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Die Erfindung betrifft einen aktiven Transmissionsmischer für ein monostatisches Radarsystem.
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Das gleichzeitige Senden und Empfangen im selben Frequenzband ist in der Radartechnik eine gängige Aufgabenstellung. Insbesondere bei CW- und FMCW-Systemen ist keine zeitliche Trennung, wie beispielsweise bei einem Pulsradar, möglich. Der Signalempfänger, der einen sehr leistungsschwaches Signal detektiert, muss vom zeitgleich gesendeten, sehr leistungsstarken Signal des Senders isoliert werden. Hierfür existieren diverse technische Lösungsansätze.
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Die einfachste Lösung ist ein bistatisches System mit separaten Antennen zum Senden bzw. Empfangen. Eine klare Isolation von Sender und Empfänger wird hier durch räumliche Distanz oder orthogonale Polarisation geschaffen. Wegen des erhöhten Platzbedarfs bzw. der Notwendigkeit polarisationsdrehender Ziele ist eine solche Vorgehensweise für viele Systeme ungeeignet.
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Eine Isolation von Sende- und Empfangssignal in einem monostatischen System kann durch Einsatz eines Zirkulators erfolgen, der das über die Antenne gesendete und das von der Antenne empfangene Signal auf zwei separate Anschlüsse aufteilt.
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Diese Realisierung hat in der Praxis gewichtige Nachteile, da die Isolation oft gering ist (20 - 30 dB), eine Implementierung als nicht lineares Bauelement mit magnetischen Materialien erforderlich ist und eine komplexe Integration sowie erhöhter Platzbedarf erschwerend hinzukommen.
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Weit verbreitet ist der Einsatz eines Richtkopplers oder Leistungsteilers bzw. Leistungskombinierers zur Isolation der beiden Übertragungsrichtungen. Hier kommt zwar ein lineares Bauelement zum Einsatz, dies jedoch auf Kosten einer erhöhten Einfügedämpfung. Im einfachsten Fall geht in beiden Richtungen die Hälfte der Leistung verloren, alternativ kann auch ein Pfad mit geringerem Verlust realisiert werden, der jeweils andere Pfad geht dann mit deutlich höherem Verlust einher.
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In der industriellen Praxis, so beispielsweise bei Füllstandsradaren, wird für diese Aufgabe häufig ein sogenannter Transmissions- oder Transfermischer verwendet. Dieser ist eine Kombination aus Richtkoppler und Empfangsmischer zur Frequenzumsetzung des Empfangssignals auf niedrigere Frequenzen zwecks Weiterverarbeitung. Normalerweise weist ein Richtkoppler bei der Trennung von Sende- und Empfangssignal ungünstige Eigenschaften auf, da die Signalleistung stets aufgeteilt wird, prinzipbedingt aber nur ein Teil genutzt werden kann.
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Das grundlegende Prinzip eines solchen Transmissionsmischers ist aus der
DE 196 10 850 C1 bekannt. Konkret wird das Empfangssignal im Richtungskoppler auf zwei Mischpfade mit Dioden und 90 Grad Phasenversatz aufgeteilt. Das Lokaloszillatorsignal wird am vierten Port auf die gleiche Art und Weise aufgeteilt. Damit lässt sich ein balancierter Mischer aufbauen, der sich dadurch auszeichnet, dass stärkere Reflexionen an den Dioden sich am Antennenausgang wieder überlagern und als Sendesignal abgestrahlt werden. Dabei geht vergleichsweise wenig Sendeleistung verloren.
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Ein wesentlicher Nachteil dieser Ausführung ist jedoch sein passiver Betrieb, der die Sensitivität des Empfängers beeinträchtigt. Für einen aktiven Betrieb müsste ein rauscharmer Empfangsverstärker (low-noise amplifier, LNA) eingesetzt werden, der normalerweise dazu dient, den Verlust durch den Mischvorgang an den Dioden zu kompensieren, um dadurch eine möglichst hohe Sensitivität des Empfängers gewährleisten zu können. Technisch bedingt lässt sich hier - wie sonst in HF-Systemen üblich - jedoch kein rauscharmer Empfangsverstärker (low-noise amplifier, LNA) einsetzen, da dieser ein unidirektionales Bauelement ist und nicht ohne Weiteres in einem bidirektionalen Signalpfad vor einem Mischer eingesetzt werden kann.
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Die
DE 10 2018 106 858 A1 offenbart ein Verfahren zum Erzeugen eines HF-Oszillatorsignals, das frequenzmodulierte Chips enthält, das Amplitudenmodulieren des HF-Oszillatorsignals mit einem Modulationssignal, und das Senden des amplitudenmodulierten HF-Oszillatorsignals über zumindest eine Antenne. Aus der
US 2019 / 0 072 647 A1 ist ein Verfahren mit den folgenden Schritten bekannt: Erzeugen eines Rauschsignals; Mischen des Rauschsignals mit einem Senderausgangs-Hochfrequenz (HF)-Signal, um ein Zwischensignal zu erzeugen, wobei das Senderausgangs-HF-Signal eine Version eines Lokaloszillator (LO)-Signals mit linear ansteigender Frequenz ist; Dämpfen des Zwischensignals, um ein Testsignal zu erzeugen; Addieren des Testsignals zu einem Empfängereingangs-HF-Signal, um ein kombiniertes Empfängereingangs-HF-Signal zu erzeugen; Abwärtsmischen einer verstärkten Version des kombinierten Empfängereingangs-HF-Signals mit dem LO-Signal, um ein kombiniertes Niederfrequenzsignal zu erzeugen; und Korrelieren des kombinierten Niederfrequenzsignals mit dem Rauschsignal, um ein Fehlererkennungssignal zu erzeugen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nunmehr darin, einen aktiven Transmissionsmischer aufzuzeigen, der die Verluste des passiven Transmissionsmischers sowohl in Sende- als auch in Empfangsrichtung kompensiert und damit ein gut integrierbares Frontend ermöglicht, das sowohl eine niedrige Einfügedämpfung in Senderichtung als auch eine niedrige Rauschzahl in Empfangsrichtung realisiert. Zudem soll ein solcher Transmissionsmischer möglichst kleinbauend sein.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch einen aktiven Transmissionsmischer für ein monostatisches Radarsystem gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Transmissionsmischers sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, einen solchen aktiven Transmissionsmischer mit einem Oszillatoreingang als auch einem Antennenport auszustatten. Der erfindungsgemäße Transmissionsmischer nutzt im Gegensatz zum Stand der Technik keine verlustbehafteten Bauelemente, wie bspw. Dioden, sondern verwendet in neuartiger Weise rauscharme Verstärker zur Frequenzumsetzung. Neben der Frequenzumsetzung des Empfangssignals in eine Zwischenfrequenz wird dadurch zugleich eine Verstärkung des Empfangssignals erreicht, wodurch auch die Sensitivität des Empfängers spürbar verbessert werden kann.
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Wesentlicher Bestandteil der Erfindung sind zwei rauscharme Verstärker, sogenannte Low Noise Amplifier, kurz LNA genannt, die hier parallel zueinander verschaltet sind. Die Eingänge der beiden LNAs sind mittelbar oder unmittelbar mit dem Eingang des Transmissionsmischers, an dem der Oszillator angeschlossen wird (im Folgenden einfach Oszillatoreingang genannt), und dem Antennenport verbunden, so dass hier eingangsseitig ein überlagertes Signal des Eingangssignals am Oszillatoreingang und des Eingangssignals am Antennenport anliegt. Die Erfindung macht sich zu Nutze, dass ein übersteuerter, rauscharmer Verstärker (LNA) analog zu einem klassischen Mischer das Antennenempfangssignal kurzzeitig unterdrückt. Die Übersteuerung des LNA bzw. der Betrieb im Kompressionsbereich wird durch das überlagerte Sende- bzw. Oszillatorsignal bewirkt. Insbesondere wird das Empfangssignal für eine halbe Periode des Oszillatoreingangssignals durch Betrieb im Kompressionsbereich unterdrückt.
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Das integrierte Signalanpassungsmittel dient dazu, das an beiden Verstärkereingängen anliegende überlagerte Signal des Oszillatorsignals und Antennenempfangssignal so zu modifizieren, dass die Verstärker nun abwechselnd im Kompressionsbereich betrieben werden. Hierdurch wird das Antennenempfangssignal abwechselnd von einem der Verstärker unterdrückt, während der verbleibende Verstärker das Signal verstärkt, wodurch letztendlich ein effizienter Gegentaktmischer mit gleichzeitiger Signalverstärkung verwirklicht werden kann.
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Der erfindungsgemäße Transmissionsmischer gestattet nicht nur eine gleichzeitige Frequenzumsetzung und Signalverstärkung, sondern schafft durch die Verwendung kleinbauender rauscharmer Verstärker ein äußerst kompaktes Frontend. Der Transmissionsmischer verzichtet auf eine Isolation zwischen Sender und Empfangszweig, sondern macht sich stattdessen das Übersprechen des Sendezweigs in den Empfangszweig bewusst zu Nutze, um dadurch die gewünschte Übersteuerung der Verstärker und damit die Mischerfunktionalität umzusetzen. Gegenüber klassischen Transmissionsmischern wird eine erheblich verbesserte Sensitivität des Empfängers erreicht. In Summe kann ein monostatisches Frontend realisiert werden, dessen Performance vergleichbar mit einem bistatisches Frontend ist, ohne jedoch Rücksicht auf Übersprechen nehmen und einen Zirkulator oder Ähnliches einsetzen zu müssen.
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Der erfindungsgemäße aktive Transmissionsmischer ist grundsätzlich für jegliche monostatischen Systeme mit gemeinsamem Sende- und Empfangszweig geeignet, deren Sendesignale periodisch sind und eine konstante Hüllkurve aufweisen. Bevorzugt ist jedoch die Verwendung des Transmissionsmischers für ein Radarsystem, insbesondere für ein CW- oder FMCW-Radarsystem.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Signalanpassungsmittel derart konfiguriert, sodass die Verstärkereingänge mit unterschiedlichen Spannungs-Offset-Werten überlagert werden. Dementsprechend wird beispielsweise der Eingang des ersten Verstärkers und das dort anliegende überlagerte Oszillator- Antennenempfangssignal mit einem ersten Offset-Wert überlagert, während der Eingang des zweiten Verstärkers und das dort anliegende überlagerte Oszillator-Antennenempfangssignal mit einem zweiten, davon abweichenden Offset-Wert überlagert wird. Durch die Überlagerung mit unterschiedlichen Offsetwerten kann der zeitversetzte Kompressionsbetrieb der beiden Verstärker gezielt gesteuert werden, um eine Frequenzumsetzung in die gewünschte Zwischenfrequenz zu erreichen.
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Als Signalanpassungsmittel kommt vorzugsweise pro Verstärkereingang eine geeignete Gleichspannungszuführung, auch als Bias-Tee bezeichnet, zum Einsatz. Ein solcher Bias-Tee ist ein Dreitor umfassend eine Einspeisedrossel zum Einspeisen einer Gleichspannung. Das überlagerte Oszillator- und Antennenempfangssignal wird über einen Sperrkondensator mit der Einspeisedrossel verbunden und dem Verstärkereingang zugefügt.
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An der jeweiligen Einspeisedrossel der beiden Verstärker liegen unterschiedliche Gleichspannungswerte an. Insbesondere werden Gleichspannungen unterschiedlichen Vorzeichens an die Verstärkereingänge zugeführt. Der Betrag der Gleichspannung kann in etwa der Amplitude bzw. dem Scheitelwert des Oszillatorsignals entsprechen.
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In der Regel entspricht das Oszillatoreingangssignal einer Sinus- bzw. Kosinusschwingung. Vorstellbar ist es, dass der Transmissionsmischer einen Sendeverstärker umfasst, dessen Eingang mit dem Oszillatoreingang verbunden ist und der ein verstärktes Oszillatorsignal erzeugt. Durch geschickte Auslegung des Senderverstärkers wird dieser durch das Oszillatorsignal periodisch in die Kompression getrieben. Im Idealfall entsteht am Ausgang des Senderverstärkers ein Recktecksignal, das dann dem Signal am Antennenport überlagert und den Verstärkern zugeführt wird. Ein Rechtecksignal als Sendesignal ermöglicht nicht nur eine äußerst stabile Ansteuerung der rauscharmen Verstärker, sondern die hohe Kompression des Sendeverstärkers erlaubt ebenso eine besonders energieeffiziente Ausführung der Sendeendstufe.
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Von Vorteil ist es, wenn der Senderverstärker eine an die Antenne angepasste Ausgangsimpedanz aufweist. Demgegenüber ist es von Vorteil, wenn die eingesetzten rauscharmen Verstärker hochohmige Eingangswiderstände besitzen, sodass deren Anschluss an den Senderverstärkerausgang keine Fehlanpassung oder Leistungsverluste zur Folge hat. Üblicherweise würde das Rauschen des Senderverstärkers die Sensitivität der rauscharmen Verstärker einschränken. Da jedoch der Senderverstärker stark in Kompression betrieben werden kann, wodurch sich nahezu ein Rechtecksignal am Ausgang ergibt, kann das Rauschen stark unterdrückt werden.
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Aufgrund von regulatorischen Anforderungen kann es sein, dass ein am Ausgang des Sendeverstärkers erzeugtes Rechtecksignal wegen seiner Oberwellenschwingungen nicht über die Antenne abgestrahlt werden darf. In einem solchen Fall ist die Integration eines geeigneten Filters zur Unterdrückung der Oberwellen sinnvoll. Ein solcher Oberwellenfilter ist beispielsweise dem Antennenport seriell vorgeschaltet, so dass die Oberwellen des Sendesignals herausgefiltert werden. Wichtig ist es jedoch, dass die Oberwellen am Eingang der rauscharmen Verstärker mit einer Impedanz terminiert werden, die eine reflexionsfreie Anpassung gewährleistet, um das Rechtecksignal trotz des Filters in seiner Form zu erhalten.
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Neben dem aktiven Transmissionsmischer betrifft die vorliegende Erfindung zudem ein monostatisches Radarsystem, das einen Oszillator sowie eine gemeinsame Sende- und Empfangsantenne aufweist. Oszillator und Antenne sind dabei mit den entsprechenden Eingängen des erfindungsgemäßen Transmissionsmischers verbunden, sodass sich für das monostatische Radarsystem dieselben Vorteile und Eigenschaften ergeben, wie sie bereits vorstehend anhand des Transmissionsmischers aufgezeigt wurden. Auf eine wiederholende Beschreibung wird aus diesem Grund verzichtet.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild des erfindungsgemäßen aktiven Transmissionsmischers.
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Der Schaltaufbau und die Funktionsweise des aktiven Transmissionsmischers soll anhand eines monostatischen Radarsystems erläutert werden, dessen Sendesignal auf einer durch einen Oszillator 2 generierten Sinusspannung U basiert und die am Oszillatoreingang 1 des Transmissionsmischers angelegt wird. Der Oszillatoreingangsport 1 wird einem Sendeverstärker PA eingangsseitig zugeführt. Der Ausgang des Sendeverstärkers PA ist verbunden mit dem Antennenport 4 des Transmissionsmischers, so dass das erzeugte Sendesignal am Ausgang des PA-Verstärkers über die Antenne 3 abgestrahlt werden kann. Aufgrund der monostatischen Bauweise wird gleichzeitig das von der Antenne empfangene Antennenempfangssignal dem Sendesignal am Ausgang des PA-Verstärkers überlagert.
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Als Kernstück des aktiven Transmissionsmischers dienen die beiden Low-Noise-Amplifier LNA1 und LNA2, deren Eingänge sowohl mit dem Ausgang des Sendeverstärkers PA als auch mit dem Antennenport 4 in Verbindung stehen. Die Verbindung erfolgt hier allerdings pro LNA über einen dedizierten Bias-Tee 5a, 5b. Antennenport 4 und Ausgang des PA-Verstärkers stehen somit über einen Sperrkondensator mit dem jeweiligen Eingang des zugeordneten Verstärkers LNA1, LNA2 in Verbindung. Über die Einspeisedrossel wird eine Gleichspannung V+, V- zugeführt, die somit dem bereits überlagerten PA-Ausgangs- und Antennenempfangssignal zusätzlich überlagert wird.
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Dabei wird am Eingang des ersten Verstärkers LNA1 eine negative Gleichspannung V- zugeführt, während am Eingang des zweiten Verstärkers LNA2 eine positive Gleichspannung V+ überlagert wird.
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Weiterhin ist zwischen dem Antennenport 4 und dem Ausgang des PA-Verstärkers bzw. dem Eingang der Bias-Tees 5a, 5b noch ein Oberwellenfilter 7 zwischengeschaltet, der die Oberwellen des am Ausgang des PA-Verstärkers erzeugten Sendesignals filtert und deren Abstrahlung über die Antenne 3 verhindert.
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Nachfolgend soll kurz auf die Funktionsweise des Transmissionsmischers eingegangen werden. Der Sendeverstärker PA ist auf die erzeugte Sinusspannung des Oszillators abgestimmt, so dass dieser im Bereich der Signalamplituden in die Kompression eintritt. Dies führt dazu, dass am Ausgang des PA-Verstärkers ein Rechtecksignal 8 mit dem überlagerten Antennenempfangssignal 8a anliegt. Durch die Zuführung der Gleichspannung V-, V+ mit unterschiedlichem Vorzeichen wird das Signal 8 für die beiden Verstärker LNA1, LNA2 in unterschiedliche Richtungen verschoben (siehe verschobene Rechtecksignale 9a, 9b). Für den ersten Verstärker LNA1 ergibt sich der im Diagramm 9a gekennzeichnete Verstärkungsbereich 10a, d.h. die Halbwellen mit betragsmäßig höherer Amplitude, hier die negativen Halbwellen, führen zur Kompression des Verstärkers LNA 1 und werden folglich zusammen mit dem überlagerten Antennenempfangssignal unterdrückt. Nur die Halbwellen mit geringerer Amplitude, hier die positiven Halbwellen, liegen mit entsprechender Signalverstärkung am Ausgang des LNA1 an. Ähnliches gilt für den zweiten Verstärker LNA2 und den dortigen Verstärkungsbereich 10b. In Summe führt dies dazu, dass die beiden Verstärker LNA1, LNA2 abwechselnd in Kompression betrieben werden und somit durch die Verstärker LNA1, LNA2 unterschiedliche Halbwellen des Verstärkersignals 8 mit überlagertem Antennenempfangssignal 8a am Ausgang ausgegeben werden. Es ergibt sich hier das am Ausgang des Transmissionsmischers abgreifbare Antennenempfangssignal 6, das nicht nur frequenzumgesetzt ist sondern auch verstärkt wurde.
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Die Grundidee der Erfindung kann also darin gesehen werden, Empfangsverstärker und Mischer in einer Komponente zu kombinieren. Dabei wird ausgenutzt, dass ein übersteuerter LNA ähnlich wie in einem klassischen Mischer das Empfangssignal für eine halbe Periode des Lokaloszillators 2 durch Kompression unterdrückt, sodass eine Konversion stattfinden kann. Damit in der Periode, in welcher der Empfangsverstärker LNA1, LNA2 sensitiv für das Eingangssignal sein und dieses verstärken soll, ein stabiler Arbeitspunkt vorliegt, wird das PA-Signal durch ein Bias-T 5a, 5b mit einem Offset V+, V- versehen. Ist das PA-Signal selbst nahezu ein Rechtecksignal 8, ist damit ein stabiler Arbeitspunkt sichergestellt, sodass näherungsweise für eine halbe Periode das Empfangssignal mit dem Gewinn des LNA1, LNA2 verstärkt wird.
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Die zwei parallel verschalteten Verstärker LNA1, LNA2, die jeweils mit einem entgegengesetzten Offset V+, V- versehen sind, erlauben zudem den Aufbau eines effizienten Gegentaktmischers. Hinsichtlich der Impedanz ist eine Anpassung des Senderverstärkers PA an die Antenne 3 vorgesehen, während die beiden Verstärker LNA1, LNA2 bei Ausführung z.B. mit Feldeffekttransistoren einen sehr hochohmigen Eingang besitzen, sodass deren Anschluss an den Ausgang des PA-Verstärkers keine Fehlanpassung oder Leistungsverluste zur Folge hat. Üblicherweise würde das Rauschen des Senderverstärkers PA die Sensitivität der Empfangsverstärker LNA1, LNA2 zwar einschränken, da der Senderverstärker PA jedoch ausreichend stark in Kompression betrieben werden kann, so dass sich nahezu ein Rechtecksignal am Ausgang ergibt, wird das Rauschen stark unterdrückt. Gleichzeitig ermöglicht die hohe Kompression eine besonders energieeffiziente Ausführung der Sendeendstufe, sodass sich gleich mehrere Vorteile ergeben.
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Da ein Rechtecksignal 8 wegen seines Oberwellengehalts aufgrund von regulatorischen Anforderungen nicht über die Antenne 3 abgestrahlt werden kann, ist weiterhin der Filter 7 zur Unterdrückung der Oberwellen notwendig. Dabei ist darauf zu achten, dass die Oberwellen am Eingang der beiden Verstärker LNA1, LNA2 idealerweise mit einer Impedanz terminiert werden, die eine reflexionsfreie Anpassung gewährleistet, sodass trotz des Filters 7 das Rechtecksignal 8 in seiner Form erhalten bleibt, da dieses für die Verstärkungseinstellung der Verstärker LNA1, LNA2 wichtig ist.
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Insgesamt ergibt sich damit ein sehr attraktiver Transceiver, der sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass anders als bei den vorgenannten klassischen Ansätzen gar keine Isolation zwischen Sende- und Empfangspfad erfordert, sondern im Gegenteil das starke Übersprechen als Vorteil einsetzt, um zusätzlich einen Mischer zu realisieren. Im Vergleich zum passiven Transmissionsmischer wird dabei sogar ein Konversionsgewinn ermöglicht, sodass eine gute Sensitivität möglich wird.
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Das in der Figur dargestellte Konzept würde sich beispielsweise für ein CW- oder FMCW Radar eignen, das gleichzeitig sendet und empfängt und mit Signalen konstanter Hüllkurve auskommt, die für den Mischvorgang erforderlich sind. Weitere Anwendungen sind im Bereich der Kommunikation bei gleichzeitig sendenden und empfangenden Frontends in unterschiedlichen oder denselben Frequenzbändern denkbar.
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Die innovativen Aspekte der Erfindung lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- • Aufbau eines Transmissionsmischers durch Einsatz von Verstärkern mit hochohmigen Eingängen im Betrieb als rauscharmer Verstärker (LNA) anstatt von Dioden oder anderen verlustbehafteten, nicht linearen Bauelementen, wodurch ein positiver Mischgewinn und eine hohe Sensitivität erzielt werden.
- • Betrieb des Senders in Kompression zur optimalen Verstärkungseinstellung der LNAs bei gleichzeitiger Rauschunterdrückung im Sender.
- • Verzicht auf den Richtungskoppler durch Einsatz hochohmiger LNAs, wodurch ein sehr kompakter, elektrisch kleiner Aufbau möglich wird.
- • Einsatz eines impedanzoptimierten Oberwellenfilters zur Sicherstellung der Einhaltung regulatorischer Vorgaben am Antennenanschluss bei gleichzeitiger Erhaltung der rechteckförmigen Wellenform an der Verbindungsstelle von Ausgang des Senderverstärkers und Eingang des Empfangsverstärkers.
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Die besondere Attraktivität des Konzepts besteht darin, dass ein extrem kompaktes Frontend realisiert werden kann, dass nicht nur keine Isolation zwischen Sende- und Empfangszweig erfordert, sondern das Übersprechen zur Realisierung eines Mischers nutzen kann. Dabei wird gegenüber dem klassischen Transmissionsmischer eine erheblich verbesserte Sensitivität ermöglicht und selbst im Vergleich zu anderen Konzepten mit LNA-basierten Empfängern mit Signaltrennung (z.B. durch Koppler, Baluns, Leistungsteiler o.ä.), die meist einen verlustbehafteten Sendezweig und erhöhte Rauschzahlen aufweisen, eine deutliche Verbesserung erzielt. Es wird damit möglich ein monostatisches Frontend zu realisieren, das potentiell dieselbe Performance wie ein bistatisches erzielen kann ohne Rücksicht auf Übersprechen nehmen zu müssen und ohne einen Zirkulator o.ä. einsetzen zu müssen.