DE102017117900A1 - High-frequency signal generation unit - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit (1), insbesondere zur Verwendung in FMCW-basierten Distanz- und Geschwindigkeitsmessgeräten. Die Hochfrequenz-Erzeugungseinheit (1) zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass die Frequenz (f) von deren Hochfrequenz-Oszillator (11) mittels eines ersten, „feinen“, Steuersignals (s) und mittels eines zweiten, „groben“ Steuersignals (s') gesteuert wird. Dabei wird das zusätzliche, zweite Steuersignal (s') durch einen ersten Frequenzwandler (15) erzeugt, der ausgelegt ist, um mittels des eigentlichen Regelsignals (s) ein zweites Regelsignal (s') derart mit einer zweiten Regelfrequenz (f') zu erzeugen, so dass die zweite Regelfrequenz (f') in Bezug zu der eigentlichen ersten Regelfrequenz (f) um einen vordefinierten Faktor (n) geteilt ist. Hierdurch ergibt sich insbesondere bei FMCW-basierten Messgeräten der Vorteil, dass die Linearität des sägezahnförmigen Hochfrequenz-Signals (s) erhöht wird. Dies steigert wiederum die maximal erzielbare Auflösung bei der Geschwindigkeits- oder Distanzmessung.The invention relates to a high-frequency signal generating unit (1), in particular for use in FMCW-based distance and speed measuring devices. According to the invention, the high-frequency generation unit (1) is characterized in that the frequency (f) of its high-frequency oscillator (11) by means of a first, "fine", control signal (s) and by means of a second, "coarse" control signal (s ') is controlled. In this case, the additional second control signal (s') is generated by a first frequency converter (15) which is designed to generate a second control signal (s') with a second control frequency (f ') by means of the actual control signal (s) in that the second control frequency (f ') is divided by a predefined factor (n) relative to the actual first control frequency (f). This results in particular in FMCW-based measuring devices the advantage that the linearity of the sawtooth-shaped high-frequency signal (s) is increased. This in turn increases the maximum achievable resolution in the speed or distance measurement.
Description
Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit für ein FMCW-basiertes Distanz- oder Geschwindigkeitsmessgerät.The invention relates to a high-frequency signal generation unit for an FMCW-based distance or speed measuring device.
Radar-basierte Distanz- und Geschwindigkeitsmessung wird in einem breiten Anwendungsspektrum genutzt, beispielsweise zur Positionsbestimmung in der Luftfahrt, zur Distanz- bzw. Geschwindigkeitsmessung bei Kraftfahrzeugen oder auch zur Füllstandsmessung in industriellen Prozessanlagen.Radar-based distance and speed measurement is used in a wide range of applications, for example for position determination in aviation, for distance or speed measurement in motor vehicles or for level measurement in industrial process plants.
Als Messverfahren können hierzu prinzipiell das sogenannte Puls-Laufzeit-Verfahren oder auch das FMCW-Verfahren („Frequency Modulated Continuos Wave“, im Deutschen auch bekannt als Dauerstrichradar) eingesetzt werden. Beide Messverfahren werden innerhalb von vordefinierten Radar-Frequenzbändern betrieben (im Rahmen dieser Erfindung beziehen sich die Begriffe „Hochfrequenz“ und „Radar“ auf Signale bzw. elektromagnetische Wellen mit Frequenzen zwischen 0.3 GHz und 300 GHz).In principle, the so-called pulse transit time method or also the FMCW method ("Frequency Modulated Continuos Wave", also known in German as continuous wave radar) can be used as the measuring method. Both measurement methods are operated within predefined radar frequency bands (in the context of this invention, the terms "high frequency" and "radar" refer to signals or electromagnetic waves with frequencies between 0.3 GHz and 300 GHz).
Im Falle von Füllstandsmessung wird üblicherweise in Radar-Frequenzbändern bei 6 GHz, 26 GHz oder 79 GHz gearbeitet. Dabei sind die höherliegenden Frequenzbänder bevorzugt, da eine kompaktere Antenne verwendet werden kann, ohne dass die Bündelungs-Wirkung der Antenne vermindert wird.In the case of level measurement is usually worked in radar frequency bands at 6 GHz, 26 GHz or 79 GHz. In this case, the higher frequency bands are preferred, since a more compact antenna can be used, without the bundling effect of the antenna is reduced.
Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung höherer Frequenzbänder besteht darin, dass eine größere absolute Bandbreite genutzt werden kann. Dies ermöglicht wiederum eine höhere Auflösung der Distanzmessung. Insbesondere bei der Füllstandsmessung stellt dies eine wichtige Anforderung dar, denn hier ist speziell bei großen Behältern eine möglichst genaue Kenntnis des Füllstandes gefragt. Daher ist es erstrebenswert, Füllstandsmessung oder Distanz- bzw. Geschwindigkeitsmessung im Allgemeinen bei möglichst hohen Frequenzen zu betreiben.Another advantage of using higher frequency bands is that greater absolute bandwidth can be used. This in turn allows a higher resolution of the distance measurement. This is an important requirement, especially in the case of level measurement, because here the most accurate possible knowledge of the filling level is required, especially in the case of large containers. Therefore, it is desirable to operate level measurement or distance or speed measurement generally at the highest possible frequencies.
Bei FMCW-basierter Distanz- bzw. Geschwindigkeitsmessung gibt es für Frequenzen bis ungefähr 79 GHz bereits schaltungstechnisch ausgereifte Lösungen zur Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenz-Signals mittels entsprechender Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheiten. Die Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit speist hierbei eine Sende-Antenne, wodurch das eigentliche Radar-Sendesignal erzeugt und abgestrahlt wird. Dementsprechend wird die Frequenz des Radar-Sendesignals durch die Hochfrequenzbaugruppe festgelegt.With FMCW-based distance or speed measurement, there are already technically perfected solutions for frequencies up to approximately 79 GHz for generating a high-frequency electrical signal by means of corresponding high-frequency signal generation units. The high-frequency signal generating unit in this case feeds a transmitting antenna, whereby the actual radar transmission signal is generated and emitted. Accordingly, the frequency of the radar transmission signal is determined by the high frequency assembly.
Geeignete Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheiten zur Erzeugung von Hochfrequenz-Signalen für FMCW-Radar für Frequenzen bis ca. 79 GHz sind bereits bekannt. In diesem Zusammenhang sei exemplarisch die Veröffentlichungsschrift
Kern der dortigen Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit ist ein Hochfrequenz-Oszillator (in der Regel wird hierfür ein VCO, also ein „Voltage Controlled Oscillator“ eingesetzt), der ein entsprechendes Hochfrequenz-Signal erzeugt. Die für FMCW typische sägezahnförmige Frequenzänderung des Hochfrequenz-Signals wird hierbei über die PLL-basierte Rückkopplungsschaltung eingestellt:Core of the local high-frequency signal generating unit is a high-frequency oscillator (usually this is a VCO, so a "Voltage Controlled Oscillator" used), which generates a corresponding high-frequency signal. The FMCW typical sawtooth frequency change of the high-frequency signal is set here via the PLL-based feedback circuit:
Die Rückkopplung ist realisiert, indem aus dem Hochfrequenz-Signal des Hochfrequenz-Oszillators über einen Frequenzteiler ein Regelsignal abgezweigt wird. Dieses wird einem Phasenkomparator zugeführt, welcher die momentane Phasenlage mit der eines frequenzkonstanten Referenzsignals vergleicht. Die Frequenz des Referenzsignals liegt dabei in Bereichen von vorzugsweise 10 MHz bis 100 MHz und kann mittels eines entsprechenden Quarzoszillators erzeugt werden. Der Phasenkomparator steuert den VCO über ein analoges DC-Signal, wobei sich der Spannungswert des DC-Signals nach der momentanen Phasenlage an den Eingängen des Phasenkomparators richtet.The feedback is realized by a control signal is diverted from the high-frequency signal of the high-frequency oscillator via a frequency divider. This is fed to a phase comparator, which compares the instantaneous phase position with that of a frequency-constant reference signal. The frequency of the reference signal is in the range of preferably 10 MHz to 100 MHz and can be generated by means of a corresponding quartz oscillator. The phase comparator controls the VCO via an analog DC signal, wherein the voltage value of the DC signal depends on the instantaneous phase position at the inputs of the phase comparator.
Vor allem die Realisierung einer hohen Bandbreite erfordert eine Auslegung des Phasenkomparators mit geeigneten Halbleiterbauteilen (insbesondere mit geeigneten Ladungspumpen, auch bekannt unter dem englische Begriff „Charge Pump“), deren Durchbruchspannung hoch genug ist. In der Regel werden entsprechende Phasenkomparatoren bzw. deren Ladungspumpen daher mit einer Durchbruchspannung von mehr als 2 V konzipiert. Nachteilhaft an der Verwendung solcher Phasenkomparatoren ist jedoch, dass sie die Regelgeschwindigkeit der PLL-Schleife begrenzen und damit sowohl die Linearität des sägezahnförmigen Hochfrequenz-Signals herabsetzen, als auch begrenzend auf die spektrale Reinheit des Ausgangssignals wirken. Dies limitiert wiederum die erzielbare Auflösung und Genauigkeit bei der Geschwindigkeits- oder Distanzmessung.Above all, the realization of a high bandwidth requires a design of the phase comparator with suitable semiconductor components (in particular with suitable charge pumps, also known by the term "charge pump"), whose breakdown voltage is high enough. As a rule, corresponding phase comparators or their charge pumps are therefore designed with a breakdown voltage of more than 2V. A disadvantage of the use of such phase comparators, however, is that they limit the control speed of the PLL loop and thus reduce both the linearity of the sawtooth-shaped high-frequency signal, as well as limiting effect on the spectral purity of the output signal. This in turn limits the achievable resolution and accuracy in the speed or distance measurement.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit für ein FMCW-Radar basiertes Distanz- oder Geschwindigkeits-Messgerät bereitzustellen, mit dem eine erhöhte Messgenauigkeit möglich ist.The invention is therefore based on the object to provide a high-frequency signal generating unit for a FMCW radar-based distance or speed measuring device, with which an increased measurement accuracy is possible.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit, die folgende Komponenten umfasst:
- - Einen elektrischen Hochfrequenz-Oszillator zur Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenz-Signals mit einer steuerbaren Frequenz,
- - einen Frequenzteiler, der ausgestaltet ist, um mittels des Hochfrequenz-Signals ein erstes Regelsignal derart mit einer ersten Regelfrequenz zu erzeugen, dass die erste Regelfrequenz in Bezug zu der Frequenz des Hochfrequenz-Signals um einen Teilerfaktor verringert ist,
- - eine Takteinheit zur Erzeugung eines ersten Taktsignals, mit einer ersten Taktfrequenz, und
- - einen ersten Phasenkomparator (auch bekannt als Phasen-Frequenz-Detektor), der so verschaltet ist, um mittels des ersten Regelsignals und des ersten Taktsignals ein erstes Steuersignal zur Steuerung des Hochfrequenz-Oszillators zu erzeugen.
- - A high frequency electrical oscillator for generating a high frequency electrical signal having a controllable frequency,
- a frequency divider configured to generate, by means of the high frequency signal, a first control signal having a first control frequency such that the first control frequency is reduced by a divisor factor with respect to the frequency of the high frequency signal,
- - A clock unit for generating a first clock signal, with a first clock frequency, and
- - A first phase comparator (also known as phase-frequency detector), which is so connected to generate by means of the first control signal and the first clock signal, a first control signal for controlling the high-frequency oscillator.
Erfindungsgemäß zeichnet sich die Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit aus, durch:
- - Einen ersten Frequenzwandler, der ausgelegt ist, um mittels des ersten Regelsignals ein zweites Regelsignal derart mit einer zweiten Regelfrequenz zu erzeugen, dass die zweite Regelfrequenz in Bezug zu der ersten Regelfrequenz um einen vordefinierten Faktor geteilt ist,
- - einen zweiten Frequenzwandler, der ausgelegt ist, um mittels des ersten Taktsignals ein zweites Taktsignal derart mit einer zweiten Taktfrequenz zu erzeugen, dass die zweite Taktfrequenz in Bezug zu der ersten Taktfrequenz um den vordefinierten Faktor geteilt ist, und
- - einen zweiten Phasenkomparator, der so verschaltet ist, um mittels des zweiten Taktsignals und des zweiten Regelsignals ein zweites Steuersignal zu erzeugen.
- A first frequency converter configured to generate, by means of the first control signal, a second control signal having a second control frequency such that the second control frequency is divided by a predefined factor with respect to the first control frequency,
- a second frequency converter configured to generate, by means of the first clock signal, a second clock signal having a second clock frequency such that the second clock frequency is divided by the predefined factor with respect to the first clock frequency, and
- a second phase comparator connected to generate a second control signal by means of the second clock signal and the second control signal.
Eine erhöhte Auflösung kann mittels der erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit besonders dann erreicht werden, wenn digitale Phasenkomparatoren eingesetzt werden, so dass dem ersten Phasenkomparator eine erste Ladungspumpe zur Digital-/Analog-Wandlung des ersten Steuersignals nachgeschaltet ist, und dass dem zweiten Phasenkomparator eine zweite Ladungspumpe zur Digital-/Analog-Wandlung des zweiten Steuersignals nachgeschaltet ist. Insbesondere in diesem Fall ergibt sich der Vorteil, dass der zweite Phasenkomparator mit einer zweiten Ladungspumpe konzipierbar ist, die ein schnelleres Schaltverhalten als die erste Ladungspumpe des ersten Phasenkomparators aufweist. Zusätzlich oder alternativ hierzu kann die zweite Ladungspumpe mit einer höheren Durchbruchspannung als die der der ersten Ladungspumpe ausgelegt werden, sofern der Faktor des ersten Frequenzwandlers und des zweiten Frequenzwandlers größer als 1 ist. Somit kann das Hochfrequenz-Signal erfindungsgemäß sowohl mit einer hohen Bandbreite, als auch mit einer hohen Linearität und spektraler Reinheit erzeugt werden, so dass hierdurch eine hochauflösende Distanzmessung ermöglicht wird. An increased resolution can be achieved by means of the high-frequency signal generating unit according to the invention, especially when digital phase comparators are used, so that the first phase comparator, a first charge pump for digital / analog conversion of the first control signal is connected downstream, and that the second phase comparator, a second charge pump downstream of the digital / analog conversion of the second control signal. In particular in this case there is the advantage that the second phase comparator can be designed with a second charge pump, which has a faster switching behavior than the first charge pump of the first phase comparator. Additionally or alternatively, the second charge pump may be designed with a higher breakdown voltage than that of the first charge pump, provided that the factor of the first frequency converter and the second frequency converter is greater than 1. Thus, the high-frequency signal according to the invention can be generated both with a high bandwidth, as well as with a high linearity and spectral purity, so that thereby a high-resolution distance measurement is made possible.
Die Ansteuerung des Hochfrequenz-Oszillators mittels des ersten Steuersignals und des zweiten Steuersignals kann im Rahmen der Erfindung von dem jeweils eingesetzten Typ an Hochfrequenz-Oszillator abhängig gemacht werden: Für den Fall, dass der Hochfrequenz-Oszillator lediglich einen ersten Steuereingang zur Steuerung der Oszillator-Frequenz bzw. der Frequenz des Hochfrequenz-Signals aufweist (dies ist beispielsweise bei Standard-VCO's nach dem Stand der Technik der Fall), kann ein Additions-Knoten innerhalb der Hochfrequenz-Erzeugungseinheit vorgesehen werden, der das erste Steuersignal und das zweite Steuersignal (bzw. deren Spannungs- oder Stromwerte) addieret, um die addierten Signale dem ersten Steuereingang des Hochfrequenz-Oszillators zuzuführen.The control of the high-frequency oscillator by means of the first control signal and the second control signal can be made dependent on the particular type of high-frequency oscillator used in the invention: In the event that the high-frequency oscillator only a first control input for controlling the oscillator Frequency or the frequency of the high-frequency signal has (for example, in the case of standard prior art VCO's), an addition node within the high frequency generating unit can be provided, the first control signal and the second control signal (or their voltage or current values) is added to supply the added signals to the first control input of the high frequency oscillator.
Daneben gibt es auch Typen von Hochfrequenz-Oszillatoren, die neben dem ersten Steuereingang für ein „grobes“, erstes Steuersignal (also ein vergleichsweise langsames Steuersignal mit einem großen Spannungsbereich) auch einen zweiten Steuereingang für ein zweites „feines“ Steuersignal (also ein schnelleres Steuersignal mit jedoch verkleinertem Spannungsbereich) aufweisen. Solch ein Typ Hochfrequenz-Oszillator ist beispielsweise in der Veröffentlichungsschrift
Welches der beiden Steuersignale das „grobe und schnelle“ bzw. das „feine, aber langsame“ Steuersignal ist, hängt bei der erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit von dem Faktor ab, mit dem der erste Frequenzwandler und der zweite Frequenzwandler das Taktsignal bzw. das Regelsignal teilt: Sofern der erste Frequenzwandler und der zweite Frequenzwandler so ausgelegt sind, dass der Faktor größer als 1 ist, handelt es sich bei dem eigentlichen, ersten Steuersignal um das schnellere Steuersignal. Diesbezüglich besteht eine erfindungsgemäße Weiterentwicklung darin, dass der erste Frequenzwandler und der zweite Frequenzwandler so ausgelegt sind, dass der Faktor veränderbar ist (beispielsweise in einem Wertebereich zwischen 1 und 10). Dies könnte beispielsweise implementiert werden, wenn die erfindungsgemäße Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit aus hybriden Bauteilen aufgebaut ist, deren Bauteile aufeinander abzustimmen sind.Which of the two control signals is the "coarse and fast" or the "fine but slow" control signal depends on the factor according to the invention with which the first frequency converter and the second frequency converter divide the clock signal or the control signal If the first frequency converter and the second frequency converter are designed so that the factor is greater than 1, the actual, first control signal is the faster control signal. In this regard, a further development according to the invention is that the first frequency converter and the second frequency converter are designed so that the Factor is changeable (for example in a value range between 1 and 10). This could be implemented, for example, if the high-frequency signal generation unit according to the invention is constructed from hybrid components whose components are to be matched to one another.
Die beim FMCW-Prinzip erforderliche, sägezahnförmige Frequenzänderung des Hochfrequenzsignals kann bei der erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit analog zum Stand der Technik auf verschiedene Arten realisiert werden: Zum einen kann der Frequenzteiler so ausgelegt werden, dass der Teilerfaktor (periodisch linear in einem vordefinierten Wertebereich) veränderbar ist. Hierzu kann der Frequenzteiler beispielsweise als „Fractional N Converter“ implementiert werden. Sofern der Frequenzteiler hingegen mit einem fest voreinstellbaren Teilerfaktor konzipiert ist, ist ein Frequenz-Stellglied, insbesondere ein DDS-Baustein, vorzusehen, mittels dem die Frequenz des Taktsignals veränderbar ist. In diesem Fall ist das Frequenz-Stellglied direkt hinter der Takteinheit anzuordnen, so dass die Frequenz für sowohl das Taktsignal am ersten Phasenkomparator als auch das Taktsignal am zweiten Phasenkomparator durch das Frequenz-Stellglied verändert wird.The sawtooth-shaped frequency change of the high-frequency signal required by the FMCW principle can be implemented in various ways in the high-frequency signal generation unit according to the invention. First, the frequency divider can be designed such that the divider factor (periodically linear in a predefined value range) can be changed is. For this purpose, the frequency divider can be implemented, for example, as a "fractional N converter". If, however, the frequency divider is designed with a permanently presettable divider factor, a frequency actuator, in particular a DDS component, must be provided by means of which the frequency of the clock signal can be changed. In this case, the frequency actuator is to be placed directly behind the clock unit, so that the frequency for both the clock signal on the first phase comparator and the clock signal on the second phase comparator is changed by the frequency actuator.
Analog zum Stand der Technik ist es auch im Falle der erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit zwecks Erhöhung der Auflösung von Vorteil, wenn der Hochfrequenz-Oszillator ausgelegt ist, um das Hochfrequenz-Signal mit einer Frequenz von höher als 70 GHz, insbesondere höher als 120 GHz zu erzeugen. Eine (weitere) Erhöhung der Frequenz kann zudem erzielt werden, wenn ein Frequenzvervielfacher zur Frequenzvervielfachung des Hochfrequenz-Signals vorgesehen ist.Analogously to the prior art, it is also advantageous in the case of the high-frequency signal generation unit according to the invention for increasing the resolution if the high-frequency oscillator is designed to receive the high-frequency signal with a frequency of higher than 70 GHz, in particular higher than 120 GHz produce. A (further) increase in the frequency can also be achieved if a frequency multiplier for frequency multiplication of the high-frequency signal is provided.
Bei beiden Steuersignalen bietet es sich zwecks Filterung von insbesondere hochfrequenten Störsignalen an, dass die erfindungsgemäße Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit einen ersten Filter, insbesondere einen ersten Tiefpass-Filter, zur Filterung des ersten Steuersignals, und/oder einen zweiten Filter, insbesondere einen zweiten Tiefpass-Filter, zur Filterung des zweiten Steuersignals umfasst. Auch hierdurch wird die Regelung der gesamten Regelschleife verbessert.In the case of both control signals, for the purpose of filtering in particular high-frequency interference signals, the high-frequency signal generation unit according to the invention offers a first filter, in particular a first low-pass filter for filtering the first control signal, and / or a second filter, in particular a second low-pass filter , for filtering the second control signal. This also improves the control of the entire control loop.
Da mittels der erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit im Hinblick auf das FMCW-Prinzip die Linearität des sägezahnförmigen Hochfrequenz-Signals erhöht werden kann, besteht eine bevorzugte Implementierung in einem FMCW-Radar basierten Distanz- oder Geschwindigkeits-Messgerät: Ein solches Messgerät umfasst dementsprechend:
- - Eine Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit in zumindest einer der zuvor genannten Ausführungsvarianten, wobei das Distanz- oder Geschwindigkeits-Messgerät ausgelegt ist, um die Frequenz des Hochfrequenz-Signals innerhalb einer vorbestimmten Frequenzdifferenz periodisch, insbesondere sägezahnförmig zu ändern,
- - eine Sende-/Empfangs-Einheit, die aufgebaut ist, um mittels des Hochfrequenz-Signals ein Radar-Signal in Richtung eines Objektes, dessen Distanz oder Geschwindigkeit zu bestimmen ist, auszusenden, sowie ein vom Objekt reflektiertes Echo-Signal zu empfangen, und
- - eine Auswerte-Einheit, die ausgelegt ist, um anhand des Echo-Signals die Distanz und/oder die Geschwindigkeit des Objekts zu bestimmen.
- A high-frequency signal generating unit in at least one of the previously mentioned embodiments, wherein the distance or speed measuring device is designed to change the frequency of the high-frequency signal within a predetermined frequency difference periodically, in particular sawtooth-shaped
- a transmitting / receiving unit configured to emit, by means of the high-frequency signal, a radar signal in the direction of an object whose distance or speed is to be determined, and to receive an echo signal reflected by the object, and
- an evaluation unit which is designed to determine the distance and / or the speed of the object on the basis of the echo signal.
Durch die Implementierung der erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit kann somit die Auflösung der Distanz- oder Geschwindigkeitsmessung erhöht werden. Vor allem die Auflösung der Distanz bzw. des Füllstandes stellt bei Radar-basierter Füllstandsmessung einen zentralen Aspekt dar. Daher bietet es sich zudem vorteilhaft an, das FMCW-Radar basierte Distanz- oder Geschwindigkeits-Messgerätes, in dem die erfindungsgemäße Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit implementiert ist, zur Messung eines Füllstandes eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes zu verwenden.By implementing the high-frequency signal generation unit according to the invention, the resolution of the distance or speed measurement can thus be increased. Above all, the resolution of the distance or of the filling level represents a central aspect in radar-based level measurement. Therefore, it is also advantageous to use the FMCW radar-based distance or speed measuring device in which the high-frequency signal generation unit according to the invention is implemented to use for measuring a level of a filling material located in a container.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
-
1 : Eine Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit nach dem Stand der Technik, -
2 : ein für FMCW typisches, sägezahnförmiges Hochfrequenz-Signal, -
3 : eine standartmäßige Verschaltung der Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit zur FMCW-basierten Distanz- oder Geschwindigkeits-Messung, -
4 : eine erfindungsgemäße Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit, und -
5 : eine mögliche Verwendung der erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit in einem Füllstandsmessgerät.
-
1 : A high-frequency signal generation unit according to the prior art, -
2 : a typical FMCW sawtooth RF signal, -
3 a standard connection of the high-frequency signal generation unit to the FMCW-based distance or speed measurement, -
4 a high-frequency signal generation unit according to the invention, and -
5 A possible use of the high-frequency signal generation unit according to the invention in a fill level measuring device.
Zum Verständnis der erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Erzeugungseinheit
Dabei wird die Frequenz
Der Phasenkomparator
In Abhängigkeit der Phasendifferenz zwischen dem Regelsignal
Bei Verwendung eines VCO's als Hochfrequenz-Oszillator
Der bei FMCW-Radar übliche, sägezahnförmige Frequenzverlauf des Hochfrequenz-Signals
Entweder ist es möglich, den Frequenzteiler
Alternativ ist es auch möglich, den Frequenzteiler
Die Realisierung des Hochfrequenz-Oszillators
Die Periodizität der sägezahnförmigen Änderung kann, wie beim FMCW-Verfahren typisch, in einer Größenordnung von bis zu einigen 100 MHz liegen. Die Frequenzdifferenz
In
Durch die Reflektion des Radar-Signals
Nach Empfang wird das Echo-Signal
Wie im Kontext zu
Insbesondere schnelle CMOS Transistoren mit Schaltfrequenzen über 1 GHz, wie sie für Ladungspumpen erforderlich sind, weisen jedoch eine vergleichsweise geringe Durchlassspannung von unterhalb 1 V auf. Damit ist es wiederum nicht möglich, die Ladungspumpe
Eine erfindungsgemäße Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der erste Phasenkomparator
Die Ansteuerung des Oszillators
Alternativ hierzu kann der Hochfrequenz-Oszillator
Bei der in
In
Hierzu ist das Füllstandsmessgerät
Das Füllstandsmessgerät
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1, 1'1, 1 '
- Hochfrequenz-SignalerzeugungseinheitHigh-frequency signal generation unit
- 22
- Sende-/EmpfangseinheitTransmit / receive unit
- 33
- Auswerte-EinheitEvaluation unit
- 44
- Behältercontainer
- 55
- Füllgutfilling
- 66
- Übergeordnete EinheitParent unit
- 1010
- Summations-KnotenSumming node
- 1111
- Hochfrequenz-OszillatorHigh-frequency oscillator
- 1212
- Frequenzteilerfrequency divider
- 1313
- Takteinheitclock unit
- 14, 14' 14, 14 '
- Phasenkomparatorenphase comparators
- 15, 15'15, 15 '
- Frequenzwandlerfrequency converter
- 16, 16'16, 16 '
- Ladungspumpencharge pumps
- 1717
- Frequenz-StellgliedFrequency actuator
- 1818
- Frequenzvervielfacherfrequency
- 19, 19'19, 19 '
- Filterfilter
- 2121
- Sende-/EmpfangsweicheTransmit / receive switch
- 2222
- Sende-VerstärkerTransmit amplifier
- 2323
- Sende-AntenneTransmit antenna
- 2424
- Empfangs-AntenneReceive antenna
- 2525
- Empfangs-VerstärkerReceiving amplifier
- 2626
- Mischermixer
- dd
- Distanzdistance
- EHF E HF
- Echo-SignalEcho-signal
- eLF e LF
- Differenz-SignalDifference signal
- fc, fc'f c , f c '
- Regelfrequenzenrule frequencies
- fclock, fclock'f clock , f clock '
- Taktfrequenzenclock frequencies
- fHF HF
- Frequenz des Hochfrequenz-SignalsFrequency of the high-frequency signal
- hH
- Einbauhöheinstallation height
- LL
- Füllstandlevel
- MM
- Multiplikationsfaktormultiplication factor
- NN
- Teilerfaktordivision factor
- nn
- Faktorfactor
- SHF S HF
- Radar-SignalRadar Signal
- sc, sc's c , s c '
- Regelsignalecontrol signals
- sclock, sclock's clock , s clock '
- Referenzsignalereference signals
- sDC, sDC's DC , s DC '
- Steuersignalecontrol signals
- sHF s HF
- Hochfrequenz-SignalHigh-frequency signal
- Δf.delta.f
- Frequenzdifferenzfrequency difference
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- US 20140241335 A1 [0016, 0043]US 20140241335 A1 [0016, 0043]
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Representative=s name: ANDRES, ANGELIKA, DIPL.-PHYS., DE |
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