weiteren Ausführungsbeispielen können auch andere geeignete programmierbare Anpass-Netzwerk-Strukturen verwendet werden.
  • In 4 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Ausführungsbeispiel aus 4 ist im Prinzip identisch mit dem Ausführungsbeispiel aus 2, mit der Ausnahme, dass zwei Richtkoppler 142 und 140 zusammen mit einem Leistungssummierer 150 statt einem einzelnen Richtkoppler verwendet werden. Des Weiteren wird ein Verstärker 152 mit zwei Ausgangskanälen verwendet statt einem einfachen Verstärker mit einem Ausgangskanal. In einem Ausführungsbeispiel wird das Oszillatorsignal von dem Verstärker 152 verstärkt und verstärkte Signale S3P und S3B ausgegeben, welche gleich, jedoch zueinander um 180° phasenverschoben sind.
  • In unterschiedlichen Ausführungsformen ist der Verstärker 152 als differenzieller Verstärker (mit erdfreien, differenziellen Ausgang) implementiert. Es können in alternativen Ausführungsformen jedoch auch Verstärker mit massebezogenem Ausgang verwendet werden (je nach Anwendung). Wie in der 4 zu sehen ist, werden dem Verstärker 152 Signale S1 und S2 zugeführt. Wenn der Oszillator eine differenzielle Architektur aufweist, sind die Signale S1 und S2 um 180° phasenverschoben. Wenn der Oszillator ”single ended” (also nicht differenziell) ist, kann jedoch auch ein Ringhybrid (Koppler) verwendet werden, um die beiden gegenphasigen Signale S1 und S2 zu erzeugen. In anderen Ausführungsbeispielen können andere Techniken verwendet werden, um die Signale S1 und S2 zu erzeugen.
  • Sämtliche Signalanteile des Oszillatorsignals, die an den jeweiligen Ports B der Richtkoppler 140 und 142 ankommen, werden summiert (Summierer 150) und als Eingangssignal an den Mischer 122 weitergeleitet. Weil die Signale an dem Ausgangsport B der beiden Koppler 140 und 142 um 180° zueinander phasenverschoben sind, werden sich diese Signalkomponenten gegenseitig auslöschen und dabei das Oszillatorsignal, das am Schaltungsknoten RF1 ankommt, reduzieren.
  • Der Leistungssummierer 150 kann z. B. als Wilkinson-Summierer implementiert sein, jedoch können auch andere Architekturen verwendet werden. Der Signalpfad, der den Leistungsteiler 118, den Verstärker 152, die Koppler 140 und 142 sowie den Leistungssummierer 150 umfasst sollte in einem Layout gut angepasst sein, um eine gute Anpassung der Phasen der Signale S3P und S3B zu gewährleisten und folglich eine adäquate Auslöschung der verbleibenden Oszillatorsignale am Eingang des Mischers 122.
  • In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Ausführungsbeispiel aus 5 ist ähnlich dem Ausführungsbeispiel aus 4, wobei die Reaktanzkorrektur-Steuereinheit 112 zusätzliche Steuereingänge und Ausgänge aufweist. Das Signal DC, welches den Gleichsignal-Offset am Ausgang des Mischers 122 repräsentiert wird als Eingangssignal der Reaktanzkorrektur-Steuereinheit 112 zugeführt. In einem Ausführungsbeispiel wird der Gleichsignal-Offset als Maßzahl zusätzlich zu der oben genannten Maßzahl für den Reflektionsfaktor am Antennen-Interface verwendet, um die Effektivität des abstimmbaren Anpass-Netzwerks zu verbessern und zu steuern. Des Weiteren kann die Richtwirkung der Richtkoppler 140 und 142 verbessert werden. Eine programmierbare Impedanz 162 in Serie zu dem Widerstand 164 terminiert den Port A des Kopplers 142. Durch Verändern bzw. Anpassen der Terminierung dieses Ports kann die Symmetrie der beiden Richtkoppler angepasst werden. In unterschiedlichen Ausführungsformen können sowohl das Stehwellenverhältnis (VSWR) als auch der Gleichsignal-Offset des Mischers gleichzeitig optimiert werden durch das Anpassen des abstimmbaren Anpass-Netzwerks 104 und der programmierbaren Impedanz 162. So wird gleichsam eine kombinierte Maßzahl für den Reflektionsfaktor am Antennen-Interface optimieret. Z. B. kann die kombinierte Maßzahl dadurch berechnet werden, dass die mittleren Quadrate des Stehwellenverhältnisses (VSWR) und der Gleichsignal-Offset addiert werden. In unterschiedlichen Ausführungsbeispielen kann ein LMS-Algorithmus (least mean square algorithm, Methode der kleinsten Fehlerquadrate) verwendet werden, um die Performanz des Systems zu optimieren. Alternativ können auch andere Algorithmen und Optimierungsverfahren verwendet werden.
  • 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das ähnlich zu dem Ausführungsbeispiel aus 5 ist, mit der Ausnahme, dass Lange-Koppler 182 und 184 verwendet werden anstelle von Rat-Race-Kopplern. Lange-Koppler können für eine größere Bandbreite ausgelegt sein, als korrespondierende Rat-Race-Koppler. Des Weiteren ermöglichen Lange-Koppler größere Flexibilität beim Design, weil nicht alle Ports der Lange-Koppler gleichstromgekoppelt sind. In alter nativen Ausführungsbeispielen der Erfindung können auch andere Kopplerarchitekturen verwendet werden.

Claims (20)

  1. HF-Sende-/Empfangsschaltung, die aufweist: ein abstimmbares Anpass-Netzwerk (104) umfassend einen ersten Anschluss, der mit einen HF-Schnittstellen-Port (16) verbunden ist, und einen zweiten Anschluss; einen Richtkoppler (105, 140, 184), der Folgendes aufweist: – einen ersten Port (B), der mit einem HF-Eingang eines Mischers (122) gekoppelt ist, – einen zweiten Port (D), der mit einem HF-Generator-Port gekoppelt ist, und – einen dritten Port (A), der mit dem zweiten Anschluss des abstimmbaren Anpass-Netzwerks (104) gekoppelt ist, wobei der Richtkoppler (105, 140, 184) dazu ausgebildet ist, ein Signal von dem HF-Generator-Port an das abstimmbare Anpass-Netzwerk (104), sowie ein Signal von dem abstimmbaren Anpass-Netzwerk (104) an den HF-Eingang des Mischers (24) weiterzuleiten; und eine an das abstimmbare Anpass-Netzwerk (104) gekoppelte Steuereinheit (112) für das abstimmbare Anpass-Netzwerk (104), die dazu ausgebildet ist, die Impedanzanpassung zwischen dem HF-Schnittstellen-Port (16) und dem zweiten Anschluss des abstimmbaren Anpass-Netzwerks (104) zu optimieren.
  2. HF-Sende-/Empfangsschaltung gemäß Anspruch 1, die weiter eine Reflexionsmessungs-Einheit (106, 108, 110) aufweist, die mit dem zweiten Anschluss des abstimmbaren Anpass-Netzwerks (104) und mit der Steuereinheit (112) verbunden ist, wobei die Steuereinheit (112) dazu ausgebildet ist, das abstimmbare Anpass-Netzwerk (104) derart abzustimmen, dass Reflexionen am zweiten Anschluss des abstimmbaren Anpass-Netzwerks (104) zurück zum Richtkoppler (105, 140, 184) minimiert werden abhängig von Messungen der Reflexionsmessungs-Einheit (106, 108, 110).
  3. HF-Sende-/Empfangsschaltung gemäß Anspruch 2, bei der die Reflexionsmessungs-Einheit (106, 108, 110) mehrere Signalpegel- und/oder Signalleistungsdetektoren (106, 108) aufweist, welche dazu ausgebildet sind, den Signalpegel bzw. die Signalleistung von hin- und/oder rücklaufenden Signalen am zweiten Anschluss des abstimmbaren Anpass-Netzwerks (104) zu messen.
  4. HF-Sende-/Empfangsschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Steuereinheit (112) weiter dazu ausgebildet ist, das abstimmbare Anpass-Netzwerk (104) so abzustimmen, dass ein Gleichstrom-Offset an einem Ausgang des Mischers (122) minimiert wird.
  5. HF-Sende-/Empfangsschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das abstimmbare Anpass-Netzwerk (104) ein Π-Netzwerk umfasst, das Shunt-Kondensatoren (C1, C2) und eine Serieninduktivität (L) aufweist, wobei die Werte der Shunt-Kondensatoren (C1, C2) von der Steuereinheit (112) einstellbar sind.
  6. HF-Sende-/Empfangsschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, die weiter aufweist: einen Leistungs-Summierer (150), der einen Ausgang aufweist, welcher mit dem HF-Eingang des Mischers (122) verbunden ist, und der einen ersten Eingang aufweist, welcher mit dem ersten Port (B) des Richtkopplers (140) verbunden ist; einen weiteren Richtkoppler (142), der einen ersten Port (B) aufweist, welcher mit einem zweiten Eingang des Leistungs-Summierers (150) verbunden ist, der weiter einen zweiten Port (D) aufweist, welcher mit einem weiteren HF-Generator-Port verbunden ist, wobei der weitere HF-Generator-Port ein Signal bereitstellt, das zu dem von dem HF-Generator-Port bereitgestellten Signal um 180° phasenverschoben ist, und wobei der weitere Richtkoppler (142) dazu ausgebildet ist, Signale vom weiteren HF-Generator-Port an den zweiten Eingang des Leistungs-Summierers (150) weiterzuleiten.
  7. HF-Sende-/Empfangsschaltung gemäß Anspruch 6, die weiter einen einstellbaren Widerstand (162) aufweist, welcher mit einem dritten Port (A) des weiteren Richtkopplers (142) verbunden ist.
  8. HF-Sende-/Empfangsschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der mit dem HF-Schnittstellen-Port (16) eine Antenne (102) verbindbar ist.
  9. Halbleiterschaltung für ein Radar-Frontend, die folgendes aufweist: einen Antennen-Anschluss (16); ein abstimmbares Anpass-Netzwerk (104) mit einem ersten Anschluss, der mit dem Antennen-Anschluss (16) verbunden ist, und mit einem zweiten Anschluss; eine Reflexionsmessungs-Einheit (106, 108, 110), die mit dem zweiten Anschluss des abstimmbaren Anpass-Netzwerks (104) verbunden ist und die einen Messausgang aufweist; eine Steuereinheit (112), die mit dem Messausgang der Reflexionsmessungs-Einheit (106, 108, 110) verbunden und mit einem Steuereingang des abstimmbaren Anpass-Netzwerks (104) verbunden ist, wobei die Steuereinheit (112) dazu ausgebildet ist, eine Sendesignalreflexion am zweiten Anschluss des abstimmbaren Anpass-Netzwerks (104) zu minimieren; und einen Richtkoppler (105, 140), der dazu ausgebildet ist, ein Sendesignal von einem Signalgenerator (120) zum zweiten Anschluss des abstimmbaren Anpass-Netzwerks (104) zu leiten sowie ein Empfangssignal von der Antenne vom zweiten Anschluss des abstimmbaren Anpass-Netzwerks (104) zum HF-Eingang eines Mischers (122) zu leiten.
  10. Halbleiterschaltung gemäß Anspruch 9, bei der der Richtkoppler (105, 140) weiter dazu ausgebildet ist, den Signalpfad vom Signalgenerator (120) zum HF-Eingang des Mischers (122) möglichst gut zu dämpfen.
  11. Halbleiterschaltung gemäß Anspruch 9 oder 10, die weiter aufweist: einen Leistungsteiler (118), der einen mit dem Signalgenerator (120) verbundenen Eingang und einen mit einem Lokaloszillator-Eingang des Mischers (122) verbundenen ersten Ausgang umfasst; und einen HF-Verstärker (152), der einen mit einem zweiten Ausgang des Leistungsteilers (118) verbundenen ersten Eingang, einen mit einem dritten Ausgang des Leistungsteilers (118) verbundenen zweiten Eingang und einen mit dem Richtkoppler (140) verbundenen Ausgang aufweist.
  12. Halbleiterschaltung gemäß Anspruch 11, die weiter aufweist: einen Leistungs-Summierer (150), der zwischen den Richtkoppler (140) und den HF-Eingang des Mischers (122) geschaltet ist, wobei ein erster Eingang des Leistungs-Summierers (150) mit dem Richtkoppler (140) und ein Ausgang des Leistungs-Summierers (150) mit dem Mischer (122) verbunden ist; und einen weiteren Richtkoppler (142), der dazu ausgebildet ist einen invertierenden Ausgang des HF-Verstärkers (152) zu einem zweiten Eingang des Leistungs-Summierers (150) zu leiten.
  13. Halbleiterschaltung gemäß Anspruch 12, bei der der Richtkoppler (140) und der weitere Richtkoppler (142) dahingehend optimiert und aufeinander abgestimmt sind, ein vom Signalgenerator (120) zum HF-Eingang des Mischers (122) laufendes Signal zu eliminieren.
  14. Halbleiterschaltung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13, die weiter eine Antenne (102) aufweist, die mit dem Antennen-Anschluss (16) verbunden ist.
  15. Halbleiterschaltung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 14, bei dem der Richtkoppler (140) ein Rat-Race-Koppler ist.
  16. Halbleiterschaltung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 15, bei dem der Signalgenerator (120) ein Signal in einem Frequenzbereich von ca. 23 GHz bis ca. 25 GHz oder in einem Frequenzbereich von über 50 GHz erzeugt.
  17. Verfahren zum Betrieb eines Radarsystems, das Folgendes umfasst: Messen einer Reflexion auf einer mit einem Antennenanschluss (16) verbundenen Übertragungsleitung; Abstimmen eines Anpass-Netzwerks (104), das mit dem Antennen-Anschluss verbunden ist, wobei die Reflexion basierend auf der Messung minimiert wird; richtungsabhängiges Koppeln des Antennen-Anschlusses (16) an einen Mischer (122); Erzeugen eines Referenzsignals; Koppeln des Referenzsignals an einen Lokaloszillatoranschluss des Mischers (122); Modulieren des Referenzsignals, um ein moduliertes Referenzsignal zu erzeugen; und richtungsabhängiges Koppeln des modulierten Referenzsignals an den Antennen-Anschluss.
  18. Das Verfahren gemäß Anspruch 17, bei dem das Referenzsignal ein kontinuierliches Signal ist und das Modulieren des Referenzsignals ein Pulsen des Referenzsignals umfasst.
  19. Das Verfahren gemäß Anspruch 17 oder 18, bei dem das Messen einer Reflexion das Koppeln von mehreren Leistungsdetektoren an ein Stück der Übertragungsleitung umfasst.
  20. Eine Halbleiterschaltung für ein Radargerät, die aufweist: einen Antennen-Anschluss (16); ein abstimmbares Anpass-Netzwerk (104) mit einem ersten Anschluss, der mit dem Antennen-Anschluss (16) verbunden ist, und mit einem zweiten Anschluss; einen differenziellen Rat-Race-Koppler (140), der dazu ausgebildet ist, ein Sendesignal von einem Signalgenerator (120) zu dem zweiten Anschluss des abstimmbaren Anpass-Netzwerks (104) zu leiten, sowie ein Antennen-Empfangssignal von dem zweiten Anschluss des abstimmbaren Anpass-Netzwerks (104) zu einem Eingang eines Mischers (122) zu leiten; einen Leistungsteiler (118), der einen mit dem Signalgenerator verbundenen Eingang und einen mit einem Lokaloszillator-Eingang des Mischers (122) verbundenen Ausgang aufweist; einen HF-Verstärker (152), der einen mit einem zweiten Ausgang des Leistungsteilers (118) verbundenen ersten Eingang, einen mit einem dritten Ausgang des Leistungsteilers (118) verbundenen zweiten Eingang, sowie einen mit dem Rat-Race-Koppler (140) verbundenen Ausgang hat; einen Leistungs-Summierer (150), der zwischen den Rat-Race-Koppler (140) und den HF-Eingang des Mischers (122) geschaltet ist, wobei ein erster Eingang des Leistungs-Summierers (150) mit dem Richtkoppler (140) und ein Ausgang des Leistungs-Summierers (150) mit dem Mischer (122) verbunden ist; einen weiteren Rat-Race-Koppler (142), der dazu ausgebildet ist, einen invertierenden Ausgang des HF-Verstärkers (152) mit einem zweiten Eingang des ein Leistungs-Summierers (150) zu koppeln; eine Reflexionsmessungs-Einheit (106, 108, 110), die mit dem zweiten Anschluss des abstimmbaren Anpass-Netzwerks (104) verbunden ist, die einen Richtkoppler (110) umfasst, der mit der Übertragungsleitung in der Nähe des zweiten Anschlusses des abstimmbaren Anpass-Netzwerks (104) gekoppelt ist, und die weiter mehrere Detektions-Dioden (106, 108) umfasst, die mit dem Richtkoppler (110) verbunden sind; und eine Steuereinheit (112), die mit einem Ausgang der Reflexionsmessungs-Einheit (106, 108, 110) verbunden sowie mit einem Steuereingang des abstimmbaren Anpass-Netzwerks (104) verbunden ist, wobei die Steuereinheit (112) dazu ausgebildet ist, eine Reflexion am zweiten Anschluss des abstimmbaren Anpass-Netzwerks (104) in Richtung des Rat-Race-Kopplers (140) zu minimieren.
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