DE102010002575A1

DE102010002575A1 - Rauscharmer Mischer

Info

Publication number: DE102010002575A1
Application number: DE102010002575A
Authority: DE
Inventors: Johann-Peter Forstner; Guenter Haider; Shoujun Yang
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2009-03-06
Filing date: 2010-03-04
Publication date: 2010-09-09
Also published as: US20110234292A1; US20100225374A1

Abstract

Ein Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen Mischer zum Bereitstellen eines gemischten Ausgangssignals. Der Mischer umfasst eine Hochfrequenz-(HF-)Stufe, einen ersten und einen zweiten Leistungsteiler und eine erste und eine zweite Frequenzumsetzungsstufe. Die HF-Stufe umfasst ein erstes Differenzpaar. Der erste Leistungsteiler ist mit einem ersten Transistor des ersten Differenzpaars gekoppelt und der zweite Leistungsteiler ist mit einem zweiten Transistor des ersten Differenzpaars gekoppelt. Die erste Frequenzumsetzungsstufe, die angepasst ist, um ein erstes Signal mit umgesetzter Frequenz bereitzustellen, umfasst ein zweites Differenzpaar, das mit dem zweiten Leistungsteiler gekoppelt ist, und ein drittes Differenzpaar, das mit dem ersten Leistungsteiler gekoppelt ist. Die zweite Frequenzumsetzungsstufe, die angepasst ist, um ein zweites Signal mit umgesetzter Frequenz bereitzustellen, umfasst ein viertes Differenzpaar, das mit dem zweiten Leistungsteiler gekoppelt ist, und ein fünftes Differenzpaar, das mit dem ersten Leistungsteiler gekoppelt ist. Weitere Techniken werden ebenso bereitgestellt.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Verfahren und Systeme, die auf Hochfrequenz-(HF-)Vorrichtungen bezogen sind, und insbesondere auf Frequenzumsetzungsschaltungen.
In der Telekommunikation sind Mischer Schaltungen, die zwei Eingangssignale empfangen und diese miteinander multiplizieren, um ein Ausgangssignal mit einer unterschiedlichen Frequenz bereitzustellen. Auf diese Weise können Mischer eine Frequenzaufwärtsumsetzung oder -abwärtsumsetzung für ein Eingangssignal ermöglichen.
In Drahtloskommunikationssystemen z. B. werden Hochfrequenz-(HF-)Signale oft mit hohen Frequenzen übertragen, die für ein Kommunizieren drahtloser Daten effektiver sind als Signale mit niedrigerer Frequenz. Während diese Hochfrequenz-HF-Signale dazu neigen, Daten effektiver weiterzuleiten, sind die Frequenzen der HF-Signale so hoch, dass diese durch Digitalprozessoren nicht verarbeitet werden können, es sei denn, ihre Frequenzen werden reduziert. Deshalb werden auf der Empfängerseite oft Mischer verwendet, um die Frequenz empfangener HF-Signale zu reduzieren, so dass diese durch einen Digitalbasisbandschaltungsaufbau, wie z. B. einen Basisbandprozessor, verarbeitet werden können. Umgekehrt werden auf der Senderseite oft Mischer verwendet, um die Frequenz von Digitalsignalen zu erhöhen, so dass diese drahtlos als HF-Signale übertragen werden können.
Aufgrund der hohen Frequenzen, mit denen Mischer arbeiten, werden üblicherweise Hochgeschwindigkeitshalbleiter zur Gestaltung von Mischern verwendet. Während diese Hochgeschwindigkeitshalbleiter in der Lage sind, zuverlässig bei hohen Frequenzen umzuschalten, leiden diese oftmals dahingehend an einem Nachteil, dass sie nur einen kleinen Spannungshub an dem Ausgang des Mischers liefern, während eine lineare Verstärkung dennoch beibehalten wird. Wenn der Spannungshub über diese kleine Spannung hinaus erhöht würde, würde die Verstärkung des Mischers in Sättigung gehen, was eine unerwünschte Nichtlinearität bewirken würde. Frühere Mischer haben versucht, eine Linearität zu erzielen, indem eine Umsetzungsverstärkung durch Rückkopplung oder Gegenkopplung reduziert wird. Während diese Ansätze einige Vorteile besitzen können, leiden sie dahingehend an einem Nachteil, dass, wenn Rauschen an dem Ausgang des Mischers vorhanden ist, das Rauschen für in Verarbeitungsrichtung nachgeschaltete Komponenten ein großes Problem wird. Deshalb besteht Bedarf nach einem stark linearen Mischer mit großer Verstärkung.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Frequenzumsetzungsschaltung, einen Mischer und ein Verfahren zum Bereitstellen eines gemischten Ausgangssignals mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Es folgt eine vereinfachte Zusammenfassung. Diese Zusammenfassung ist keine ausgedehnte Übersicht und soll keine Schlüsselelemente oder wesentlichen Elemente bezeichnen. Vielmehr besteht der Hauptzweck der Zusammenfassung darin, einige Konzepte in einer vereinfachten Form als einen Auftakt für die genauere Beschreibung, die später vorgelegt wird, vorzustellen.
Ein Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen Mischer zum Bereitstellen eines gemischten Ausgangssignals. Der Mischer umfasst eine Hochfrequenz-(HF-)Stufe, einen ersten und einen zweiten Leistungsteiler und eine erste und eine zweite Frequenzumsetzungsstufe. Die HF-Stufe umfasst ein erstes Differenzpaar. Der erste Leistungsteiler ist mit einem ersten Transistor des ersten Differenzpaars gekoppelt und der zweite Leistungsteiler ist mit einem zweiten Transistor des ersten Differenzpaars gekoppelt. Die erste Frequenzumsetzungsstufe, die angepasst ist, um ein erstes Signal mit umgesetzter Frequenz bereitzustellen, umfasst ein zweites Differenzpaar, das mit dem zweiten Leistungsteiler gekoppelt ist, und ein drittes Differenzpaar, das mit dem ersten Leistungsteiler gekoppelt ist. Die zweite Frequenzumsetzungsstufe, die angepasst ist, um ein zweites Signal mit umgesetzter Frequenz bereitzustellen, umfasst ein viertes Differenzpaar, das mit dem zweiten Leistungsteiler gekoppelt ist, und ein fünftes Differenzpaar, das mit dem ersten Leistungsteiler gekoppelt ist. Auch andere Techniken werden bereitgestellt.
Die folgende Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen legen bestimmte veranschaulichende Aspekte und Implementierungen im Detail dar. Sie deuten auf lediglich einige der verschiedenen Weisen hin, auf die die offenbarten Prinzipien eingesetzt werden können.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer Frequenzumsetzungsschaltung gemäß einigen Ausführungsbeispielen;
2 ein ausführlicheres Ausführungsbeispiel eines Mischers;
3 ein ausführlicheres Ausführungsbeispiel eines Mischers;
4 ein Ausführungsbeispiel eines Empfängers;
5 ein Ausführungsbeispiel eines IQ-Typ-Empfängers;
6 ein frequenzmoduliertes Kontinuierliche-Welle-Radarsystem (FMCW-Radarsystem; FMCW = frequency modulated continuous wave), bei dem ein Radar-Sende-/Empfangsgerät Informationen über ein Ziel erfasst;
7 ein Beispiel von Frequenzrampen, die durch ein FMCW-Radar-Sende-/Empfangsgerät verwendet werden;
8 Spannungswellen, die zeitveränderliche Frequenzen zeigen, die durch ein FMCW-Sende-/Empfangsgerät verwendet werden;
9 ein ausführlicheres Blockdiagramm eines Radar-Sende-/Empfangsgeräts; und
10 ein Flussdiagramm, das ein Verfahren gemäß einigen Aspekten dieser Offenbarung darstellt.
Eine oder mehrere Implementierungen werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei durchwegs gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um sich auf gleiche Elemente zu beziehen. Es wird darauf hingewiesen, dass nichts in dieser Beschreibung als Stand der Technik zugelassen wird.
Wie die Erfinder erkannt haben, ist eine hohe Linearität wünschenswert, um Mischer widerstandsfähig gegenüber Interferenz zu machen. 1 stellt eine Frequenzumsetzungsschaltung 100 gemäß einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung dar. Die Frequenzumsetzungsschaltung 100 umfasst einen Hochfrequenz-(HF-)Signalgenerator 102, ein Oszillationselement 104 und einen Mischer 106. Ein erster Eingang 108 des Mischers 106 ist mit dem HF-Signalgenerator 102 gekoppelt und ein zweiter Eingang 110 des Mischers 106 ist mit dem Oszillationselement 104 gekoppelt. Intern umfasst der Mischer 106 eine Hochfrequenz-(HF-)Stufe 114, einen Leistungsteiler 116, eine erste Frequenzumsetzungsstufe 118, eine zweite Frequenzumsetzungsstufe 120 und ein optionales Summierungselement 122.
Zu Darstellungszwecken ist unten ein Beispiel beschrieben, bei dem der Mischer 106 an seinem ersten Eingang 108 ein HF-Signal S_HF mit einer Frequenz von 60 GHz empfängt. Der Mischer 106 empfangt außerdem an seinem zweiten Eingang 110 Oszillationssignale S_O1, S_O2, die sich eine Oszillationsfrequenz von 58 GHz teilen. Der Mischer 106 multipliziert diese Signale miteinander, wodurch eine Abwärtsumsetzung auf ein gemischtes Ausgangssignal S_AUS von 2 GHz ermöglicht wird. Die spezifizierten Frequenzen, die lediglich Beispiele sind, sind zu Zwecken der Klarheit vorgesehen und es ist zu erkennen, dass ein Betrieb der Frequenzumsetzungsschaltung 100 gleichermaßen auf andere Frequenzen anwendbar ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen z. B. kann der Mischer 106 ein HF-Signal in dem Millimeterfrequenzband abwärts umsetzen, wobei der Millimeterfrequenzbandbereich von etwa 30 Gigahertz (GHz) bis etwa 300 GHz reicht. Nicht-Millimeter-Drahtlossignale fallen ebenso in den Schutzbereich dieser Offenbarung.
Während des Betriebs empfangt die HF-Stufe 114 das HF-Signal S_HF, das bei diesem Beispiel eine HF-Frequenz f_HF von etwa 60 GHz aufweist. Basierend auf diesem HF-Signal erzeugt die HF-Stufe 114 daraus ein HF-Stromsignal, S_HF1.
Der Leistungsteiler 116 teilt das Stromsignal S_HF1 in geteilte Leistungssignale S_GL1, S_GL2 und leitet diese Signale an die erste und die zweite Frequenzumsetzungsstufe 118, 120 weiter. Die geteilten Leistungssignale, S_GL1, S_GL2 weisen noch immer die Frequenz f_HF auf, die bei diesem Beispiel etwa 60 GHz beträgt.
Das Oszillationselement 104 stellt Oszillationssignale S_O1, S_O2 an die erste bzw. die zweite Frequenzumsetzungsstufe 118, 120 bereit. Abhängig von der Implementierung können die Oszillationssignale S_O1, S_O2 in Phase zueinander sein (siehe z. B. 4) oder könnten phasenverschoben sein (siehe z. B. 5). Bei diesem Beispiel weisen die Oszillationssignale S_O1, S_O2 eine Frequenz f_O von etwa 58 GHz auf.
Durch das „Multiplizieren” eines geteilten Leistungssignals mit einem Oszillationssignal liefert jede Frequenzumsetzungsstufe ein Signal mit umgesetzter Frequenz mit Frequenzkomponenten f_HF ± f_O. Auf diese Weise liefert die erste Frequenzumsetzungsstufe 118 ein erstes Signal mit umgesetzter Frequenz S_UF1 mit einer ersten Frequenzkomponente von etwa 118 GHz (d. h. f_HF + f_O) und einer zweiten Frequenzkomponente von etwa 2 GHz (d. h. f_HF – f_O). Andere Frequenzkomponenten höherer Ordnung könnten ebenso beinhaltet sein, sind in dieser Erläuterung zugunsten von Einfachheit und Klarheit jedoch weggelassen. Ähnlich liefert die zweite Frequenzumsetzungsstufe 120 ein zweites Signal mit umgesetzter Frequenz S_UF2 mit Frequenzkomponenten von etwa 118 GHz (d. h. f_HF + f_O) und etwa 2 GHz (d. h. f_HF – f_O).
Das Summierungselement 122, falls vorhanden, empfängt das erste und das zweite Signal mit umgesetzter Frequenz S_UF1, S_UF2, die korreliert oder in Phase sein können, und summiert das erste und das zweite Signal S_UF1, S_UF2. Auf diese Weise stellt das Summierungselement 122 ein gemischtes Ausgangssignal S_AUS bereit, wobei das gemischte Ausgangssignal eine Amplitude aufweist, die größer ist als diejenige von sowohl dem ersten als auch dem zweiten Signal mit umgesetzter Frequenz S_UF1, S_UF2. Bei einem Ausführungsbeispiel z. B. beträgt der Spannungsbetrag von S_UF1 etwa 2 Volt (V), der Spannungsbetrag von S_UF2 beträgt etwa 2 V und das gemischte Ausgangssignal S_AUS hat einen Spannungsbetrag. von etwa 4 V.
2 zeigt eine ausführlichere Darstellung eines Mischers 106 gemäß einigen Ausführungsbeispielen. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die HF-Stufe 114 ein erstes Differenzpaar mit einem ersten Transistor 202 und einem zweiten Transistor 204 auf. Widerstände 206, 208 sind mit Emittern des ersten bzw. zweiten Transistors 202, 204 gekoppelt. Eine Stromquelle 210 ist außerdem mit den Widerständen 206, 208 und einer Referenzspannung VEE gekoppelt und zwischen dieselben geschaltet. Typischerweise ist das HF-Signal, das an den Steueranschluss des ersten Transistors 202 bereitgestellt wird, um 180° phasenverschoben zu dem HF-Signal, das an den Steueranschluss des zweiten Transistors 204 bereitgestellt wird.
Der erste Leistungsteiler 116a ist mit dem Kollektor des ersten Transistors 202 gekoppelt. Der zweite Leistungsteiler 116b ist mit dem Kollektor des zweiten Transistors 204 gekoppelt. Bei einigen Ausführungsbeispielen weisen der erste und der zweite Leistungsteiler 116a, 116b ein Impedanzanpassungsnetzwerk auf, das als rein reaktiv abgestimmt ist. Der erste und der zweite Leistungsteiler können zu diesem Zweck z. B. Übertragungsleitungen, wie z. B. Mikrostreifen, koplanar, Streifenleitung usw. beinhalten. Derartige Impedanzanpassungsnetzwerke können eine Begrenzung einer Leistungsdissipierung durch den Mischer 106 unterstützen, wodurch der Rauschspielraum erhöht und ein Verhalten über das, was bisher erzielbar war, hinaus verbessert wird.
Innerhalb der ersten Frequenzumsetzungsstufe 118 ist ein zweites Differenzpaar 212 mit dem zweiten Leistungsteiler 116b gekoppelt und ein drittes Differenzpaar 214 ist mit dem ersten Leistungsteiler 116a gekoppelt. Innerhalb der zweiten Frequenzumsetzungsstufe 120 ist ein viertes Differenzpaar 216 mit dem zweiten Leistungsteiler 116b gekoppelt und ein fünftes Differenzpaar 218 ist mit dem ersten Leistungsteiler 116a gekoppelt. Wie bereits erwähnt wurde, können das erste und das zweite Oszillationssignal S_O1, S_O2 abhängig von der Implementierung in Phase oder phasenverschoben sein, dienen jedoch in beiden Fällen dazu, die Erzeugung eines ersten und eines zweiten Signals mit umgesetzter Frequenz S_UF1, S_UF2 an den Ausgang 112 zu ermöglichen.
Bei vielen Ausführungsbeispielen sind die Transistoren in der HF-Stufe 114 und die erste und die zweite Frequenzumsetzungsstufe 118, 120 auf einem Substrat aus einem Hochgeschwindigkeits-Halbleitermaterial, wie z. B. einer aus zwei Elementen bestehenden Halbleiterverbindung (z. B. SiGe, GaAS), einer aus drei Elementen bestehenden Halbleiterverbindung (z. B. AlGaAs, GaAsP) oder einer aus noch mehr Elementen bestehenden Halbleiterverbindung, angeordnet. Obwohl Silizium bei einigen Implementierungen ebenso verwendet werden kann, sind diese Hochgeschwindigkeits-Halbleitermaterialien von Vorteil, weil sie verglichen mit Silizium schnellere Umschaltzeiten bereitstellen. Leider sind derartige Hochgeschwindigkeits-Halbleitermaterialien oft teurer und/oder schwieriger zu verarbeiten als Silizium. Deshalb kann, um die Herstellung und Kosten zu erleichtern, während dennoch ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb geliefert wird, bei einigen Ausführungsbeispielen, bei denen der HF-Eingang 114 und die erste und die zweite Frequenzumsetzungsstufe 118, 120 Hochgeschwindigkeits-Halbleitermaterialien aufweisen, das Summierungselement 122 (das Signale mit niedrigerer Frequenz verarbeiten kann) Siliziumbauelemente und/oder passive Elemente beinhalten, die in der Herstellung kosteneffektiver sind. Diese Siliziumbauelemente sind nicht nur in der Herstellung kosteneffektiver, sie stellen außerdem aufgrund höherer Durchbruchspannungen potenziell eine Ausgangssignalamplitude mit höherer Amplitude bereit, wodurch für den Mischer ein erhöhter linearer Bereich verglichen mit früheren Lösungen geschaffen wird.
3 zeigt ein weiteres ausführlicheres Ausführungsbeispiel, das einen Vorspannschaltungsaufbau 300 umfasst, der resistive Lasten (R) und Kondensatoren umfasst. Zusätzlich zeigt dieses Ausführungsbeispiel verschiedene Knoten, bei denen Impedanzanpassungsnetzwerke (X), wie z. B. Übertragungsleitungen, beinhaltet sind.
Die oben beschriebenen Mischer 106 können in vielen elektronischen Anwendungen eingesetzt werden. Um einige bestimmte Implementierungen, die nützlich sein könnten, hervorzuheben, werden unten unter Bezugnahme auf die 4 bis 9 mehrere Beispiele erläutert. Diese elektronischen Anwendungen sind keinesfalls einschränkend und andere elektronische Anwendungen fallen ebenso in den Schutzbereich dieser Offenbarung.
4 stellt einen Empfänger 400, der einen Mischer umfasst, gemäß einigen Ausführungsbeispielen dar. Der Empfänger 400 umfasst eine Antenne 402 mit einem Antennentor, das mit einem Eingangsfilterungselement 404 gekoppelt ist, das mit einem ersten Eingang 108 eines Mischers 106 gekoppelt ist. Ein zweiter Eingang 110 des Mischers 106 ist mit einem Oszillationselement 406 gekoppelt. Zusätzlich ist ein Ausgang 112 des Mischers 106 mit einem Filterelement 408 (z. B. Tiefpassfilter) gekoppelt, das mit einem Basisbandverarbeitungsschaltungsaufbau 410 gekoppelt ist. Intern umfasst der Mischer 106 eine HF-Stufe 114, einen Leistungsteiler 116, eine erste Frequenzumsetzungsstufe 118, eine zweite Frequenzumsetzungsstufe 120 und ein Summierungselement 122, wie bereits erläutert wurde (siehe z. B. 1).
Ein ausführlichere Arbeitsweise, die in Übereinstimmung mit dem Empfänger 400 aus 4 ist, wird nun dargelegt. Wieder sind zur Klarheit exemplarische Frequenzwerte in Übereinstimmung mit denjenigen, die bereits erläutert wurden, beschrieben. Während des Betriebs empfängt die Antenne 402 ein Drahtlossignal S_D in der Form einer zeitveränderlichen Spannung. Bei diesem Beispiel weist das Drahtlossignal S_D eine erwünschte Frequenzkomponente von etwa 60 GHz auf, obwohl es oft andere unerwünschte Frequenzkomponenten umfasst.
Nachdem das Drahtlossignal S_D durch die Antenne 402 empfangen wurde, leitet das Eingangsfilterungselement 404, das unerwünschte Frequenzen herausfiltern kann, ein HF-Signal S_HF an den ersten Eingang 108 des Mischers weiter. Bei dem dargestellten Beispiel weist das HF-Signal S_HF eine Frequenz f_HF von etwa 60 GHZ auf.
Basierend auf dem HF-Signal S_HF und dem Oszillationssignal S_LO (das in diesem Fall in Phase zu der ersten und der zweiten Frequenzumsetzungsstufe 118, 120 geliefert wird) erzeugt die HF-Stufe 114 ein gemischtes Ausgangssignal S_AUS. Da das Summierungselement 122 das erste und das zweite Signal mit umgesetzter Frequenz S_UF1, S_UF2 empfangt, die bei diesem Beispiel korreliert oder in Phase sind, weist das gemischte Ausgangssignal S_AUS eine Amplitude auf, die größer ist als die von sowohl dem ersten als auch dem zweiten Signal mit umgesetzter Frequenz S_UF1, S_UF2. Bei einem Ausführungsbeispiel z. B. beträgt der Spannungsbetrag von S_UF1 etwa 2 Volt (V), der Spannungsbetrag von S_UF2 beträgt etwa 2 V und das gemischte Ausgangssignal S_AUS hat einen Spannungsbetrag von etwa 4 V.
Nachdem das Summierungselement 122 das gemischte Ausgangssignal S_AUS geliefert hat, kann das Filterelement 408 unerwünschte Frequenzkomponenten beseitigen. So entfernt bei diesem Beispiel das Filterelement 408 die 118 GHz-Frequenzkomponente und leitet ein gefiltertes Ausgangssignal S_FAUS, das die erwünschte 2 GHz-Frequenzkomponente umfasst, an den Basisbandverarbeitungsschaltungsaufbau 410 weiter. So ist das dargestellte Beispiel konsistent mit einem Zwischenfrequenz-(Zf-)Empfänger. Oft reduziert eine weitere Abwärtsumsetzungsstufe (nicht gezeigt) das gefilterte Ausgangssignal S_FAUS herunter auf ein Basisbandsignal, das durch den Basisbandverarbeitungsschaltungsaufbau 410 verarbeitet wird. Ein Digital-Analog-Wandler (DAW) kann in Verarbeitungsrichtung vor oder nach der weiteren Abwärtsumsetzungsstufe vorhanden sein, um das gefilterte Ausgangssignal S_FAUS zu digitalisieren.
Obwohl 4 ein Beispiel eines Direktumsetzungsempfängers zeigt, können andere Ausführungsbeispiele Zf-, Nieder-Zf-, oder Gleit-Zf-Empfänger umfassen. Bei solchen Ausführungsbeispielen können zusätzliche Abwärtsumsetzungsstufen vor dem Basisbandverarbeitungsschaltungsaufbau 410 beinhaltet sein.
Unter Bezugnahme auf 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines IQ-Typ-Empfängers zu sehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel stellt ein 90°-Phasenverschiebungsmodul eine Phasenverschiebung zwischen einer I-Daten-LO-Stufe und einer Q-Daten-LO-Stufe bereit. Das Summierungselement wurde entfernt und stattdessen ist sowohl die I-Daten-LO-Stufe als auch die Q-Daten-LO-Stufe direkt mit Filterelementen 504, 506 gekoppelt. Auf diese Weise liefert ein I-Kanal In-Phase-Daten (I-Daten) und ein Q-Kanal liefert Quadratur-Daten (Q-Daten) durch die Filterelemente 504, 506 an den Basisbandverarbeitungsschaltungsaufbau 508. An einem bestimmten Punkt in dem Basisbandverarbeitungsschaltungsaufbau werden die I-Daten und die Q-Daten kombiniert, oft nach einem DAW.
Die 6 bis 9 beziehen sich auf ein Radarsystem, wie z. B. ein Automobil-Radarsystem oder einen beliebigen anderen Typ eines Radarsystems. 6 stellt ein FMCW-Radarsystem 600 dar, das einen Sender 602 und einen Empfänger 604 beinhaltet. Der Sender 602 umfasst eine Antenne 606 zum Senden eines übertragenen Signals 608, wie z. B. einer Radiowelle oder einer anderen elektromagnetischen Welle, in Richtung eines Ziels 610. Ähnlich umfasst der Empfänger 604 eine Antenne 612 zum Empfangen eines gestreuten Signals 614, das von dem Ziel 610 reflektiert wird. Bei anderen nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann eine einzelne Antenne für sowohl Senden als auch Empfang verwendet werden und/oder gepulste Radarsysteme können verwendet werden.
Um eine Entfernung zu dem Ziel zu bestimmen, sendet der Sender 602 das übertragene Signal 608 als eine Frequenzrampe, deren Frequenz als eine Funktion der Zeit variiert, wie z. B. in den 7 bis 8 gezeigt ist. Wie in diesen Figuren gezeigt ist, besteht, nachdem das übertragene Signal 608 gesendet wurde, eine bestimmte Zeitverzögerung τ, bevor das gestreute Signal 614 an dem Empfänger 604 zurück empfangen wird. Zu der Zeit, zu der das gestreute Signal 614 empfangen wird, kann eine Frequenzdifferenz 616 zwischen dem übertragenen Signal 608 und dem gestreuten Signal 614 gemessen werden. Diese Frequenzdifferenz 616 wird oft verwendet, um eine Bestimmung von Bereich, Geschwindigkeit oder anderen Informationen über das Ziel zu unterstützen.
Insbesondere zeigt 7 Frequenzrampen für das übertragene Signal 608 und das gestreute Signal 614 als eine Funktion der Zeit. Die Frequenzrampen weisen eine maximale Frequenz 618, eine minimale Frequenz 620 und Perioden 622 auf. 8 zeigt die Spannungswellen für das übertragene Signal 608 und das gestreute Signal 614 als eine Funktion der Zeit, wobei die Frequenz der Spannungswellen sich über die Zeit verändert, um (grob) 7 zu entsprechen. Da das übertragene und das gestreute Signal 608, 614 sich insgesamt mit Lichtgeschwindigkeit c eine Entfernung von 2D bewegen (d. h. vom Sende-/Empfangsgerät zu dem Ziel und zurück), ist die Verzögerung τ direkt proportional zu der Entfernung D zu dem Ziel 610 (d. h. τ = 2D/c). So kann das FMCW-Radarsystem 600 durch Messen der Verzögerung τ zwischen dem übertragenen und dem gestreuten Signal 608, 614 die Entfernung zu dem Ziel 610 überwachen.
Das FMCW-Radarsystem 600 kann die Geschwindigkeit des Ziels durch Verwenden einer Serie unterschiedlicher Rampen oder durch Verfolgen der Entfernung als eine Funktion der Zeit überwachen. Auf diese Weise kann das FMCW-Radarsystem 600 die Entfernung und Geschwindigkeit des Ziels 610 bestimmen. Bei diesen und anderen Ausführungsbeispielen können Doppler-Verschiebung oder andere Effekte ebenso verwendet werden, um die Entfernung, Geschwindigkeit und/oder andere Informationen über das Ziel zu bestimmen.
Unter Bezugnahme auf 9 ist ein Schaltungsaufbau 700 für ein Radar-Sende-/Empfangsgerät dargestellt. Wie gezeigt ist, umfasst der Schaltungsaufbau 700 einen Frequenzrampengenerator 702; einen spannungsgesteuerten Oszillator (SGO) 704; einen Ausgangspuffer 706 und einen Lokaloszillator-(LO-)Puffer 708; einen ersten und einen zweiten Schalter 710, 712, die einer ersten bzw. zweiten Sendeantenne 714, 716 zugeordnet sind; einen ersten und einen zweiten Mischer 106a, 106b, die einer ersten bzw. einer zweiten Empfangsantenne 722, 724 zugeordnet sind; und eine erste und eine zweite Abtastschaltung 726, 728, die dem ersten bzw. zweiten Empfangskanal Zf1, Zf2 zugeordnet sind.
Während des Betriebs stellt der Frequenzrampengenerator 702 eine Serie von Frequenzrampen für den SGO 704 bereit. Diese Frequenzrampen können bei einem Ausführungsbeispiel einen FMCW-Radar-Betrieb ermöglichen.
Der SGO 704 stellt eine zeitveränderliche Analogspannung an den Ausgangspuffer 706 bereit, der ausgehende Signale in Richtung des ersten und des zweiten Schalters 710, 712 bereitstellt.
Der erste und zweite Schalter 710, 712 senden selektiv die ausgehenden Signale über die erste bzw. die zweite Antenne 714, 716 als eine Funktion eines ersten bzw. zweiten Steuersignals 730, 732. Bei einem Ausführungsbeispiel sind der erste und der zweite Schalter Leistungsverstärker. Nachdem die ausgehenden Signale gesendet wurden, können sie von einem Ziel reflektiert werden und als erstes und zweites gestreutes Signal 734, 736 an der ersten bzw. zweiten Empfangsantenne 722, 724 empfangen werden.
Der erste Mischer 106a kann das erste gestreute Signal 734 mit einem LO-Signal 738 mischen, um ein erstes abwärtsumgesetztes oder Basisbandsignal Zf1 bereitzustellen. Ähnlich kann der zweite Mischer 106b das zweite gestreute Signal 736 mit dem LO-Signal 738 mischen, um ein zweites abwärtsumgesetztes oder Basisbandsignal Zf2 bereitzustellen. Diese abwärtsumgesetzten oder Basisbandsignale Zf1, Zf2 können Phasen-, Frequenz- und/oder Amplitudeninformationen in Bezug auf die Position, Geschwindigkeit und/oder den Einfallswinkel des Ziels, von dem die gestreuten Signale reflektiert wurden, beinhalten.
Die abwärtsumgesetzten Signale Zf1, Zf2 werden dann durch die erste bzw. zweite Abtastschaltung 726, 728 verarbeitet.
Es wurden einige Beispiele von Systemen erläutert und nun wird Bezug auf 10 genommen, die ein Verfahren 1000 im Flussdiagrammformat zeigt. Während dieses Verfahren unten als eine Serie von Handlungen oder Ereignissen dargestellt und beschrieben ist, ist die vorliegende Erfindung durch die dargestellte Reihenfolge derartiger Handlungen oder Ereignisse nicht eingeschränkt. Einige Handlungen könnten z. B. in unterschiedlichen Reihenfolgen und/oder gleichzeitig zu anderen Handlungen oder Ereignissen außer denjenigen, die hierin dargestellt und/oder beschrieben sind, auftreten. Zusätzlich sind unter Umständen nicht alle dargestellten Handlungen erforderlich. Ferner könnten eine oder mehrere der hierin dargestellten Handlungen in einer oder mehreren separaten Handlungen oder Phasen ausgeführt werden.
Bei 1002 wird ein Hochfrequenz-(HF-)Eingangssignal S_HF bereitgestellt. Bei einigen Ausführungsbeispielen z. B. könnte das HF-Eingangssignal mit einer Frequenz, die von etwa 30 GHz bis etwa 300 GHz variiert, bereitgestellt werden.
Bei 1004 wird basierend auf S_HF ein geteiltes Stromsignal S_HF1 erzeugt. Oft weist dieses geteilte Stromsignal die Frequenz des HF-Eingangssignals auf.
Bei 1006 werden basierend auf S_HF1 ein erstes und ein zweites Signal mit umgesetzter Frequenz auf S_UF1, S_UF2 erzeugt. Oft weisen das erste und das zweite Signal mit umgesetzter Frequenz eine erste Frequenzkomponente gleich f_HF – f_LO und eine zweite Frequenzkomponente gleich f_HF + f_LO auf.
Bei 1008 werden die Beträge des ersten und des zweiten Signals mit umgesetzter Frequenz miteinander addiert, um ein gemischtes Ausgangssignal S_AUS zu erzeugen. Das gemischte Ausgangssignal weist einen Betrag auf, der größer ist als derjenige von sowohl dem ersten als auch dem zweiten Signal mit umgesetzter Frequenz.
Obwohl eine oder mehrere Implementierungen oben dargestellt und/oder erläutert wurden, könnte Abänderungen und/oder Modifizierungen an diesen Beispielen vorgenommen werden, ohne von der Wesensart und dem Schutzbereich der beigefügten Ansprüche abzuweichen. Obwohl oben z. B. einige Ausführungsbeispiele dargestellt und beschrieben wurden, bei denen ein Mischer BJTs (BJT = bipolar junction transistor = bipolarer Sperrschichttransistor) beinhaltet, ist zu erkennen, dass andere Typen von Transistoren, die Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs; MOSFET = metal oxide semiconductor field effect transistor), Sperrschichtfeldeffekttransistoren (JFETs; JFET = junction gate field effect transistor), Isolierschicht-Feldeffekttransistoren (IGFETs; IGFET = insulated gate field effect transistor) und Bipolartransistoren mit isolierter Gateelektrode (IGBTs; IGBT = insulated gate bipolar transistor) umfassen, jedoch nicht auf diese eingeschränkt sind, rechtmäßige Äquivalente dieser BJTs darstellen. Diese Transistoren könnten bei einigen Ausführungsbeispielen aus Silizium hergestellt sein, könnten jedoch außerdem aus anderen Materialien hergestellt sein, die Germanium, Galliumarsenid, Siliziumcarbid und andere umfassen, jedoch nicht darauf eingeschränkt sind.
Zusätzlich können, obwohl einige Mischer oben in dem Zusammenhang der Durchführung einer Frequenzabwärtsumsetzung in einem Empfänger beschrieben wurden, bei anderen Ausführungsbeispielen diese Mischer eine Frequenzaufwärtsumsetzung in einem Sender durchführen. Ferner könnten die oben beschriebenen Mischer auch als Teil einer Rückkopplungsschleife implementiert sein, wie z. B. in einer Frequenzteiler- oder Phasenregelschleife, oder als Teil anderer elektronischer Schaltungen oder Systeme.
Wie der Ausdruck „koppeln” (oder Ableitungen hiervon) in dieser Offenbarung verwendet wird, soll er entweder eine indirekte oder eine direkte elektrische Verbindung bedeuten. So könnte, wenn eine erste Vorrichtung mit einer zweiten Vorrichtung gekoppelt ist, diese Verbindung durch eine direkte elektrische Verbindung bestehen oder durch eine indirekte elektrische Verbindung über andere Vorrichtungen oder Verbindungen. Obwohl verschiedene numerische Werte hierin bereitgestellt sind, sind diese Werte lediglich Beispiele und schränken den Schutzbereich der Offenbarung nicht ein. Außerdem sind alle numerischen Werte ungefähre Werte.
Insbesondere in Bezug auf die verschiedenen Funktionen, die durch die oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Anordnungen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systeme usw.) durchgeführt werden, sollen die Ausdrücke (einschließlich einer Bezugnahme auf eine „Einrichtung”), die zur Beschreibung dieser Komponenten verwendet werden, einer beliebigen Komponente oder Struktur, die die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente durchführt (z. B. die funktionsmäßig äquivalent ist), es sei denn, dies ist anderweitig angegeben, obwohl sie strukturmäßig nicht äquivalent zu der offenbarten Struktur sind, die die Funktion bei den hierin dargestellten exemplarischen Implementierungen durchführt, entsprechen. Zusätzlich könnte, während ein bestimmtes Merkmal in Bezug auf nur eine mehrerer Implementierungen offenbart worden sein könnte, dieses Merkmal mit einem oder mehreren anderen Merkmalen der anderen Implementierungen kombiniert werden, wie dies für eine gegebene oder bestimmte Anwendung erwünscht und von Vorteil sein könnte. Ferner sollen in dem Umfang, in dem die Ausdrücke „umfasst”, „umfassen”, „haben”, „hat”, „mit” oder Varianten derselben in sowohl der ausführlichen Beschreibung als auch den Ansprüchen verwendet werden, diese Ausdrücke in einer Art und Weise einschließlich sein, die dem Ausdruck „aufweisen” ähnelt.

Claims

Frequenzumsetzungsschaltung (100), die angepasst ist, um ein Hochfrequenz-(HF-)Signal mit einer HF-Frequenz abwärts umzusetzen, die folgende Merkmale aufweist: ein Oszillationselement (104), das angepasst ist, um ein erstes Oszillationssignal und ein zweites Oszillationssignal, die sich eine Oszillationsfrequenz teilen, bereitzustellen; und einen Mischer (106) mit folgenden Merkmalen: einer ersten Frequenzumsetzungsstufe (118), die angepasst ist, um ein erstes Signal mit umgesetzter Frequenz als eine Funktion des HF-Signals und des ersten Oszillationssignals bereitzustellen, und einer zweiten Frequenzumsetzungsstufe (120), die angepasst ist, um ein zweites Signal mit umgesetzter Frequenz als eine Funktion des HF-Signals und des zweiten Oszillationssignals bereitzustellen.
Frequenzumsetzungsschaltung (100) gemäß Anspruch 1, bei der das erste Oszillationssignal in Phase mit dem zweiten Oszillationssignal ist.
Frequenzumsetzungsschaltung (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der der Mischer (106) ferner folgendes Merkmal aufweist: ein Summierungselement (122), das angepasst ist, um das erste Signal mit umgesetzter Frequenz mit dem zweiten Signal mit umgesetzter Frequenz zu summieren, wodurch ein gemischtes Ausgangssignal bereitgestellt wird.
Frequenzumsetzungsschaltung (100) gemäß Anspruch 3, bei der das erste Oszillationssignal in Phase mit dem zweiten Oszillationssignal ist.
Frequenzumsetzungsschaltung (100) gemäß Anspruch 3, bei der das erste Oszillationssignal um 90° phasenverschoben zu dem zweiten Oszillationssignal ist.
Frequenzumsetzungsschaltung (100) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, bei der das erste und das zweite Signal mit umgesetzter Frequenz jeweils eine erste Frequenzkomponente, die gleich einer Summe der HF-Frequenz und der Oszillationsfrequenz ist, und eine zweite Frequenzkomponente, die gleich einer Differenz zwischen der HF-Frequenz und der Oszillationsfrequenz ist, aufweisen.
Frequenzumsetzungsschaltung (100) gemäß Anspruch 6, die ferner folgendes Merkmal aufweist: ein Filterelement (406), das in Verarbeitungsrichtung nach dem Summierungselement (122) liegt und angepasst ist, um die erste Frequenzkomponente durchzulassen und die zweite Frequenzkomponente zu blockieren.
Frequenzumsetzungsschaltung (100) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7, bei der die erste und die zweite Frequenzumsetzungsstufe (118, 120) Bipolar- oder Metalloxid-Halbleitertransistoren, die auf einem Siliziumsubstrat angeordnet sind, aufweisen.
Frequenzumsetzungsschaltung (100) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7, bei der die erste und die zweite Frequenzumsetzungsstufe (118, 120) Halbleiterbauelemente aufweisen, die auf einem Substrat angeordnet sind, das zumindest einen aus zwei Elementen bestehenden Halbleiter, einen aus drei Elementen bestehenden Halbleiter oder einen aus noch mehr Elementen bestehenden Halbleiter aufweist.
Frequenzumsetzungsschaltung (100) gemäß Anspruch 9, bei der das Summierungselement (122) auf einem Siliziumsubstrat angeordnet ist.
Frequenzumsetzungsschaltung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der der Mischer (106) ferner folgende Merkmale aufweist: eine HF-Stufe (114), die angepasst ist, um ein HF-Stromsignal basierend auf dem HF-Signal zu erzeugen; und einen Leistungsteiler (116), der mit der HF-Stufe gekoppelt und angepasst ist, um geteilte Leistungssignale zu erzeugen, die auf dem HF-Stromsignal basieren.
Frequenzumsetzungsschaltung (100) gemäß Anspruch 11, bei der der Leistungsteiler (116) eine Übertragungsleitung aufweist.
Frequenzumsetzungsschaltung (100) gemäß Anspruch 11 oder 12: bei der die erste Frequenzumsetzungsstufe (118) angepasst ist, um das erste Signal mit umgesetzter Frequenz basierend auf einem geteilten Leistungssignal bereitzustellen; und bei der die zweite Frequenzumsetzungsstufe (120) angepasst ist, um das zweite Signal mit umgesetzter Frequenz basierend auf einem geteilten Leistungssignal bereitzustellen.
Mischer (106) zum Bereitstellen eines gemischten Ausgangssignals, der folgende Merkmale aufweist: eine Hochfrequenz-(HF-)Stufe (114) mit einem ersten Differenzpaar; einen ersten Leistungsteiler (116a), der mit einem ersten Transistor (202) des ersten Differenzpaars gekoppelt ist; einen zweiten Leistungsteiler (116b), der mit einem zweiten Transistor (204) des ersten Differenzpaars gekoppelt ist; eine erste Frequenzumsetzungsstufe (118), die angepasst ist, um ein erstes Signal mit umgesetzter Frequenz bereitzustellen, wobei die erste Frequenzumsetzungsstufe (118) ein zweites Differenzpaar (212), das mit dem zweiten Leistungsteiler (116b) gekoppelt ist, und ein drittes Differenzpaar (214), das mit dem ersten Leistungsteiler (116a) gekoppelt ist, aufweist; eine zweite Frequenzumsetzungsstufe (120), die angepasst ist, um ein zweites Signal mit umgesetzter Frequenz bereitzustellen, wobei die zweite Frequenzumsetzungsstufe (120) ein viertes Differenzpaar (216), das mit dem zweiten Leistungsteiler (116b) gekoppelt ist, und ein fünftes Differenzpaar (218), das mit dem ersten Leistungsteiler (116a) gekoppelt ist, aufweist.
Mischer (106) gemäß Anspruch 14, bei dem der erste und der zweite Leistungsteiler (116a, 116b) eine Übertragungsleitung aufweisen.
Mischer (106) gemäß Anspruch 14 oder 15, der ferner folgendes Merkmal aufweist: ein Summierungselement (122), das angepasst ist, um das erste Signal mit umgesetzter Frequenz mit dem zweiten Signal mit umgesetzter Frequenz zu summieren, wodurch das gemischte Ausgangssignal bereitgestellt wird.
Mischer (106) gemäß Anspruch 16, bei dem der erste und der zweite Transistor (202, 204) des ersten Differenzpaars auf einem Substrat gebildet sind, das zumindest einen aus zwei Elementen bestehenden Halbleiter, einen aus drei Elementen bestehenden Halbleiter oder einen aus noch mehr Elementen bestehenden Halbleiter aufweist.
Mischer (106) gemäß Anspruch 17, bei dem das Summierungselement (122) Halbleiterbauelemente aufweist, die auf einem Siliziumsubstrat gebildet sind.
Verfahren zum Bereitstellen eines gemischten Ausgangssignals, das folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines Hochfrequenz-Eingangssignals, das eine HF-Frequenz aufweist; basierend auf dem Hochfrequenz-Eingangssignal, Erzeugen eines geteilten Stromsignals, das die HF-Frequenz aufweist; basierend auf dem geteilten Stromsignal, Erzeugen eines ersten und eines zweiten Signals mit umgesetzter Frequenz, die eine umgesetzte Frequenz umfassen, die sich von der HF-Frequenz unterscheidet; und Summieren von Beträgen des ersten und des zweiten Signals mit umgesetzter Frequenz, um ein gemischtes Ausgangssignal zu erzeugen.
Verfahren gemäß Anspruch 19, bei dem das Erzeugen des ersten und des zweiten Signals mit umgesetzter Frequenz außerdem basierend auf einem Oszillationssignal mit einer Oszillationsfrequenz, die sich von der HF-Frequenz unterscheidet, stattfindet.
Verfahren gemäß Anspruch 20, bei dem das erste und das zweite Signal mit umgesetzter Frequenz jeweils folgende Merkmale aufweisen: eine erste Frequenzkomponente, die gleich einer Summe der HF-Frequenz plus der Oszillationsfrequenz ist; und eine zweite Frequenzkomponente, die gleich einer Differenz zwischen der HF-Frequenz und der Oszillationsfrequenz ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 19 bis 21, bei dem das gemischte Ausgangssignal einen Betrag aufweist, der größer ist als Beträge des ersten und des zweiten Signals mit umgesetzter Frequenz.
Frequenzumsetzungsschaltung zum Abwärtsumsetzen eines Hochfrequenz-(HF-)Signals mit einer HF-Frequenz, die folgende Merkmale aufweist: eine Einrichtung zum Bereitstellen eines ersten Oszillationssignals und eines zweiten Oszillationssignals, die sich eine Oszillationsfrequenz teilen; und eine Einrichtung zum Bereitstellen eines ersten Signals mit umgesetzter Frequenz als eine Funktion des HF-Signals und des ersten Oszillationssignals; eine Einrichtung zum Bereitstellen eines zweiten Signals mit umgesetzter Frequenz als eine Funktion des HF-Signals und des zweiten Oszillationssignals; und eine Einrichtung zum Summieren des ersten Signals mit umgesetzter Frequenz mit dem zweiten Signal mit umgesetzter Frequenz, wodurch ein gemischtes Ausgangssignal bereitgestellt wird.