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 DE 10 2013 105 A1 genannt. Dort ist eine typischerweise eingesetzte Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit nach dem Stand der Technik gezeigt, die auf Basis einer PLL („Phase Locked Loop“) aufgebaut ist:Suitable high-frequency signal generation units for generating high-frequency signals for FMCW radar for frequencies up to about 79 GHz are already known. In this connection, the publication publication is exemplary DE 10 2013 105 A1 called. There is shown a typical high-frequency signal generating unit according to the prior art, which is based on a PLL ("Phase Locked Loop") is constructed:

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.
The invention achieves this object by a high-frequency signal generation unit comprising the following components:
  • - 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.
Hierbei ist die Hochfrequenz-Erzeugungseinheit derart ausgelegt, um die Frequenz des Hochfrequenz-Oszillators mittels des ersten Steuersignals und des zweiten Steuersignals steuern.According to the invention, the high-frequency signal generating unit is characterized by:
  • 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.
Here, the high-frequency generating unit is designed to control the frequency of the high-frequency oscillator by means of the first control 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 US 20140241335 A1 gezeigt. Im Falle der erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Erzeugungseinheit kann bei Verwendung eines Hochfrequenz-Oszillators mit zwei Steuereingängen das erste Steuersignal dem ersten Steuereingang des Hochfrequenz-Oszillators zugeführt werden; Das zweite Steuersignal wird dem zweiten Steuereingang des Hochfrequenz-Oszillators zugeführt.In addition, there are also types of high-frequency oscillators, in addition to the first control input for a "coarse", first control signal (ie a comparatively slow control signal with a large voltage range) and a second control input for a second "fine" control signal (ie a faster control signal but with reduced voltage range). Such a type high frequency oscillator is disclosed in, for example, the publication US 20140241335 A1 shown. In the case of the high-frequency generating unit according to the invention, when using a high-frequency oscillator with two control inputs, the first control signal can be supplied to the first control input of the high-frequency oscillator; The second control signal is supplied to the second control input of the high-frequency oscillator.

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.
Since the linearity of the sawtooth-shaped high-frequency signal can be increased with respect to the FMCW principle by means of the high-frequency signal generation unit according to the invention, a preferred implementation is in an FMCW radar-based distance or speed measuring device. Accordingly, such a measuring device comprises:
  • 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.
Based on the following figures, the invention will be explained in more detail. It shows:
  • 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 1 sind in 1a und 1b die Ausführungsvarianten zweier Hochfrequenz-Erzeugungseinheiten 1' nach dem Stand der Technik dargestellt: Das Funktionsprinzip der dort gezeigten Ausführungsvarianten ist unter dem Begriff „Phasenregelkreis“ (im englischen als „Phase Locked Loop, PLL“ bekannt). Die Hochfrequenz-Erzeugungseinheiten 1' basieren jeweils auf einem steuerbaren, elektrischen Hochfrequenz-Oszillator 11, (standartmäßig als VCO realisiert), der ein elektrisches Hochfrequenz-Signal sHF erzeugt. Entsprechend der Anwendung bei FMCW-Radar liegt die Frequenz fHF des Hochfrequenz-Signals sHF im GHz-Bereich zwischen 1 GHz bis hin zu über 100 GHz.To understand the high-frequency generation unit according to the invention 1 are in 1a and 1b the embodiments of two high-frequency generating units 1' illustrated in the prior art: The principle of operation of the embodiments shown there is the term "phase locked loop" (in English as "Phase Locked Loop, PLL" known). The high-frequency generation units 1' are each based on one controllable, high-frequency electric oscillator 11 , (implemented by default as a VCO), which is an electrical high-frequency signal s HF generated. According to the application with FMCW radar the frequency is HF of the high-frequency signal s HF in the GHz range between 1 GHz and over 100 GHz.

Dabei wird die Frequenz fHF des Hochfrequenz-Signals sHF per Rückkopplung geregelt und somit beispielsweise gegenüber Schwankungen der Umgebungstemperatur stabilisiert: Die Rückkopplung wird realisiert, indem aus dem Hochfrequenz-Signal sHF des Hochfrequenz-Oszillators 11 ein Regelsignal sc abgezweigt und einem Phasenkomparator 14 zugeführt wird. This is the frequency HF of the high-frequency signal s HF controlled by feedback and thus stabilized, for example, to fluctuations in the ambient temperature: the feedback is realized by the high-frequency signal s HF of the high frequency oscillator 11 a control signal s c branched off and a phase comparator 14 is supplied.

Der Phasenkomparator 14 vergleicht die momentane Phasenverschiebung des Regelsignals sc zu einem frequenzkonstanten Referenzsignal sclock . Das Referenzsignal sclock weist hierbei eine exakt voreinstellbare Referenzfrequenz fclock mit vernachlässigbarem Temperaturdrift auf. Als Quelle für das Referenzsignal sclock kann beispielsweise ein Quarzoszillator eingesetzt werden, der das Referenzsignal sclock üblicherweise mit einer Frequenz fclock im Bereich zwischen 100 MHz und 1 GHz erzeugt. Um den Frequenzunterschied zwischen dem Referenzsignal sclock und dem Regelsignal sc bzw. dem Hochfrequenz-Signal sHF auszugleichen, wird die Frequenz fc des Regelsignals sc durch einen Frequenzteiler 12 mit einem entsprechenden Teilerfaktor N reduziert.The phase comparator 14 compares the instantaneous phase shift of the control signal s c to a frequency constant reference signal s clock , The reference signal s clock here has a precisely preset reference frequency f clock with negligible temperature drift on. As source for the reference signal s clock For example, a quartz oscillator can be used, which is the reference signal s clock usually with a frequency f clock generated in the range between 100 MHz and 1 GHz. To the frequency difference between the reference signal s clock and the control signal s c or the high-frequency signal s HF compensate, the frequency becomes f c of the control signal s c through a frequency divider 12 with a corresponding divider factor N reduced.

In Abhängigkeit der Phasendifferenz zwischen dem Regelsignal sc und dem Referenzsignal sclock erzeugt der Phasenkomparator 14 ein Steuersignal sDC , welches zu einem entsprechenden Steuereingang des Hochfrequenz-Oszillators 11 geführt wird. Dabei ist das Steuersignal sDC so ausgelegt, dass der Phasenkomparator 14 die Phasenverschiebung minimiert:Depending on the phase difference between the control signal s c and the reference signal s clock generates the phase comparator 14 a control signal s DC which leads to a corresponding control input of the high-frequency oscillator 11 to be led. Here is the control signal s DC designed so that the phase comparator 14 the phase shift minimizes:

Bei Verwendung eines VCO's als Hochfrequenz-Oszillator 11 erfordert dieser zur Steuerung der Frequenz fHF des Hochfrequenz-Signals sHF eine Gleichspannung. Daher ist dem digitalen Phasenkomparator 14 der in 1a und 1b gezeigten Ausführungsvarianten eine Ladungspumpe 16 (vor allem im Englischen bekannt als „Charge Pump“) nachgeschaltet. Somit wird durch die Ladungspumpe 16 eine entsprechende Digital-/Analog-Wandlung des Steuersignals sDC durchgeführt. Je nach Umsetzung der Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit 1' ist es vor oder nach der Ladungspumpe 16 gegebenenfalls zusätzlich erforderlich, eine Pegelanpassung mittels eines Pegelumsetzers (nicht dargestellt) durchzuführen. Mittels eines Filters 19, der zwischen dem Phasenkomparator 14 und dem Hochfrequenz-Oszillator 11 angeordnet ist, kann das Steuersignal sDC zudem von insbesondere hochfrequenten Störanteilen bereinigt werden. Dementsprechend ist der Filter 19 in 1a und 1b als Tiefpass ausgelegt.When using a VCO as a high-frequency oscillator 11 this requires the control of the frequency HF of the high-frequency signal s HF a DC voltage. Therefore, the digital phase comparator 14 the in 1a and 1b shown embodiments, a charge pump 16 (especially in English known as "charge pump") downstream. Thus, by the charge pump 16 a corresponding digital / analog conversion of the control signal s DC carried out. Depending on the implementation of the high-frequency signal generation unit 1' it is before or after the charge pump 16 optionally additionally required to perform a level adjustment by means of a level converter (not shown). By means of a filter 19 that between the phase comparator 14 and the high frequency oscillator 11 is arranged, the control signal s DC Moreover, be cleaned of particular high-frequency noise components. Accordingly, the filter 19 in 1a and 1b designed as a low pass.

Der bei FMCW-Radar übliche, sägezahnförmige Frequenzverlauf des Hochfrequenz-Signals sHF (siehe 2) kann in der zuvor beschriebenen Regelschleife der Hochfrequenz-Erzeugungseinheit 1' alternativ an zwei Punkten eingestellt werden:The usual with FMCW radar, sawtooth waveform of the high-frequency signal s HF (please refer 2 ) can in the previously described control loop of the high-frequency generating unit 1' alternatively be set at two points:

Entweder ist es möglich, den Frequenzteiler 12 derart auszulegen, dass sich dessen Teilerfaktor N zeitlich konstant, also quasi sägezahnförmig verändern lässt. Diese Alternative ist in 1a dargestellt: Bei solch einer Auslegung kann der Teilerfaktor N jeglichen rationellen Wert annehmen. In diesem Fall wird bei der Regelschleife auch von einer „Fractional-N PLL“ gesprochen.Either it is possible to use the frequency divider 12 interpreted in such a way that its divider factor N constant in time, that is to say change in a kind of sawtooth shape. This alternative is in 1a In such a design, the divider factor N assume any rational value. In this case, the control loop is also referred to as a "fractional-N PLL".

Alternativ ist es auch möglich, den Frequenzteiler 12 so auszulegen, dass der Teilerfaktor N des Frequenzteilers 12 auf einen ganzzahligen Wert voreingestellt wird. Dies ist in 1b dargestellt: In diesem Fall muss die Frequenz fclock des Referenzsignals sclock am entsprechenden Eingang des Phasenkomparators 14 in geeigneter Weise moduliert werden, um die sägezahnförmige Frequenzänderung des Hochfrequenz-Signals sHF zu erreichen. Hierfür kann ein geeigneter Frequenzwandler 17, beispielsweise ein DDS-Baustein („Direct Digital Synthesis“), eingesetzt werden.Alternatively, it is also possible to use the frequency divider 12 be interpreted as the divisor factor N of the frequency divider 12 is preset to an integer value. This is in 1b In this case, the frequency must be f clock the reference signal s clock at the corresponding input of the phase comparator 14 be suitably modulated to the sawtooth frequency change of the high-frequency signal s HF to reach. For this purpose, a suitable frequency converter 17 For example, a DDS module ("Direct Digital Synthesis") can be used.

Die Realisierung des Hochfrequenz-Oszillators 11 mittels eines VCO's ist unter technisch vertretbarem Aufwand lediglich bis zu Frequenzen von ca. 80 GHz sinnvoll. Auch bei dem Frequenzteiler 12 erhöht sich mit zunehmender Frequenz der Stromverbrauch und es sinkt die Eingangsempfindlichkeit. Um das Hochfrequenz-Signal sHF dennoch mit einer höheren Frequenz erzeugen zu können, kann dem Hochfrequenz-Oszillator 11, wie in 1a und 1b dargestellt, ein Frequenzvervielfacher 18 mit einem entsprechendem Multiplikationsfaktor M (beispielsweise M = 8) nachgeschaltet werden.The realization of the high-frequency oscillator 11 By means of a VCO's is technically justifiable expense only up to frequencies of about 80 GHz makes sense. Also with the frequency divider 12 the power consumption increases with increasing frequency and the input sensitivity decreases. To the high-frequency signal s HF Nevertheless, to be able to produce at a higher frequency, the high-frequency oscillator 11 , as in 1a and 1b represented, a frequency multiplier 18 with a corresponding multiplication factor M be followed (for example, M = 8).

2 zeigt den Frequenzverlauf eines für FMCW-Radar typischen Hochfrequenz-Signals sHF , das mittels der in 1 gezeigten Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheiten 1' erzeugt werden kann. In dem dort gezeigten Diagramm ist die Frequenz fHF des Hochfrequenz-Signals sHF gegenüber der Zeit t aufgetragen. Wie in 2 verdeutlicht wird, verändert sich die Frequenz fHF des Hochfrequenz-Signals sHF innerhalb einer Frequenzdifferenz Δf um ± 1 2 Δ f .

Figure DE102017117900A1_0001
Im gezeigten Fall handelt es sich, wie beim FMCW-Verfahren üblich, um eine periodische, sägezahnförmige (also innerhalb dieser Periode zeitlich linear ansteigende) Änderung der Frequenz fHF . Theoretisch ist auch die Implementierung jeglicher anderer Frequenzänderung, wie beispielsweise einer Dreiecks-förmigen oder Sinus-förmigen Änderung der Frequenz fHF möglich. 2 shows the frequency response of a FMCW radar typical high-frequency signal s HF , which by means of in 1 shown high frequency signal generating units 1' can be generated. In the diagram shown there is the frequency HF of the high-frequency signal s HF plotted against time t. As in 2 is clarified, the frequency changes HF of the high-frequency signal s HF within a frequency difference .delta.f around ± 1 2 * Δ f ,
Figure DE102017117900A1_0001
In the case shown, it is, as usual in the FMCW method, a periodic, sawtooth (ie time-linearly increasing within this period) change in frequency HF , Theoretically, the implementation of any other frequency change, such as a triangle-shaped or sinusoidal change in frequency HF possible.

Die Periodizität der sägezahnförmigen Änderung kann, wie beim FMCW-Verfahren typisch, in einer Größenordnung von bis zu einigen 100 MHz liegen. Die Frequenzdifferenz Δf wird dabei vorzugsweise so bemessen, dass sie die maximal mögliche Bandbreite umfasst (wie zuvor erwähnt, erhöht eine hohe Bandbreite potentiell die Auflösung der Distanzmessung). Im Frequenzband von 79 GHz beträgt die Bandbreite beispielsweise 4 GHz, also von 77 GHz bis 81 GHz.The periodicity of the sawtooth change, as typical in the FMCW method, may be on the order of up to a few hundred MHz. The frequency difference .delta.f is preferably sized to include the maximum possible bandwidth (as previously mentioned, a high bandwidth potentially increases the resolution of the distance measurement). In the frequency band of 79 GHz, the bandwidth is for example 4 GHz, ie from 77 GHz to 81 GHz.

In 3 ist eine mögliche Verschaltung der Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit 1, 1' gezeigt, auf deren Basis eine FMCW-basierte Distanz- oder Geschwindigkeitsmessung durchgeführt werden kann. In der Darstellung ist die Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit 1, 1', wie aus dem Stand der Technik bekannt, an eine Sende-/Empfangseinheit 2 angeschlossen. Dabei wird das von der Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit 1, 1' erzeugte Hochfrequenz-Signal sHF innerhalb der Sende-/Empfangseinheit 2 über einen Signalteiler 21 (und gegebenenfalls einem Ausgangsverstärker 22) einer Sende-Antenne 23 zugeführt. Dabei kann die Sende-Antenne 23 beispielsweise als Planar-Antenne, insbesondere als Patch- oder Fraktal-Antenne, realisiert werden. Dort wird das elektrische Hochfrequenz-Signal sHF in das eigentliche Radar-Signal SHF umgewandelt und entsprechend abgestrahlt.In 3 is a possible interconnection of the high-frequency signal generation unit 1 . 1' based on which an FMCW-based distance or speed measurement can be performed. In the illustration is the high-frequency signal generation unit 1 . 1' as known from the prior art, to a transmitting / receiving unit 2 connected. In this case, that of the high-frequency signal generating unit 1 . 1' generated high-frequency signal s HF within the sender / receiver unit 2 via a signal divider 21 (and optionally an output amplifier 22 ) of a transmitting antenna 23 fed. In this case, the transmitting antenna 23 For example, as a planar antenna, in particular as a patch or fractal antenna realized. There is the electrical high-frequency signal s HF in the actual radar signal S HF converted and emitted accordingly.

Durch die Reflektion des Radar-Signals SHF am Messobjekt wird ein entsprechendes Echo-Signal EHF an einer Empfangs-Antenne 24 der Sende-/Empfangseinheit 2 empfangen. Die Sende-Antenne 24 kann hierbei analog zur Sende-Antenne 23 ebenso als Planar-Antenne realisiert werden. Denkbar ist auch die Verwendung einer kombinierten Sende-Empfangs-Antenne, die entsprechend über eine Sende-/ Empfangsweiche mit dem Signalteiler 21 kontaktiert ist.By the reflection of the radar signal S HF the measured object receives a corresponding echo signal E HF at a receiving antenna 24 the transmitting / receiving unit 2 receive. The transmitting antenna 24 can be analogous to the transmitting antenna 23 also be realized as a planar antenna. It is also conceivable to use a combined transmit-receive antenna, the corresponding via a transmitting / receiving switch with the signal divider 21 is contacted.

Nach Empfang wird das Echo-Signal EHF in der Empfangs-Antenne 24 in ein rein elektrisches Signal zurückgewandelt (welches wiederum gegebenenfalls durch einen Empfangsverstärker 25 verstärkt werden kann). Dieses wird im Anschluss mittels eines Empfangsmischers 26 mit dem Hochfrequenz-Signal sHF der Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit 1, 1' gemischt, wobei das Hochfrequenz-Signal sHF hierfür aus dem Signalteiler 21 abgezweigt wird. Hierdurch wird ein beim FMCW-Verfahren typisches Differenz-Signal eLF erzeugt, das die Basis für die Ermittlung der Distanz oder Geschwindigkeit bildet. Dabei ist gemäß dem FMCW-Prinzip die Frequenz des DifferenzSignals eLF proportional zur Distanz des Messobjektes, so dass eine geeignete Auswerte-Einheit 3 durch eine Messung dieser Frequenz die Distanz zu dem entsprechenden Objekt 5 ermitteln kann.Upon receipt, the echo signal E HF in the receiving antenna 24 converted back into a purely electrical signal (which, in turn, optionally by a receiving amplifier 25 can be strengthened). This is then connected by means of a receiving mixer 26 with the high frequency signal s HF the high-frequency signal generation unit 1 . 1' mixed, with the high-frequency signal s HF for this purpose from the signal divider 21 is branched off. This becomes a difference signal typical of the FMCW method e LF generated, which forms the basis for determining the distance or speed. In this case, according to the FMCW principle, the frequency of the difference signal e LF proportional to the distance of the measurement object, so that a suitable evaluation unit 3 by measuring this frequency the distance to the corresponding object 5 can determine.

Wie im Kontext zu 2 erwähnt, hängt die Auflösung, mit der die Distanz bestimmt werden kann, wesentlich von der Bandbreite Δf des Hochfrequenz-Signals sHF und der Linearität von dessen zeitlicher Frequenzänderung ab. Die Linearität ist im Falle der in 1a und 1b dargestellten Hochfrequenz-Erzeugungseinheiten 1' im Wesentlichen von der Regelgeschwindigkeit der PLL-basierten Regelschleife abhängig. Zur Maximierung der Regelungsgeschwindigkeit ist es vor allem notwendig, die Ladungspumpe 16 mit entsprechend schnellen Transistoren zu konzipieren, um ein geeignetes Schaltverhalten zu erreichen.As in the context too 2 mentioned, the resolution with which the distance can be determined depends essentially on the bandwidth .delta.f of the high-frequency signal s HF and the linearity of its temporal frequency change. The linearity is in the case of in 1a and 1b shown high-frequency generating units 1' essentially dependent on the control speed of the PLL-based control loop. To maximize the control speed, it is especially necessary to charge the charge pump 16 to design with correspondingly fast transistors in order to achieve a suitable switching behavior.

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 16 so zu realisieren, dass das Steuersignal sDC in einem weiten Steuerbereich variiert werden kann. Aufgrund dessen lässt sich mit dieser Ladungspumpe 16, sofern mit schnellen Transistoren aufgebaut, nur eine geringe Frequenzdifferenz Δf bzw. eine schmale Bandbreite des Hochfrequenz-Signals sHF einstellen. Somit ist die erzielbare Auflösung mit den in 1a und 1b gezeigten Hochfrequenz-Erzeugungseinheiten 1' insgesamt limitiert.In particular, fast CMOS transistors with switching frequencies above 1 GHz, as required for charge pumps, however, have a comparatively low forward voltage of less than 1V. This again makes it impossible for the charge pump 16 to realize that the control signal s DC can be varied in a wide range of taxation. Because of this can be with this charge pump 16 , if constructed with fast transistors, only a small frequency difference .delta.f or a narrow bandwidth of the high-frequency signal s HF to adjust. Thus, the achievable resolution with the in 1a and 1b shown high frequency generating units 1' limited in total.

Eine erfindungsgemäße Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit 1, mit der eine verbesserte Auflösung erreicht werden kann, wird in 4 gezeigt: Die dort dargestellte Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit 1 umfasst neben dem ersten Phasenkomparator 14 einen zweiten Phasenkomparator 14'. Dabei wird der zweite Phasenkomparator 14' im Gegensatz zum ersten Phasenkomparator 14 nicht unmittelbar durch das Regelsignal sc bzw. das Referenzsignal sclock angesteuert. Sondern sowohl das Regelfrequenz fc als auch die Referenzfrequenz fclock werden jeweils durch einen Frequenzwandler 15, 15' um einen Faktor n (beispielsweise n = 4) geteilt, bevor sie dem zweiten Phasenkomparator 14' zugeführt werden. Dementsprechend wird der Hochfrequenz-Oszillator 11 durch das erste Steuersignal sDC des ersten Phasenkomparators 14 und zusätzlich durch ein zweites Steuersignal sDC' des zweiten Phasenkomparators 14' angesteuert.A high-frequency signal generation unit according to the invention 1 , with which an improved resolution can be achieved, is in 4 shown: The high-frequency signal generation unit shown there 1 includes next to the first phase comparator 14 a second phase comparator 14 ' , In this case, the second phase comparator 14 ' in contrast to the first phase comparator 14 not directly by the control signal s c or the reference signal s clock driven. But both the control frequency f c as well as the reference frequency f clock each by a frequency converter 15 . 15 ' by a factor n (For example, n = 4) before dividing the second phase comparator 14 ' be supplied. Accordingly, the high-frequency oscillator becomes 11 by the first control signal s DC of the first phase comparator 14 and additionally by a second control signal s DC 'of the second phase comparator 14 ' driven.

Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der erste Phasenkomparator 14' mit einer zweiten Ladungspumpe 16' konzipierbar ist, die ein schnelleres Schaltverhalten als die erste Ladungspumpe 16' des ersten Phasenkomparators 14 aufweist. Analog hierzu kann die erste Ladungspumpe 16 mit einer höheren Durchbruchspannung als bei der zweiten Ladungspumpe 16 ausgelegt werden. Somit kann das Hochfrequenz-Signal sHF erfindungsgemäß sowohl mit einer hohen Bandbreite Δf, als auch mit einer hohen Linearität erzeugt werden, so dass hierdurch eine hochauflösende und genau Distanzmessung ermöglicht wird.This has the advantage that the first phase comparator 14 ' with a second charge pump 16 ' It is conceivable that a faster switching behavior than the first charge pump 16 ' of the first phase comparator 14 having. Analogously, the first charge pump 16 with a higher breakdown voltage than the second charge pump 16 be interpreted. Thus, that can High-frequency signal s HF according to the invention both with a high bandwidth .delta.f , as well as be produced with a high linearity, so that in this way a high-resolution and accurate distance measurement is possible.

Die Ansteuerung des Oszillators 11 mittels des ersten Steuersignals sDC und des zweiten Steuersignals sDC ' ist, wie in 4 dargestellt, auf zumindest zwei verschiedene Arten möglich: Abhängig vom eingesetzten Typ an Hochfrequenz-Oszillator 11 werden der jeweilige Spannungs- bzw. Stromwert des ersten Steuersignals sDC und des zweiten Steuersignals sDC ' durch einen Summations-Knoten 10 addiert, bevor das addierte Signal dem ersten Steuereingang des Hochfrequenz-Oszillators 11 zugeführt wird. Auf diese Art ist der Hochfrequenz-Oszillator 11 beispielsweise anzusteuern, wenn dieser lediglich einen ersten Steuereingang zur Steuerung der Oszillator-Frequenz bzw. der Frequenz fHF des Hochfrequenz-Signals sHF aufweist. Dies trifft beispielsweise bei Standard-VCO's zu, die lediglich einen analogen, spannungsabhängigen Steuereingang aufweisen.The control of the oscillator 11 by means of the first control signal s DC and the second control signal s DC 'is how in 4 shown, possible in at least two different ways: Depending on the type of high-frequency oscillator used 11 become the respective voltage or current value of the first control signal s DC and the second control signal s DC 'by a summation node 10 added before the added signal to the first control input of the high-frequency oscillator 11 is supplied. This is the high frequency oscillator 11 For example, to control if this only a first control input for controlling the oscillator frequency or the frequency HF of the high-frequency signal s HF having. This applies, for example, to standard VCOs which have only one analog, voltage-dependent control input.

Alternativ hierzu kann der Hochfrequenz-Oszillator 11, sofern er neben dem ersten Steuereingang für das „grobe und schnelle“, erste Steuersignal sDC auch einen zweiten Steuereingang für das zweites „feine“ Steuersignal sDC ' aufweist (ein solcher Typ Hochfrequenz-Oszillator ist beispielsweise in der Veröffentlichungsschrift US 20140241335 A1 beschrieben), auch ohne Verwendung des Summations-Knotens 10 direkt über die zwei Steuereingänge angewendet werden. Dies ist am Hochfrequenz-Oszillator 10 in 4 mittels gestrichelter Linien dargestellt.Alternatively, the high frequency oscillator 11 , provided he next to the first control input for the "rough and fast", first control signal s DC also a second control input for the second "fine" control signal s DC (Such a type of high frequency oscillator is for example in the publication US 20140241335 A1 described), even without the use of the summation node 10 directly across the two control inputs. This is the high frequency oscillator 10 in 4 represented by dashed lines.

Bei der in 4 dargestellten Ausführungsvariante ist der Frequenzteiler 12 als „Fractional-N Converter“ ausgelegt. Dementsprechend ist der Teilerfaktor N veränderbar, so dass hierüber analog zu 1b die rampenförmige Frequenzänderung des Hochfrequenz Signals SHF einstellbar ist. Es versteht sich von selbst, dass im Sinne der Erfindung auch die in 1a gezeigte Variante zur Einstellung der Frequenzänderung mittels eines zusätzlichen Frequenz-Stellgliedes 17 implementiert werden kann. In diesem Fall ist das Frequenz-Stellglied 17 direkt hinter der Takteinheit 13 anzuordnen, so dass die Taktfrequenz fclock des Taktsignals sclock durch das Frequenz-Stellglied 17 sowohl am ersten Phasenkomparator 14 als auch am zweiten Phasenkomparator 14' verändert wird.At the in 4 illustrated embodiment is the frequency divider 12 designed as a "fractional-N converter". Accordingly, the divider factor N changeable, so that analogous to 1b the ramped frequency change of the high frequency signal S HF is adjustable. It goes without saying that for the purposes of the invention, the in 1a shown variant for adjusting the frequency change by means of an additional frequency actuator 17 can be implemented. In this case, the frequency actuator 17 directly behind the clock unit 13 arrange so that the clock frequency f clock of the clock signal s clock through the frequency actuator 17 both at the first phase comparator 14 as well as the second phase comparator 14 ' is changed.

In 5 ist eine mögliche Anwendung der erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Signalerzeugungs-Einheit 1 in einem nach dem FMCW Radar-Prinzip arbeitenden Füllstandsmessgerät 1, 2, 3 gezeigt. Es ist eine typische Messsituation dargestellt, bei der sich im Inneren eines Behälters 4 ein Füllgut 5 befindet. Dabei ist der Füllstand L des Füllgutes 5 durch das Füllstandsmessgerät 1, 2, 3 in Bezug zum Behälterboden zu bestimmen. In 5 is a possible application of the high-frequency signal generation unit according to the invention 1 in a level measuring device working according to the FMCW radar principle 1 . 2 . 3 shown. It is a typical measurement situation, which is seen inside a container 4 a product 5 located. Here is the level L of the contents 5 through the level gauge 1 . 2 . 3 in relation to the container bottom.

Hierzu ist das Füllstandsmessgerät 1, 2, 3 in einer vorbekannten Einbauhöhe h oberhalb des Füllgutes 5 am Behälter 4 angebracht. Dabei kann der Behälter 4 je nach Einsatzgebiet bis zu mehr als 30 m hoch sein.For this purpose, the level gauge 1 . 2 . 3 in a known installation height H above the contents 5 on the container 4 appropriate. In this case, the container 4 Depending on the area of use, be up to more than 30 m high.

Das Füllstandsmessgerät 1, 2, 3 ist beispielsweise mittels einer Flanschverbindung an der Oberseite des Behälters 2 angeordnet, dass es das Radar-Signal SHF über die Sende-/Empfangseinheit 2 in Richtung des Füllgutes 5 aussendet. Nach Reflektion an der Füllgut-Oberfläche empfängt das Füllstandsmessgerät 1, 2, 3 das Echo-Signal EHF wieder über die Sende-/Empfangseinheit 2. Dabei ist die Laufzeit zwischen Aussenden des Radar-Signals SHF und Empfang des Echo-Signals EHF , die beim FMCW-Prinzip in Form einer Differenzfrequenz gemessen wird, abhängig von der Entfernung d zur Oberfläche des Füllgutes 5. Die anschließende Berechnung des Füllstandes L aus der Entfernung d zur Füllgutoberfläche erfolgt durch das Füllstandsmessgerät 3 unter Kenntnis von dessen Einbauhöhe h: L = h - d. Dabei kann der Füllstand L aufgrund der erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit 1 mit einer sehr guten Auflösung bestimmt werden. In der Regel ist das Füllstandsmessgerät 1, 2, 3 über ein Bussystem, etwa „PROFIBUS“, „HART“ oder „Wireless HART“ mit einer übergeordneten Einheit 6, beispielsweise einem Prozessleitsystem, verbunden. Hierüber kann einerseits der Wert des Füllstandes L übermittelt werden, um gegebenenfalls am Behälter vorhandene Zu- oder Abflüsse zu steuern. Daneben können beispielsweise aber auch zusätzliche Informationen über den Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 1, 2, 3 kommuniziert werden.The level gauge 1 . 2 . 3 is for example by means of a flange at the top of the container 2 arranged that it is the radar signal S HF via the transmitting / receiving unit 2 in the direction of the contents 5 sending out. After reflection on the product surface, the level gauge receives 1 . 2 . 3 the echo signal E HF again via the transmitting / receiving unit 2 , The transit time between transmission of the radar signal is S HF and receiving the echo signal E HF , which is measured on the FMCW principle in the form of a difference frequency, depending on the distance d to the surface of the filling material 5 , The subsequent calculation of the fill level L from the distance d to the product surface occurs through the level gauge 3 with knowledge of its installation height H : L = h - d. In this case, the level L due to the high frequency signal generating unit according to the invention 1 be determined with a very good resolution. As a rule, the level gauge is 1 . 2 . 3 via a bus system, such as "PROFIBUS", "HART" or "Wireless HART" with a higher-level unit 6 , for example, a process control system connected. On the one hand, this can be the value of the filling level L be transmitted to control any inflows or outflows on the container. In addition, however, for example, additional information about the operating state of the level gauge 1 . 2 . 3 be communicated.

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]

Claims (13)

Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit, folgende Komponenten umfassend: - Einen elektrischen Hochfrequenz-Oszillator (11) zur Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenz-Signals (sHF) mit einer steuerbaren Frequenz (fHF), - einen Frequenzteiler (12), der ausgestaltet ist, um mittels des Hochfrequenz-Signals (sHF) ein erstes Regelsignal (sc) derart mit einer ersten Regelfrequenz (fc) zu erzeugen, dass die erste Regelfrequenz (fc) in Bezug zu der Frequenz (fHF) des Hochfrequenz-Signals (sHF) um einen Teilerfaktor (N) verringert ist, - eine Takteinheit (13) zur Erzeugung eines ersten Taktsignals (sclock), mit einer ersten Taktfrequenz (fclock), und - einen ersten Phasenkomparator (14), der so verschaltet ist, um mittels des ersten Regelsignals (sc) und des ersten Taktsignals (sclock) ein erstes Steuersignal (sDC) zur Steuerung des Hochfrequenz-Oszillators (11) zu erzeugen, gekennzeichnet durch - einen ersten Frequenzwandler (15), der ausgelegt ist, um mittels des ersten Regelsignals (sc) ein zweites Regelsignal (sc') derart mit einer zweiten Regelfrequenz (fc') zu erzeugen, dass die zweite Regelfrequenz (fc') in Bezug zu der ersten Regelfrequenz (fc) um einen vordefinierten Faktor (n) geteilt ist, - einen zweiten Frequenzwandler (15'), der ausgelegt ist, um mittels des ersten Taktsignals (sclock) ein zweites Taktsignal (sclock') derart mit einer zweiten Taktfrequenz (fclock') zu erzeugen, dass die zweite Taktfrequenz (fclock') in Bezug zu der ersten Taktfrequenz (fclock) um den vordefinierten Faktor (n) geteilt ist, und - einen zweiten Phasenkomparator (14'), der so verschaltet ist, um mittels des zweiten Taktsignals (sclock') und des zweiten Regelsignals (sc') ein zweites Steuersignal (sDC') zu erzeugen, wobei die Hochfrequenz-Erzeugungseinheit (1) derart ausgelegt ist, um die Frequenz (fHF) des Hochfrequenz-Oszillators (11) mittels des ersten Steuersignals (sDC) und des zweiten Steuersignals (sDC') steuern.High-frequency signal generating unit, comprising the following components: - A high frequency electrical oscillator (11) for generating a high frequency electrical signal (s HF ) with a controllable frequency (f HF ), - a frequency divider (12) which is designed to to generate the first control frequency (f c) with respect to the frequency (f HF) of the high frequency signal of the high frequency signal (S HF) a first control signal (s c) is connected to a first control frequency (f c) (S HF ) is reduced by a divisor factor (N), - a clock unit (13) for generating a first clock signal (s clock ), with a first clock frequency (f clock ), and - a first phase comparator (14), which is connected, for generating, by means of the first control signal (s c ) and the first clock signal (s clock ), a first control signal (s DC ) for controlling the high-frequency oscillator (11), characterized by - a first frequency converter (15) which is designed um by means of ers th control signal (s c ) to generate a second control signal (s c ') with a second control frequency (f c '), that the second control frequency (f c ') in relation to the first control frequency (f c ) by a predefined factor (n) is divided, - a second frequency converter (15 ') which is designed to generate by means of the first clock signal (s clock ), a second clock signal (s clock ') with a second clock frequency (f clock ') that the second clock frequency (f clock ') is divided by the predefined factor (n) with respect to the first clock frequency (f clock ), and - a second phase comparator (14') connected so as to use the second clock signal (s clock ') and the second control signal (s c ') to generate a second control signal (s DC '), wherein the high-frequency generating unit (1) is adapted to the frequency (f HF ) of the high-frequency oscillator (11) by means of of the first control signal (s DC ) and the second control signal (s DC ') control. Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Additions-Knoten (10) vorgesehen ist, um das erste Steuersignal (sDC) und das zweite Steuersignal (sDC') zu addieren, wobei die addierten Signale (sDC, sDC') einem ersten Steuereingang des Hochfrequenz-Oszillators (11) zugeführt werden.High-frequency signal generation unit according to Claim 1 , characterized in that an addition node (10) is provided to add the first control signal (s DC ) and the second control signal (s DC '), wherein the added signals (s DC , s DC ') a first control input of the high-frequency oscillator (11) are supplied. Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochfrequenz-Oszillators(11) neben dem ersten Steuereingang einen zweiten Steuereingang aufweist, wobei das erste Steuersignal (sDC) dem ersten Steuereingang des Hochfrequenz-Oszillators (11) zugeführt wird, und wobei das zweite Steuersignal (sDC') dem zweiten Steuereingang des Hochfrequenz-Oszillators (11) zugeführt wird.High-frequency signal generation unit according to Claim 1 , characterized in that the high-frequency oscillator (11) in addition to the first control input has a second control input, wherein the first control signal (s DC ) to the first control input of the high-frequency oscillator (11) is supplied, and wherein the second control signal (s DC ') is supplied to the second control input of the high-frequency oscillator (11). Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Frequenzwandler (15) und der zweite Frequenzwandler (15') so ausgelegt sind, dass der Faktor (n) größer als 1 ist, und/oder dass der erste Frequenzwandler (15) und der zweite Frequenzwandler (15') so ausgelegt sind, dass der Faktor (n) veränderbar ist.High-frequency signal generation unit according to Claim 1 . 2 or 3 , characterized in that the first frequency converter (15) and the second frequency converter (15 ') are designed so that the factor (n) is greater than 1, and / or that the first frequency converter (15) and the second frequency converter (15 ') are designed so that the factor (s) is changeable. Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Phasenkomparator (12) eine erste Ladungspumpe (16) zur Digital-/Analog-Wandlung des ersten Steuersignals (sDC) nachgeschaltet ist, und dass dem zweiten Phasenkomparator (12') eine zweite Ladungspumpe (16') zur Digital-/Analog-Wandlung des zweiten Steuersignals (sDC') nachgeschaltet ist.High-frequency signal generation unit according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that the first phase comparator (12) is followed by a first charge pump (16) for digital / analog conversion of the first control signal (s DC ), and in that the second phase comparator (12 ') has a second charge pump (16') for the digital / analog conversion of the second control signal (s DC ') is connected downstream. Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass der der Faktor (n) des ersten Frequenzwandlers (15) und des zweiten Frequenzwandlers (15') größer als 1 ist, die zweite Ladungspumpe (16') eine höhere Durchbruchspannung als die erste Ladungspumpe (16) aufweist, und/oder dass die erste Ladungspumpe (16) ein schnelleres Schaltverhalten als die zweite Ladungspumpe (16') aufweist.High-frequency signal generation unit according to Claim 5 , characterized in that in the event that the factor (n) of the first frequency converter (15) and the second frequency converter (15 ') is greater than 1, the second charge pump (16') has a higher breakdown voltage than the first charge pump ( 16), and / or that the first charge pump (16) has a faster switching behavior than the second charge pump (16 '). Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzteiler (12) so ausgelegt ist, dass der Teilerfaktor (N) veränderbar ist.High-frequency signal generating unit according to at least one of the preceding claims, characterized in that the frequency divider (12) is designed so that the divider factor (N) is variable. Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet dass der Frequenzteiler (12) mit einem fest voreinstellbaren Teilerfaktor (N) konzipiert ist, wobei ein Frequenz-Stellglied (17), insbesondere ein DDS-Baustein, mittels dem die Frequenz (fclock) des Taktsignals (sclock) veränderbar ist, vorgesehen ist.High-frequency signal generation unit according to at least one of Claims 1 to 6 , characterized in that the frequency divider (12) is designed with a fixed presettable divisor factor (N), wherein a frequency actuator (17), in particular a DDS module, by means of which the frequency (f clock ) of the clock signal (s clock ) changeable is, is provided. Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochfrequenz-Oszillator (11) ausgelegt ist, um das Hochfrequenz-Signal (sHF) mit einer Frequenz von höher als 70 GHz, insbesondere höher als 120 GHz zu erzeugen.High-frequency signal generation unit according to at least one of the preceding claims, characterized in that the high-frequency oscillator (11) is designed to generate the high-frequency signal (s HF ) with a frequency of higher than 70 GHz, in particular higher than 120 GHz. Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frequenzvervielfacher (18) zur Frequenzvervielfachung des Hochfrequenz-Signals (sHF) vorgesehen ist. High-frequency signal generation unit according to at least one of the preceding claims, characterized in that a frequency multiplier (18) for frequency multiplication of the high-frequency signal (s HF ) is provided. Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen ersten Filter (19), insbesondere einen ersten Tiefpass-Filter, zur Filterung des ersten Steuersignals (sDC), und/oder einen zweiten Filter (19'), insbesondere einen zweiten Tiefpass-Filter, zur Filterung des zweiten Steuersignals (sDC).High-frequency signal generating unit according to at least one of the preceding claims, characterized by a first filter (19), in particular a first low-pass filter, for filtering the first control signal (s DC ), and / or a second filter (19 '), in particular a second Low-pass filter, for filtering the second control signal (s DC ). FMCW-Radar basiertes Distanz- oder Geschwindigkeits-Messgerät, umfassend: - Eine Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Distanz- oder Geschwindigkeits-Messgerät ausgelegt ist, um die Frequenz (fHF) des Hochfrequenz-Signals (sHF) innerhalb einer vorbestimmten Frequenzdifferenz (Δf) periodisch, insbesondere sägezahnförmig zu ändern, - eine Sende-/Empfangs-Einheit (2), die aufgebaut ist, um mittels des Hochfrequenz-Signals (sHF) ein Radar-Signal (SHF) in Richtung eines Objektes (5), dessen Distanz oder Geschwindigkeit zu bestimmen ist, auszusenden, sowie ein vom Objekt reflektiertes Echo-Signal (EHF) zu empfangen, und - eine Auswerte-Einheit (3), die ausgelegt ist, um anhand des Echo-Signals (EHF) die Distanz und/oder die Geschwindigkeit des Objekts (5) zu bestimmen.An FMCW radar-based distance or velocity measuring device, comprising: - A high-frequency signal generating unit (1) according to at least one of the preceding claims, wherein the distance or speed measuring device is designed to control the frequency (f HF ) of the high-frequency signal (S HF ) within a predetermined frequency difference (.DELTA.f) periodically, in particular to change sawtooth, - a transmitting / receiving unit (2) which is constructed to use the high-frequency signal (s HF ) a radar signal (S HF ) in the direction of an object (5) whose distance or speed is to be determined to emit, and to receive an object-reflected echo signal (E HF ), and - an evaluation unit (3) which is designed to to determine the distance and / or the speed of the object (5) on the basis of the echo signal (E HF ). Verwendung des FMCW-Radar basierten Distanz- oder Geschwindigkeits-Messgerätes nach Anspruch 12, zur Messung eines Füllstandes (L) eines in einem Behälter (4) befindlichen Füllgutes (5).Using the FMCW Radar Based Distance or Velocity Meter Claim 12 , for measuring a filling level (L) of a filling material (5) located in a container (4).
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