DE202016008416U1 - High-frequency signal generation unit for generating low-noise high-frequency signals - Google Patents

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Abstract

Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit für ein FMCW-Radar basiertes Distanz- oder Geschwindigkeits-Messgerät (3), zur Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenz-Signals (sHF), welches eine Frequenz (fHF) aufweist, die innerhalb einer vordefinierten Frequenzdifferenz (Δf) veränderbar ist, folgende Komponenten umfassend:
– eine erste Hochfrequenzbaugruppe (11) zur Erzeugung eines ersten hochfrequenten Signals (svar), wobei die erste Hochfrequenzbaugruppe (11) derart ausgestaltet ist, dass die Frequenz (fvar) des ersten hochfrequenten Signals (svar) zumindest um die Frequenzdifferenz (Δf) veränderbar ist,
– eine zweite Hochfrequenzbaugruppe (12) zur Erzeugung eines zweiten hochfrequenten Signals (sfix) mit einer festen Frequenz (ffix), und
– einen Mischer (13) zur Erzeugung des Hochfrequenz-Signals (sHF) mittels des ersten Signals (svar) und des zweiten Signals (sfix).
A high frequency signal generation unit for an FMCW radar based distance or velocity meter (3) for generating a high frequency electrical signal (s HF ) having a frequency (f HF ) that is variable within a predefined frequency difference (Δf) , comprising the following components:
- A first high frequency assembly (11) for generating a first high frequency signal (s var ), wherein the first high frequency assembly (11) is configured such that the frequency (f var ) of the first high frequency signal (s var ) at least by the frequency difference (.DELTA.f ) is changeable,
- A second high-frequency module (12) for generating a second high-frequency signal (s fix ) with a fixed frequency (f fix ), and
- A mixer (13) for generating the high-frequency signal (s HF ) by means of the first signal (s var ) and the second signal (s fix ).

Figure DE202016008416U1_0001
Figure DE202016008416U1_0001

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenz-Signalerzeugungs-Einheit zur Erzeugung eines rauscharmen elektrischen Hochfrequenz-Signals (sHF) für FMCW-Radar basierte Distanz- oder Geschwindigkeits-Messgeräte.The invention relates to a high-frequency signal generation unit for generating a low-noise electrical high-frequency signal (s HF ) for FMCW radar-based distance or speed gauges.

Radar-basierte Distanz- und Geschwindigkeitsmessung wird in einem breiten Anwendungsspektrum genutzt, beispielsweise zur Positionsbestimmung in der Luftfahrt, zur Abstands- bzw. Geschwindigkeitsmessung bei Kraftfahrzeugen oder auch zur Füllstandsbestimmung in der Prozessautomation.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 determination in process automation.

Hierzu können prinzipiell zwei unterschiedliche Radar-Technologien nach dem Stand der Technik eingesetzt werden: Zum einen FMCW („Frequency Modulated Continuos Wave”, auch bekannt als Dauerstrichradar) oder das sogenannte Puls-Laufzeit-Verfahren. Beide Verfahren 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, two different prior art radar technologies can be used for this purpose: First, FMCW ("Frequency Modulated Continuous Wave", also known as continuous wave radar) or the so-called pulse transit time method. Both methods are operated within predefined radar frequency bands (in the context of this invention, the terms "radio frequency" and "radar" refer to signals or electromagnetic waves with frequencies between 0.3 GHz and 300 GHz).

Im Falle von Füllstandsmessung wird in Radar Frequenzbändern bei 6 GHz, 26 GHz oder 79 GHz gearbeitet. Dabei sind die höherliegenden Frequenzbänder bevorzugt, da in diesen Fällen eine größere absolute Bandbreite genutzt werden kann. Dies ermöglicht wiederum eine höhere Auflösung. Insbesondere bei der Füllstandsmessung stellt dies eine wichtige Anforderung dar, denn hier ist speziell bei großen Behältern eine möglichst genaue Kenntnis des Füllstandes (L) gefragt. Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung hoher Frequenzen besteht darin, dass kleinere Antennen (und somit auch kleinere Anschluss-Flansche zur Anbringung am Behälter) verwendet werden können, ohne dass die Bündelungs-Wirkung der Antenne vermindert wird. Daher ist es erstrebenswert, Füllstandsmessung oder Distanz- bzw. Geschwindigkeitsmessung im Allgemeinen bei höheren Frequenzen als 79 GHz (bis hin zu sehr hohen Radarfrequenzen bis zu 300 GHz) zu betreiben.In the case of level measurement, radar frequency bands at 6 GHz, 26 GHz or 79 GHz are used. The higher frequency bands are preferred, since in these cases a larger absolute bandwidth can be used. This in turn allows a higher resolution. This is an important requirement, in particular in the case of level measurement, since in the case of large containers in particular the most accurate knowledge of the filling level (L) is required. Another advantage of using high frequencies is that smaller antennas (and thus smaller terminal flanges for attachment to the container) can be used without reducing the antenna's condensing effect. Therefore, it is desirable to operate level measurement or distance or speed measurement generally at higher frequencies than 79 GHz (up to very high radar frequencies up to 300 GHz).

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 Hochfrequenzbaugruppen. Die Hochfrequenzbaugruppe speist hierbei eine Sende-Antenne, wodurch das 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 sophisticated solutions for frequencies up to approximately 79 GHz for generating an electrical high-frequency signal by means of corresponding high-frequency modules. The high-frequency module feeds a transmitting antenna, whereby the radar transmission signal is generated and emitted. Accordingly, the frequency of the radar transmission signal is determined by the high frequency assembly.

Geeignete Hochfrequenzbaugruppen zur Erzeugung von Hochfrequenzsignalen 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 Hochfrequenzbaugruppe nach dem Stand der Technik gezeigt:
Kern der dortigen Hochfrequenzbaugruppe ist ein Hochfrequenz-Oszillator (in der Regel wird hierfür ein VCO, also ein „Voltage Controlled Oscillator” eingesetzt), der ein entsprechendes Hochfrequenz-Signal (sHF) erzeugt. Die für FMCW typische sägezahnförmige Frequenzänderung des Hochfrequenz-Signals (sHF) wird hierbei dadurch eingeprägt, dass der Hochfrequenz-Oszillator über eine Rückkopplungsschaltung, auch unter dem Namen PLL („Phase Locked Loop”) bekannt, geregelt wird.
Suitable high-frequency modules 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 assembly according to the prior art:
Core of the local high-frequency module is a high-frequency oscillator (usually this is a VCO, so a "Voltage Controlled Oscillator" used), which generates a corresponding high-frequency signal (s HF ). The typical for FMCW sawtooth frequency change of the high-frequency signal (s HF ) is thereby impressed by the fact that the high-frequency oscillator via a feedback circuit, also known under the name PLL ("Phase Locked Loop"), regulated.

Dabei wird die Rückkopplung realisiert, indem aus dem Hochfrequenz-Signal (sHF) des Hochfrequenz-Oszillators über einen Frequenzteiler ein Regelsignal (sc) abgezweigt wird. Dieses wird einem Phasenkomparator zugeführt, welcher die momentane Phasenlage mit der eines frequenzkonstanten Referenzsignals (sclock) vergleicht. Die Frequenz (fclock) des Referenzsignals (sclock) liegt dabei in Bereichen von vorzugsweise 10 MHz bis 100 MHz und kann mittels eines entsprechenden Quarzoszillators erzeugt werden.In this case, the feedback is realized by a control signal (s c ) is diverted from the high-frequency signal (s HF ) 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 (s clock ). The frequency (f clock ) of the reference signal (s clock ) is in the range of preferably 10 MHz to 100 MHz and can be generated by means of a corresponding quartz oscillator.

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. Wie der Name bereits sagt, ist die Frequenz (fHF) des VCO's wiederum abhängig vom Spannungswert an dessen Eingang.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. As the name implies, the frequency (f HF ) of the VCO is dependent on the voltage at its input.

Die beim sägezahnförmigen Frequenzverlauf typische zeitlich konstante Frequenzänderung des hochfrequenten Signals kann in der oben beschriebenen Regelschleife alternativ an zwei Punkten eingestellt werden: Entweder wird der Frequenzteiler derart ausgelegt, dass sich dessen Teilerfaktor zeitlich konstant, also quasi sägezahnförmig verändern lässt. Bei solch einer Auslegung kann der Teilerfaktor jeglichen rationellen Wert annehmen. In diesem Fall wird häufig auch von einer „Fractional-N PLL” gesprochen.The time-constant frequency change of the high-frequency signal which is typical in the case of a sawtooth-shaped frequency characteristic can alternatively be set at two points in the control loop described above: Either the frequency divider is designed such that its divisor factor can be changed over time, ie quasi sawtooth-shaped. With such a design, the divider factor can take on any rational value. In this case, one often speaks of a "fractional-N PLL".

Alternativ ist es auch möglich, dass der Teilerfaktor des Frequenzteilers auf einen ganzzahligen Wert voreingestellt wird und die Frequenz des Referenzsignals (sclock) am entsprechenden Eingang des Phasenkomparators in geeigneter Weise moduliert wird, um die Sagezahnförmige Frequenzänderung des Hochfrequenz-Signals zu erreichen. Hierfür kann beispielsweise ein DDS-Baustein („Direct Digital Synthesis”) eingesetzt werden.Alternatively, it is also possible that the divider factor of the frequency divider is preset to an integer value and the frequency of the reference signal (s clock ) is modulated at the corresponding input of the phase comparator in a suitable manner to achieve the sawtooth frequency change of the high-frequency signal. For this example, a DDS module ("Direct Digital Synthesis") can be used.

VCO's und Frequenzteiler für Frequenzen im Bereich von 79 GHz und höher weisen nach dem derzeitigen Stand der Technik hohen Leistungsverbrauch und hohes Eigenrauschen auf. Sie werden daher in der Regel bei Frequenzen unter 20 GHz realisiert. sind nicht in der Lage, Frequenzen im Bereich von 79 GHz zu erzeugen, sondern unter technisch vertretbarem Aufwand lediglich bis hin zu Bereichen von ca. 10 GHz. Daher umfasst eine oben beschriebene Schaltung am Ausgang des VCO's in der Regel zusätzlich einen Frequenzvervielfacher mit entsprechendem Multiplikationsfaktor. VCOs and frequency dividers for frequencies in the range of 79 GHz and higher have high power consumption and high inherent noise in the current state of the art. They are therefore usually realized at frequencies below 20 GHz. are not able to generate frequencies in the range of 79 GHz, but at technically justifiable expense only up to ranges of about 10 GHz. Therefore, a circuit described above at the output of the VCO usually also includes a frequency multiplier with a corresponding multiplication factor.

Wie anfangs begründet, sind bei Radar-basierter Distanz- und Geschwindigkeitsmessung insbesondere noch deutlich höhere Frequenzen bis hin zu 300 GHz vorteilhaft. Mit der zuvor beschriebenen Hochfrequenzbaugruppe wäre eine entsprechende Realisierung jedoch mit extremen Nachteilen verbunden: Um solch hohe Frequenzen zu erreichen, müsste der Frequenzvervielfacher der Hochfrequenzbaugruppe einen deutlich höheren Multiplikationsfaktor aufweisen (da VCO's und Frequenzteiler in ihrer Maximalfrequenz begrenzt sind). Hierdurch würde jedoch nicht nur die Frequenz entsprechend vervielfacht werden, sondern überproportional auch das Phasenrauschen der gesamten Hochfrequenzbaugruppe. Deren (insbesondere bei hohen Frequenzen hohes) Phasenrauschen ist maßgeblich darauf zurückzuführen, dass die PLL-Regelschleife derart einstellbar ausgelegt sein muss, um die Sägezahnförmige Frequenzänderung des Hochfrequenz-Signals zu ermöglichen.As explained at the beginning, in radar-based distance and speed measurement especially even higher frequencies up to 300 GHz are advantageous. With the high-frequency module described above, however, a corresponding implementation would be associated with extreme disadvantages: To achieve such high frequencies, the frequency multiplier of the high-frequency module would have to have a significantly higher multiplication factor (since VCOs and frequency dividers are limited in their maximum frequency). As a result, not only the frequency would be multiplied accordingly, but disproportionately the phase noise of the entire high-frequency module. Their (especially at high frequencies high) phase noise is largely due to the fact that the PLL control loop must be designed adjustable so as to allow the sawtooth frequency change of the high-frequency signal.

Der nachteilige Effekt von starkem (Phasen-)Rauschen auf die Distanz- oder Geschwindigkeits-Messung ist jedoch, dass die Empfindlichkeit, mit der kleine oder schlecht reflektierende Messobjekte insbesondere bei weiten Entfernungen detektiert werden können, drastisch abnimmt.The disadvantageous effect of strong (phase) noise on the distance or speed measurement, however, is that the sensitivity with which small or poorly reflecting measurement objects can be detected, especially at long distances, drastically decreases.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Signalerzeugungs-Einheit bereitzustellen, mit dem ein rauscharmes, elektrisches Hochfrequenz-Signal für ein FMCW-Radar basiertes Distanz- oder Geschwindigkeits-Messgerät erzeugt werden kann.The invention is therefore based on the object to provide a signal generating unit with which a low-noise, electrical high-frequency signal for a FMCW radar-based distance or speed measuring device can be generated.

Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, wird durch eine Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit zur Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenz-Signals (sHF) für ein FMCW-Radar basiertes Distanz- oder Geschwindigkeits-Messgerät gelöst. Das Hochfrequenz-Signal (sHF) weist eine Frequenz (fHF) auf, die innerhalb einer vordefinierten Frequenzdifferenz (Δf) veränderbar ist. Erfindungsgemäß umfasst die Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit folgende Komponenten:

  • – Eine erste Hochfrequenzbaugruppe zur Erzeugung eines ersten hochfrequenten Signals (svar), wobei die erste Hochfrequenzbaugruppe derart ausgestaltet ist, dass die Frequenz (fvar) des ersten hochfrequenten Signals (svar) zumindest um die Frequenzdifferenz (Δf) veränderbar ist,
  • – eine zweite Hochfrequenzbaugruppe zur Erzeugung eines zweiten hochfrequenten Signals (sfix) mit einer festen Frequenz (ffix), und
  • – einen Mischer zur Erzeugung des Hochfrequenz-Signals (sHF) mittels des ersten Signals (svar) und des zweiten Signals (sfix).
The object on which the invention is based is achieved by a high-frequency signal generation unit for generating a high-frequency electrical signal (s HF ) for a FMCW radar-based distance or speed measuring device. The high-frequency signal (s HF ) has a frequency (f HF ), which is variable within a predefined frequency difference (.DELTA.f). According to the invention, the high-frequency signal generation unit comprises the following components:
  • A first high-frequency module for generating a first high-frequency signal (s var ), wherein the first high-frequency module is designed such that the frequency (f var ) of the first high-frequency signal (s var ) is variable at least by the frequency difference (Δf)
  • A second high-frequency module for generating a second high-frequency signal (s fix ) with a fixed frequency (f fix ), and
  • - A mixer for generating the high-frequency signal (s HF ) by means of the first signal (s var ) and the second signal (s fix ).

Durch die erfindungsgemäße Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit kann ein Hochfrequenz-Signal bei sehr hohen Frequenzen von bis zu 300 GHz potentiell (phasen-)rauschärmer erzeugt werden, als es nach dem Stand der Technik möglich ist. Hierzu wird der Effekt genutzt, dass sich das Hochfrequenzsignal (sHF) nicht lediglich aus einem, sondern aus zwei Signalen (svar, sfix) zusammensetzt. Dabei leistet das zusätzliche zweite Signal (Sfix) mit seiner festen Frequenz (ffix) einen hohen Anteil zu der Frequenz (fHF) des Hochfrequenz-Signals (sHF). Dies mindert insofern das Phasenrauschen, als dass ein elektrisches Signal (sfix) mit einer festen Frequenz (ffix) prinzipiell rauschärmer erzeugt werden kann, als ein Signal (svar), dessen veränderbare Frequenz (fvar) im gleichen Größenordnungsbereich liegt. Damit zusammenhängend wird das Phasenrauschen von einem Signal (svar) mit veränderbarer Frequenz (fvar) überproportional verringert, wenn diese veränderbare Frequenz (fvar) generell niedriger angesetzt werden kann. Obwohl also durch das Mischen der beiden Signale (svar, sfix) das Phasenrauschen des resultierenden Hochfrequenz-Signals (sHF) quasi addiert wird, fällt das Phasenrauschen in der Summe dennoch viel geringer aus, als wenn das Hochfrequenz-Signal (wie nach dem Stand der Technik) lediglich aus einem einzigen Signal, dessen Frequenz veränderbar sein muss, erzeugt wird.By means of the high-frequency signal generation unit according to the invention, a high-frequency signal at very high frequencies of up to 300 GHz can potentially be generated (phase) less noise than is possible according to the prior art. For this purpose, the effect is used that the high-frequency signal (s HF ) not only from one, but from two signals (s var , s fix ) composed. The additional second signal (S fix ) with its fixed frequency (f fix ) makes a high contribution to the frequency (f HF ) of the high-frequency signal (s HF ). This reduces the phase noise insofar as an electrical signal (s fix ) with a fixed frequency (f fix ) can in principle be generated with less noise than a signal (s var ) whose variable frequency (f var ) is in the same order of magnitude. Related to this, the phase noise from a variable frequency signal (s var ) (f var ) is reduced disproportionately if this variable frequency (f var ) can generally be set lower. Although the phase noise of the resulting high-frequency signal (s HF ) is thus quasi added by the mixing of the two signals (s var , s fix ), the phase noise in the sum nevertheless falls much lower than if the high-frequency signal (as after the prior art) only from a single signal whose frequency must be variable, is generated.

Sofern das Hochfrequenz-Signal (sHF) für den Einsatz beim FMCW-basierten Radar-Verfahren bestimmt ist, hat die Frequenz (fvar) des ersten hochfrequenten Signals (svar) innerhalb der Frequenzdifferenz (Δf) eine zeitlich konstante, insbesondere Sägezahn-förmige, Frequenzänderung aufzuweisen.If the high-frequency signal (s HF ) is intended for use in the FMCW-based radar method, the frequency (f var ) of the first high-frequency signal (s var ) within the frequency difference (Δf) has a time-constant, in particular sawtooth shaped, frequency change.

Zudem ist es von Vorteil, wenn das zweite Signal (sfix) und das erste Signal (svar) durch ein gemeinsames Referenzsignal (sclock), welches eine sehr genau bekannte Referenzfrequenz (fclock) aufweist, getaktet werden. Hierdurch ist es sichergestellt, dass beide Signale (svar, sfix) einen gemeinsamen, bekannten Phasenbezug aufweisen. Damit einhergehend wird das Hochfrequenzsignal (sHF) auf eine vorbekannte Referenzfrequenz (fclock) skaliert.In addition, it is advantageous if the second signal (s fix ) and the first signal (s var ) by a common reference signal (s clock ), which has a very well-known reference frequency (f clock ), are clocked. This ensures that both signals (s var , s fix ) have a common, known phase reference. Along with this, the high-frequency signal (s HF ) is scaled to a previously known reference frequency (f clock ).

Zu einer optimalen Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist erste Signal (svar) vorzugsweise derart mit dem zweiten Signal (sfix) zu mischen, dass die Frequenz (fHF) des Hochfrequenzsignals (sHF) der Summe aus der veränderbaren Frequenz (fvar) des ersten Signals (svar) und der festen Frequenz (ffix) des zweiten Signals (sfix) entspricht. Insbesondere kann durch eine entsprechende Abstimmung der veränderbaren Frequenz (fvar) und der festen Frequenz (ffix) zueinander erreicht werden, dass das Phasenrauschen des Hochfrequenz-Signals (sHF) minimiert wird. In diesem Zusammenhang ist vor allem die veränderbare Frequenz (fvar) die dominante Größe: Zum einen sollte sie so klein wie möglich gewählt werden, so dass sie in Bezug zur Referenzfrequenz (fclock) ein möglichst geringes Vielfaches darstellt. Dadurch wird auch das Phasenrauschen entsprechend gering vervielfacht. Zum anderen darf die veränderbare Frequenz (fvar) jedoch nicht zu gering gewählt werden, damit das Verhältnis zu der (von vornherein festgelegten) Frequenzdifferenz (Δf) nicht zu klein ausfällt. Denn sofern die veränderbare Frequenz (fvar) im Verhältnis zur Frequenzdifferenz (Δf) zu klein gewählt wird, könnte ein etwaiger VCO zur Erzeugung des veränderbaren Signals (svar) außerhalb seines Arbeitsbereichs betrieben werden, wodurch wiederum das Phasenrauschen überproportional verstärkt wird. Entsprechend der gewählten veränderbaren Frequenz (fvar) hat die feste Frequenz (ffix) so eingestellt zu werden, dass die Summe aus fester Frequenz (ffix) und veränderbarer Frequenz (fvar) die gewünschte Frequenz (fHF) des Hochfrequenz-Signals (sHF) ergibt. For optimum implementation of the method according to the invention, first signal (s var ) is preferably to be mixed with the second signal (s fix ) such that the frequency (f HF ) of the high-frequency signal (s HF ) is the sum of the variable frequency (f var ) of the first signal (s var ) and the fixed frequency (f fix ) of the second signal (s fix ). In particular, can be achieved by an appropriate vote of the variable frequency (f var ) and the fixed frequency (f fix ) to each other that the phase noise of the high-frequency signal (s HF ) is minimized. In this context, the variable frequency (f var ) is the dominant variable. On the one hand, it should be chosen as small as possible so that it is as small as possible in relation to the reference frequency (f clock ). As a result, the phase noise is correspondingly low multiplied. On the other hand, however, the variable frequency (f var ) must not be too low, so that the ratio to the (predetermined) frequency difference (Δf) is not too small. For if the variable frequency (f var ) is chosen too small in relation to the frequency difference (Δf), any VCO for generating the variable signal (s var ) could be operated outside its operating range, which in turn disproportionately amplifies the phase noise. According to the selected variable frequency (f var ), the fixed frequency (f fix ) has to be set so that the sum of fixed frequency (f fix ) and variable frequency (f var ) is the desired frequency (f HF ) of the high frequency signal (s HF ) yields.

Um bei FMCW-Radar basierten Distanz- oder Geschwindigkeits-Messung eine hohe Auflösung erzielen zu können, ist sind die veränderbare Frequenz (fvar) des ersten Signals (svar) und die feste Frequenz (6) des zweiten Signals (sfix) vorzugsweise derart zu bemessen, dass die Frequenz (fHF) des Hochfrequenz-Signals (sHF) sehr hoch, also insbesondere höher als 120 GHz ist.In order to be able to achieve a high resolution with FMCW radar-based distance or speed measurement, the variable frequency (f var ) of the first signal (s var ) and the fixed frequency (f var ) are 6 ) of the second signal (s fix ) preferably to be dimensioned such that the frequency (f HF ) of the high-frequency signal (s HF ) is very high, ie in particular higher than 120 GHz.

Vorteilhaft ist es hierbei wiederum, wenn die Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit eine Takteinheit zur gemeinsamen Taktung der ersten Hochfrequenzbaugruppe und der zweiten Hochfrequenzbaugruppe mittels eines Referenzsignals (sclock) aufweist. Hierdurch wird ein gemeinsamer Phasenbezug hergestellt und gleichzeitig das Hochfrequenzsignal (sHF) auf eine vorbekannte Referenzfrequenz (fclock) skaliert.In this case, it is again advantageous if the high-frequency signal generating unit has a clock unit for common clocking of the first high-frequency module and the second high-frequency module by means of a reference signal (s clock ). As a result, a common phase reference is produced and at the same time the high-frequency signal (s HF ) is scaled to a previously known reference frequency (f clock ).

Die erste Hochfrequenzbaugruppe kann aufgebaut sein, wie es bereits aus dem Stand der Technik bekannt ist. In diesem Fall umfasst sie, wie zu Beginn beschrieben, zumindest folgende Komponenten:

  • – Einen Hochfrequenz-Oszillator zur Erzeugung des ersten hochfrequenten Signals (svar),
  • – einen Frequenzteiler zur Erzeugung eines Regelsignals (sc) mittels des ersten hochfrequenten Signals (svar), wobei das Regelsignal (sc) eine Regelfrequenz (fc) aufweist, die in Bezug zu der veränderbaren Frequenz (fvar) um einen Teilerfaktor (N) geringer ist, und
  • – einen Phasenkomparator, der mittels des Regelsignals (sc) und des Taktsignals (sclock) die veränderbare Frequenz (fvar) des Hochfrequenz-Oszillators regelt.
The first high-frequency module can be constructed, as it is already known from the prior art. In this case, as described at the beginning, it comprises at least the following components:
  • A high-frequency oscillator for generating the first high-frequency signal (s var ),
  • - A frequency divider for generating a control signal (s c ) by means of the first high-frequency signal (s var ), wherein the control signal (s c ) has a control frequency (f c ) with respect to the variable frequency (f var ) by a divider factor (N) is lower, and
  • - A phase comparator, which regulates by means of the control signal (s c ) and the clock signal (s clock ), the variable frequency (f var ) of the high-frequency oscillator.

Hierbei kann der Frequenzteiler entweder derart ausgestaltet sein, dass der Teilerfaktor (N) veränderbar ist. In diesem Fall wird die Sägezahnförmige Änderung des ersten hochfrequenten Signals (svar) durch eine entsprechende zeitliche Änderung des Teilerfaktors N bewirkt.Here, the frequency divider can either be designed such that the divider factor (N) is variable. In this case, the sawtooth-shaped change of the first high-frequency signal (s var ) is effected by a corresponding change over time of the divisor factor N.

Alternativ kann der Frequenzteiler derart ausgestaltet sein, dass der Teilerfaktor (N) lediglich fest und ganzzahlig voreinstellbar ist. In diesem Fall muss die erste Hochfrequenzbaugruppe einen Frequenzwandler zur Wandlung der Frequenz (fclock) des dem Phasenkomparator zugeführten Taktsignals (sclock) umfassen: Hierbei muss der Frequenzwandler derart ausgestaltet sein, dass die Frequenz (fclock) mit einem veränderbaren Wandlungsfaktor umwandelbar ist, so dass hierüber die Sägezahnförmige Änderung des ersten hochfrequenten Signals (svar) gesteuert wird.Alternatively, the frequency divider can be designed such that the divider factor (N) can only be preset in a fixed and integer manner. In this case, the first high-frequency module must comprise a frequency converter for converting the frequency (f clock ) of the clock signal supplied to the phase comparator (s clock ): Here, the frequency converter must be designed so that the frequency (f clock ) is convertible with a variable conversion factor, so that on this the sawtooth-shaped change of the first high-frequency signal (s var ) is controlled.

Je nach exakter Auslegung der ersten Hochfrequenzbaugruppe kann es notwendig sein, dass sie einen vor dem Mischer angeordneten Frequenzvervielfacher zur Frequenzvervielfachung des ersten hochfrequenten Signals (svar) umfasst.Depending on the exact design of the first high-frequency module, it may be necessary that it comprises a frequency multiplier arranged in front of the mixer for frequency multiplication of the first high-frequency signal (s var ).

Da mittels der erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit ein elektrischen Hochfrequenz-Signal (sHF) mit sehr hoher Frequenz bei geringem Phasenrauschen erzeugt werden kann, bietet es sich an, das FMCW-Radar basierte Distanz- bzw. Geschwindigkeits-Messgerät als Füllstandsmessgerät zur Messung des Füllstandes (1) in einem Behälter einzusetzen.Since an electrical high-frequency signal (s HF ) can be generated at very low frequency with low phase noise by means of the high-frequency signal generation unit according to the invention, it makes sense to use the FMCW radar-based distance or speed measuring device as a level measuring device for measuring the filling level ( 1 ) in a container.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figur/Figuren erläutert. Es zeigt:The invention will be explained with reference to the following figure / figures. It shows:

1: Eine schematische Darstellung eines sägezahnförmigen Hochfrequenz-Sendesignals, 1 : A schematic representation of a sawtooth-shaped high-frequency transmission signal,

2: ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit, 2 FIG. 1 is a block diagram of the high-frequency signal generation unit according to the invention, FIG.

3: zwei Ausgestaltungsmöglichkeiten der Hochfrequenzbaugruppe innerhalb der erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit, und 3 : two design options of the high-frequency module within the high-frequency signal generation unit according to the invention, and

4: Eine mögliche Verwendung der erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit in einem Radar-basierten Füllstandsmessgerät 4 A possible use of the high-frequency signal generation unit according to the invention in a radar-based level gauge

Anhand von 1 wird verdeutlicht, wie mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ein rauscharmes Hochfrequenz-Signal sHF erzeugt werden kann. In dem dort gezeigten Diagramm ist die Frequenz f gegenüber der Zeit t aufgetragen. Das im Diagramm gezeigte Hochfrequenz-Signal sHF wird im Gegensatz zum Stand der Technik durch Mischen zweier Signale svar, Sfix erzeugt. Hierbei weist das erste Signal svar, wie im Diagramm dargestellt, eine zeitlich veränderbare Frequenz fvar und das zweite Signal eine feste Frequenz ffix auf. In Bezug zu der Frequenz fHF des Hochfrequenz-Signals sHF bewirkt das Mischen, dass sich die Frequenz fHF des Hochfrequenz-Signals sHF aus der Summe der veränderbaren Frequenz fvar und der festen Frequenz ffix ergibt. Um eine Frequenz fHF des Hochfrequenz-Signals sHF von 160 GHz zu realisieren, wäre es zum Beispiel möglich, die veränderbare Frequenz mit 20 GHz und die feste Frequenz mit 140 GHz auszulegen (wie zuvor beschrieben, ist es für eine Minimierung des Phasenrauschens förderlich, die veränderbare Frequenz fvar so gering wie möglich zu bemessen).Based on 1 illustrates how a low-noise high-frequency signal s RF can be generated by means of the method according to the invention. In the diagram shown there, the frequency f is plotted against the time t. The high-frequency signal s HF shown in the diagram is generated in contrast to the prior art by mixing two signals s var , S fix . Here, the first signal s var , as shown in the diagram, a time-variable frequency f var and the second signal to a fixed frequency f fix . With respect to the frequency f HF of the high-frequency signal s HF , the mixing causes the frequency f HF of the high-frequency signal s HF to be the sum of the variable frequency f var and the fixed frequency f fix . For example, to realize a frequency f HF of the high frequency signal s HF of 160 GHz, it would be possible to design the variable frequency at 20 GHz and the fixed frequency at 140 GHz (as described above, it is conducive to minimizing the phase noise to set the variable frequency f var as low as possible).

Wie in 1 verdeutlicht wird, verändert sich die Frequenz fvar des veränderbaren Signals svar innerhalb einer Frequenzdifferenz Δf um ±½·Δf. Im gezeigten Fall handelt es sich, wie beim FMCW-Verfahren üblich, um eine periodisch, Sägezahnförmige (also innerhalb dieser Periode zeitlich konstante) Änderung der Frequenz fvar. Durch das Mischen weist auch das Hochfrequenz-Signal sHF diese sägezahnförmige Änderung von dessen Frequenz fHF auf.As in 1 is clarified, the frequency f var of the variable signal s var within a frequency difference .DELTA.f by ± ½ · .DELTA.f changed. In the case shown, as usual with the FMCW method, a periodic, sawtooth-shaped (ie time-constant within this period) change in the frequency f var . By mixing, the high-frequency signal s HF has this sawtooth-shaped change of its frequency f HF .

Die Periodizität der sägezahnförmigen Änderung kann dabei, wie beim FMCW-Verfahren typisch, in einer Größenordnung von bis zu einigen 100 MHz liegen. Die Frequenzdifferenz Δf ist dabei vorzugsweise so bemessen, dass sie die maximal mögliche Bandbreite umfasst (wie anfangs erwähnt, erhöht eine hohe Bandbreite die Auflösung der Distanzmessung). Im Frequenzband von 79 GHz beträgt die Bandbreite beispielsweise 2 GHz, also von 78 GHz bis 80 GHz. Bei höheren Frequenzbändern ist die Bandbreite (und damit die einstellbare Frequenzdifferenz Δf entsprechend noch höher).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 dimensioned such that it comprises the maximum possible bandwidth (as mentioned above, a high bandwidth increases the resolution of the distance measurement). In the frequency band of 79 GHz, the bandwidth is for example 2 GHz, ie from 78 GHz to 80 GHz. At higher frequency bands, the bandwidth (and thus the adjustable frequency difference Δf correspondingly even higher).

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann das Phasenrauschen des Hochfrequenz-Signals sHF sehr gering gehalten werden, da ein elektrisches Signal sfix mit einer festen Frequenz ffix prinzipiell rauschärmer erzeugt werden kann, als ein Signal svar, dessen veränderbare Frequenz fvar im gleichen Größenordnungsbereich liegt. Gleichzeitig kann aufgrund der elektronischen und technischen Rahmenbedingungen das Phasenrauschen von einem Signal svar mit veränderbarer Frequenz fvar überproportional verringert werden, wenn diese veränderbare Frequenz fvar generell niedriger angesetzt wird. Somit fällt also das Phasenrauschen des resultierenden Hochfrequenz-Signals sHF (obwohl durch das Mischen der beiden Signale svar, sfix das Phasenrauschen quasi addiert wird) geringer aus, als wenn das Hochfrequenz-Signal sHF lediglich aus einem einzigen Signal, dessen Frequenz um die vorbestimmte Frequenzdifferenz Δf veränderbar sein muss, erzeugt wird (vergleiche hierzu den eingangs erwähnten Stand der Technik).By means of the method according to the invention, the phase noise of the high-frequency signal s HF can be kept very low since an electrical signal s fix with a fixed frequency f fix can in principle be generated with lower noise than a signal s var whose variable frequency f var is in the same order of magnitude lies. At the same time, due to the electronic and technical conditions, the phase noise can be reduced disproportionately by a signal s var with variable frequency f var , if this variable frequency f var is generally set lower. Thus, thus the phase noise of the resulting high frequency signal s falls HF (although, s fix the phase noise is quasi added by mixing the two signals s var) is less as if the high frequency signal S HF only of a single signal whose frequency is to be variable by the predetermined frequency difference .DELTA.f is generated (compare to the above-mentioned prior art).

In 2 ist eine Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit 1 gezeigt, mit der das erfindungsgemäße Verfahren umgesetzt werden kann. In der Darstellung ist die Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit 1, wie nach dem Stand der Technik üblich, an eine Sende-/Empfangseinheit 2 angeschlossen.In 2 is a high-frequency signal generation unit 1 shown, with which the inventive method can be implemented. In the illustration is the high-frequency signal generation unit 1 , as customary in the prior art, to a transmitting / receiving unit 2 connected.

Dabei wird das Hochfrequenz-Signal sHF innerhalb der Sende-/Empfangseinheit 2 über einen Signalteiler 21 (und gegebenenfalls einem Ausgangsverstärker 22) einer Sende-Antenne 23 (beispielsweise als Planar-Antenne, insbesondere als Patch- oder Fraktal-Antenne realisiert) zugeführt. Dort wird das elektrische Hochfrequenz-Signal sHF in das eigentliche Radar-Hochfrequenz-Sendesignal SHF umgewandelt und entsprechend abgestrahlt.In this case, the high-frequency signal s HF within the transmitting / receiving unit 2 via a signal divider 21 (and optionally an output amplifier 22 ) of a transmitting antenna 23 (implemented as a planar antenna, in particular as a patch or fractal antenna). There, the electrical high-frequency signal s HF is converted into the actual radar radio-frequency transmission signal S HF and emitted accordingly.

Durch Reflektion des Hochfrequenz-Sendesignals SHF am Messobjekt wird ein Hochfrequenz-Empfangssignal EHF an einer Empfangs-Antenne 24 der Sende-/Empfangseinheit 2 empfangen und in ein elektrisches Signal zurückgewandelt (welches wiederum gegebenenfalls durch einen Empfangsverstärker 25 verstärkt wird). Dieses wird im Anschluss mittels eines Empfangsmischers 26 mit dem Hochfrequenz-Signal sHF 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.By reflection of the high-frequency transmission signal S HF on the measurement object, a high-frequency reception signal E HF at a receiving antenna 24 the transmitting / receiving unit 2 received and converted back into an electrical signal (which, in turn, optionally by a receiving amplifier 25 is reinforced). This is then connected by means of a receiving mixer 26 mixed with the high-frequency signal s HF , wherein the high-frequency signal s HF for this purpose from the signal splitter 21 is branched off. As a result, a difference signal e LF typical in the FMCW method is generated, which forms the basis for determining the distance or speed.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren weist die Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit 1 nicht nur eine, sondern zwei Hochfrequenzbaugruppen 11, 12 auf: Dabei erzeugt die erste Hochfrequenzbaugruppe 11 das veränderbare hochfrequente Signal svar, dessen Frequenz fvar um die Frequenzdifferenz Δf veränderbar ist. Die zweite Hochfrequenzbaugruppe 12 erzeugt das zweite hochfrequente Signal sfix, das im Gegensatz zum veränderbaren Signal svar eine feste Frequenz ffix aufweist. Den Hochfrequenzbaugruppen 11, 12 ist ein Mischer 13 nachgeschaltet, der durch das Mischen des ersten Signals svar mit dem zweiten Signal sfiX das Hochfrequenz-Signal sHF erzeugt. Der Mischer 13 ist dabei so ausgelegt, dass sich die Frequenz fHF des Hochfrequenz-Signals sHF aus der Summe der veränderbaren Frequenz fvar und der festen Frequenz ffix ergibt.According to the inventive method, the high-frequency signal generating unit 1 not just one, but two high frequency assemblies 11 . 12 on: This generates the first high-frequency module 11 the variable high-frequency signal s var whose frequency f var is variable by the frequency difference .DELTA.f. The second high-frequency module 12 generates the second high-frequency signal s fix , which, in contrast to the variable signal s var, has a fixed frequency f fix . The high frequency assemblies 11 . 12 is a mixer 13 downstream, which generates the high-frequency signal s HF by mixing the first signal s var with the second signal s fiX . The mixer 13 is designed so that the frequency f HF of the High frequency signal s HF from the sum of the variable frequency f var and the fixed frequency f fix results.

Darüber hinaus werden beide Hochfrequenzbauteile 11, 12 durch eine gemeinsame Takteinheit 14 mittels eines Referenzsignals sclock getaktet. Das Referenzsignal weist hierbei eine exakt voreinstellbare Referenzfrequenz fclock auf. Hierzu kann beispielsweise ein Quarzoszillator eingesetzt werden. Dadurch wird sichergestellt, dass beide Hochfrequenzbaugruppen 11, 12 einen gemeinsamen, bekannten Phasenbezug aufweisen und die Auswertung des niederfrequenten Empfangssignals eLF in Bezug zu einem zeitlich definierten Maß gesetzt werden kann.In addition, both high-frequency components 11 . 12 through a common clock unit 14 clocked by a reference signal s clock . In this case, the reference signal has an exactly presettable reference frequency f clock . For this purpose, for example, a quartz oscillator can be used. This will ensure that both high-frequency assemblies 11 . 12 have a common, known phase reference and the evaluation of the low-frequency received signal e LF can be set in relation to a time-defined measure.

Die zwei Hochfrequenzbaugruppen 11, 12 können jeweils prinzipiell so aufgebaut sein, wie es bereits aus dem Stand der Technik bekannt ist. Zur Illustration dessen sind in 3 zwei mögliche Ausführungsformen (3a bzw. 3b) der ersten Hochfrequenzbaugruppe 11 gezeigt: Hierbei basiert die erste Hochfrequenzbaugruppe 11 auf einem Hochfrequenz-Oszillator 111 (vorzugsweise als VCO realisiert), der das veränderbare Signal svar erzeugt. Der Hochfrequenz-Oszillator 111 wird wiederum per Rückkopplung, auch als PLL („Phase Locked Loop”) bekannt, geregelt.The two high frequency assemblies 11 . 12 each can in principle be constructed as it is already known from the prior art. To illustrate this are in 3 two possible embodiments ( 3a respectively. 3b ) of the first high-frequency module 11 Shown here is the first high-frequency module 11 on a high frequency oscillator 111 (preferably realized as a VCO), which generates the variable signal s var . The high-frequency oscillator 111 is in turn regulated by feedback, also known as PLL ("Phase Locked Loop").

Dabei wird die Rückkopplung realisiert, indem aus dem Ausgangs-Signal des Hochfrequenz-Oszillators 111 über einen Frequenzteiler 112 ein Regelsignal sc abgezweigt wird. Dieses wird einem Phasenkomparator 113 zugeführt, welcher die momentane Phasenlage mit der des frequenzkonstanten Referenzsignals sclock vergleicht. Die Frequenz fclock des Referenzsignals sclock kann hierbei im Bereich zwischen 10 MHz bis 100 MHz liegen. Das Referenzsignal sclock kann beispielsweise mittels eines entsprechenden Quarzoszillators erzeugt werden.In this case, the feedback is realized by the output signal of the high-frequency oscillator 111 via a frequency divider 112 a control signal s c is branched off. This becomes a phase comparator 113 supplied, which compares the instantaneous phase position with that of the frequency constant reference signal s clock . The frequency f clock of the reference signal s clock may be in the range between 10 MHz to 100 MHz. The reference signal s clock can be generated for example by means of a corresponding quartz oscillator.

Der Phasenkomparator 113 steuert den Hochfrequenz-Oszillator 111 über ein analoges DC-Signal, wobei sich der Spannungswert des DC-Signals nach der momentanen Phasenlage an den Eingängen des Phasenkomparators 113 richtet. Entsprechend der Funktion des Hochfrequenz-Oszillators 111 ist dessen Ausgangs-Frequenz wiederum abhängig vom Spannungswert an dessen Eingang.The phase comparator 113 controls the high-frequency oscillator 111 via an analog DC signal, wherein the voltage value of the DC signal according to the instantaneous phase position at the inputs of the phase comparator 113 directed. According to the function of the high-frequency oscillator 111 its output frequency is again dependent on the voltage value at its input.

Die beim sägezahnförmigen Frequenzverlauf typische zeitlich konstante Frequenzänderung des hochfrequenten Signals kann in dieser Regelschleife alternativ an zwei Punkten eingestellt werden:
Entweder ist es möglich, den Frequenzteiler 112 derart auszulegen, dass sich dessen Teilerfaktor N zeitlich konstant, also quasi sägezahnförmig verändern lässt. Dies ist in 3b 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.
The time-constant frequency change of the high-frequency signal, which is typical for the sawtooth-shaped frequency response, can alternatively be set at two points in this control loop:
Either it is possible to use the frequency divider 112 interpreted in such a way that its divisor factor N constant over time, so can change almost sawtooth. This is in 3b With such a design, the divider factor N can take on 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 112 so auszulegen, dass der Teilerfaktor N des Frequenzteilers 112 auf einen ganzzahligen Wert voreingestellt wird. Dies ist in 3a dargestellt: In diesem Fall muss die Frequenz fclock des Referenzsignals sclock am entsprechenden Eingang des Phasenkomparators 113 in geeigneter Weise moduliert werden, um die sägezahnförmige Frequenzänderung des veränderbaren Signals svar (und somit die Frequenzänderung des Hochfrequenz-Signals sHF) zu erreichen. Hierfür kann ein geeigneter Frequenzwandler 114, beispielsweise ein DDS-Baustein („Direct Digital Synthesis”), eingesetzt werden.Alternatively, it is also possible to use the frequency divider 112 be interpreted that the divider factor N of the frequency divider 112 is preset to an integer value. This is in 3a In this case, the frequency f clock of the reference signal s clock must be at the corresponding input of the phase comparator 113 be suitably modulated in order to achieve the sawtooth frequency change of the variable signal s var (and thus the frequency change of the high-frequency signal s HF ). For this purpose, a suitable frequency converter 114 For example, a DDS module ("Direct Digital Synthesis") can be used.

Da sich der Hochfrequenz-Oszillator 111 unter technisch vertretbarem Aufwand lediglich bis zu Frequenzen von ca. 10 GHz realisieren lässt, umfasst die Hochfrequenzbaugruppe 11 am Ausgang des Hochfrequenz-Oszillators 111 zusätzlich einen Frequenzvervielfacher 115 mit entsprechendem Multiplikationsfaktor M, um entsprechend hohe Frequenzen des veränderbaren Signals svar zu ermöglichen.Because the high-frequency oscillator 111 under technically justifiable expense only up to frequencies of about 10 GHz can be implemented, includes the high-frequency module 11 at the output of the high-frequency oscillator 111 in addition a frequency multiplier 115 with a corresponding multiplication factor M in order to enable correspondingly high frequencies of the variable signal s var .

In analoger Bauweise zu den in 3 gezeigten Ausführungsbeispielen der ersten Hochfrequenzbaugruppe 11 kann auch die zweite Hochfrequenzbaugruppe 12 realisiert werden. Da hierbei die Frequenz ffix des festen Signals sfix nicht veränderbar sein muss, muss hierzu im Fall der zweiten Hochfrequenzbaugruppe 12 weder der Teilerfaktor N des Frequenzteilers 112 veränderbar sein, noch muss ein etwaiger Frequenzwandler 114 vorhanden sein.In analogous construction to the in 3 shown embodiments of the first radio-frequency module 11 can also be the second high-frequency module 12 will be realized. Since in this case the frequency f fix of the fixed signal s fix must not be changeable, this must be done in the case of the second high-frequency module 12 neither the divider factor N of the frequency divider 112 be changeable, nor must any frequency converter 114 to be available.

Diese Unterschiede begründen, warum das Signal sfix der zweiten Hochfrequenzbaugruppe 12 im Vergleich zum veränderbaren Signal svar wesentlich rauschärmer erzeugt werden kann: Insbesondere der Frequenzwandler 114 sowie der Frequenzteiler 112, sofern er veränderbar realisiert ist, erzeugen einen hohen Anteil am Phasenrauschen.These differences justify why the signal s fix the second high-frequency module 12 In comparison to the variable signal s var can be generated substantially low noise: In particular, the frequency converter 114 as well as the frequency divider 112 if it is realized changeable, generate a high proportion of the phase noise.

Diese Tatsache wiederum kann erfindungsgemäß zur Erzeugung eines sehr Phasen-rauscharmen Hochfrequenz-Signals sHF genutzt werden, indem der Multiplikationsfaktor M des Frequenzvervielfachers 115 der ersten Hochfrequenzbaugruppe 1 im Verhältnis zum Multiplikationsfaktor der zweiten Hochfrequenzbaugruppe 12 sehr klein, beispielsweise im Verhältnis 1:10, ausgelegt wird. Dies hat den Vorteil, dass das starke Phasenrauschen des veränderbaren Frequenzteilers 112, bzw. des etwaigen Frequenzwandlers 114 aufgrund des kleinen Multiplikationsfaktors M lediglich sehr gering verstärkt wird (im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem ein hoher Multiplikationsfaktor M gewählt werden müsste, um eine hohe Frequenz fHF des Hochfrequenz-Signals sHF zu erreichen). Im Gegensatz dazu bewirkt ein hoher Multiplikationsfaktor im Falle der zweiten Hochfrequenzbaugruppe 12 kein derart erhöhtes Phasenrauschen, da der Frequenzteiler 112 nichtveränderbar realisiert sein kann und auch kein Frequenzwandler benötigt wird. Obwohl das Phasenrauschen des festen Signals sfix und des veränderbaren Signals durch das Mischen im Hochfrequenz-Signal sHF quasi „addiert” wird (mathematisch präzise ausgedrückt werden zwei unkorrelierte Rauschquellen geometrisch addiert. Dies entspricht der Wurzel aus der Summe des quadrierten Effektivwertes), kann hierdurch also insgesamt ein sehr phasen-rauscharmes Hochfrequenz-Signal sHF erzeugt werden.This fact in turn can be used according to the invention for generating a very phase-low-noise high-frequency signal s HF by the multiplication factor M of the frequency multiplier 115 the first high-frequency module 1 in proportion to the multiplication factor of the second high-frequency module 12 very small, for example in the ratio 1:10, is designed. This has the advantage that the strong phase noise of the variable frequency divider 112 , or the possible frequency converter 114 is amplified only very slightly due to the small multiplication factor M (in contrast to the prior art, in which a high multiplication factor M would have to be chosen in order to achieve a high frequency f HF of the high-frequency signal s HF ). In contrast to causes a high multiplication factor in the case of the second high-frequency module 12 no such increased phase noise, since the frequency divider 112 can be implemented unchangeable and no frequency converter is needed. Although the phase noise of the fixed signal s fix and of the variable signal is quasi "added" by the mixing in the high-frequency signal s HF (in mathematical terms, two uncorrelated noise sources are added geometrically, which corresponds to the root of the sum of the squared rms value) As a result, a total of a very phase-low-noise high-frequency signal s HF are generated.

In 4 ist eine mögliche Anwendung der erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Signalerzeugungs-Einheit 1 in einem nach dem FMCW Radar-Prinzip arbeitenden Füllstandsmessgerät 3 gezeigt. Es ist eine typische Messsituation dargestellt, bei der sich im Inneren eines Behälters 4 ein Füllgut 5 befindet, dessen Füllstand L in Bezug zum Behälterboden durch das Füllstandsmessgerät 3 zu bestimmen ist. Hierzu ist das Füllstandsmessgerät 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.In 4 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 3 shown. It is a typical measurement situation, which is seen inside a container 4 a product 5 whose level L is relative to the tank bottom through the level gauge 3 is to be determined. For this purpose, the level gauge 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 ist derart mittels einer Flanschverbindung an der Oberseite des Behälters 2 angeordnet, dass es das Hochfrequenz-Sendesignal SHF, welches durch die Hochfrequenz-Signalerzeugungs-Einheit 1 erzeugt wird, über die Sende-/Empfangseinheit 2 in Richtung des Füllgutes 5 aussendet. Nach Reflektion an der Füllgut-Oberfläche empfängt das Füllstandsmessgerät 1 das hochfrequente Empfangssignal EHF wieder über die Sende-/Empfangseinheit 2. Dabei ist die Laufzeit (die beim FMCW-Prinzip in Form einer Differenzfrequenz gemessen wird) zwischen Aussenden des Sendesignals SHF und Empfang des Empfangssignals EHF abhängig von der Entfernung d zur Füllgut-Oberfläche. 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.The level gauge 1 is so by means of a flange at the top of the container 2 arranged to receive the high frequency transmit signal S HF generated by the high frequency signal generation unit 1 is generated, 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 the high-frequency received signal E HF again via the transmitting / receiving unit 2 , In this case, the transit time (which is measured in the FMCW principle in the form of a difference frequency) between transmission of the transmission signal S HF and reception of the reception signal E HF depends on the distance d to the product surface. The subsequent calculation of the fill level L from the distance d to the product surface is carried out by the level gauge 3 with knowledge of its installation height h: L = h - d.

In der Regel ist das Füllstandsmessgerät 3 über ein Bussystem, etwa „PROFIBUS”, „HART” oder „Wireless HART” mit einer übergeordneten Einheit 6, beispielsweise einem Prozessleitsystem, verbunden. Hierüber können zum einen Informationen über den Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 3 kommuniziert werden. Es können auch Informationen über den Füllstand L übermittelt werden, um gegebenenfalls am Behälter vorhandene Zu- oder Abflüsse zu steuern.As a rule, the level gauge is 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 information about the operating status of the level gauge can 3 be communicated. Information about the level L can also be transmitted in order to control any inflows or outflows that may be present on the container.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Hochfrequenz-SignalerzeugungseinheitHigh-frequency signal generation unit
22
Sende-/EmpfangseinheitTransmit / receive unit
33
FMCW-Radar basiertes Distanz-/Geschwindigkeits-MessgerätFMCW radar based distance / speed measuring device
44
Behältercontainer
55
Füllgutfilling
66
Übergeordnete EinheitParent unit
1111
Erste HochfrequenzbaugruppeFirst high-frequency module
1212
Zweite HochfrequenzbaugruppeSecond high-frequency module
1313
Mischermixer
1414
Takteinheitclock unit
2121
Signalteilersignal splitter
2222
Sende-VerstärkerTransmit amplifier
2323
Sende-AntenneTransmit antenna
2424
Empfangs-AntenneReceive antenna
2525
Empfangs-VerstärkerReceiving amplifier
2626
Empfangsmischerreceiving mixer
111111
Hochfrequenz-OszillatorHigh-frequency oscillator
112112
Frequenzteilerfrequency divider
113113
Phasenkomparatorphase
114114
Frequenzwandlerfrequency converter
115115
Frequenzvervielfacherfrequency
dd
Distanzdistance
EHF E HF
Hochfrequentes EmpfangssignalHigh frequency received signal
eLF e LF
Differenz-SignalDifference signal
fclock f clock
Referenzfrequenzreference frequency
ffix f fix
Feste FrequenzFixed frequency
fHF HF
Frequenz des Hochfrequenz-SignalsFrequency of the high-frequency signal
fvar f var
Veränderbare FrequenzChangeable frequency
hH
Einbauhöheinstallation height
LL
Füllstandlevel
MM
Multiplikationsfaktormultiplication factor
NN
Teilerfaktordivision factor
SHF S HF
Hochfrequenz-SendesignalRF transmit signal
Sc S c
Regelsignalcontrol signal
sclock s clock
Referenzsignalreference signal
Sfix S fix
Zweites hochfrequentes SignalSecond high-frequency signal
sHF s HF
Hochfrequenz-SignalHigh-frequency signal
svar s var
Erstes hochfrequentes SignalFirst high-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

  • DE 102013105 A1 [0006] DE 102013105 A1 [0006]

Claims (11)

Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit für ein FMCW-Radar basiertes Distanz- oder Geschwindigkeits-Messgerät (3), zur Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenz-Signals (sHF), welches eine Frequenz (fHF) aufweist, die innerhalb einer vordefinierten Frequenzdifferenz (Δf) veränderbar ist, folgende Komponenten umfassend: – eine erste Hochfrequenzbaugruppe (11) zur Erzeugung eines ersten hochfrequenten Signals (svar), wobei die erste Hochfrequenzbaugruppe (11) derart ausgestaltet ist, dass die Frequenz (fvar) des ersten hochfrequenten Signals (svar) zumindest um die Frequenzdifferenz (Δf) veränderbar ist, – eine zweite Hochfrequenzbaugruppe (12) zur Erzeugung eines zweiten hochfrequenten Signals (sfix) mit einer festen Frequenz (ffix), und – einen Mischer (13) zur Erzeugung des Hochfrequenz-Signals (sHF) mittels des ersten Signals (svar) und des zweiten Signals (sfix).High-frequency signal generation unit for an FMCW radar-based distance or velocity measuring device ( 3 ), for generating a high-frequency electrical signal (s HF ) having a frequency (f HF ) which is variable within a predefined frequency difference (Δf), comprising the following components: - a first high-frequency module ( 11 ) for generating a first high-frequency signal (s var ), wherein the first high-frequency module ( 11 ) is configured such that the frequency (f var ) of the first high-frequency signal (s var ) at least by the frequency difference (.DELTA.f) is variable, - a second high-frequency module ( 12 ) for generating a second high-frequency signal (s fix ) with a fixed frequency (f fix ), and - a mixer ( 13 ) for generating the high-frequency signal (s HF ) by means of the first signal (s var ) and the second signal (s fix ). Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit nach Anspruch 1, wobei der Mischer (13) ausgelegt ist, das erste Signal (svar) derart mit dem zweiten Signal zu mischen, dass die Frequenz (fHF) des Hochfrequenzsignals (sHF) der Summe aus der veränderbaren Frequenz (fvar) des ersten Signals (svar) und der festen Frequenz (ffix) des zweiten Signals (sfix) entspricht.A high frequency signal generation unit according to claim 1, wherein said mixer ( 13 ) is adapted to mix the first signal (s var ) with the second signal such that the frequency (f HF ) of the high frequency signal (s HF ) of the sum of the variable frequency (f var ) of the first signal (s var ) and the fixed frequency (f fix ) of the second signal (s fix ) corresponds. Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, umfassend: – eine Takteinheit (14) zur gemeinsamen Taktung der ersten Hochfrequenzbaugruppe (11) und der zweiten Hochfrequenzbaugruppe (12) mittels eines Referenzsignals (sclock).A high-frequency signal generation unit according to claim 1 or 2, comprising: - a clock unit ( 14 ) for the common clocking of the first high-frequency module ( 11 ) and the second high-frequency module ( 12 ) by means of a reference signal (s clock ). Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit nach Anspruch 3, wobei die erste Hochfrequenzbaugruppe (11) zumindest folgende Komponenten umfasst: – Einen Hochfrequenz-Oszillator (111) zur Erzeugung des ersten hochfrequenten Signals (svar), – einen Frequenzteiler (112) zur Erzeugung eines Regelsignals (sc) mittels des ersten hochfrequenten Signals (svar), wobei das Regelsignal (sc) eine Regelfrequenz (fc) aufweist, die in Bezug zu der veränderbaren Frequenz (fvar) um einen Teilerfaktor (N) geringer ist, und – einen Phasenkomparator (113), der mittels des Regelsignals (sc) und des Taktsignals (sclock) die veränderbare Frequenz (fvar) des Hochfrequenz-Oszillators (111) regelt.A high frequency signal generation unit according to claim 3, wherein said first high frequency assembly ( 11 ) comprises at least the following components: - a high-frequency oscillator ( 111 ) for generating the first high-frequency signal (s var ), - a frequency divider ( 112 ) for generating a control signal (s c ) by means of the first high-frequency signal (s var ), wherein the control signal (s c ) has a control frequency (f c ) with respect to the variable frequency (f var ) by a divider factor (N ) is less, and - a phase comparator ( 113 ), by means of the control signal (s c ) and the clock signal (s clock ), the variable frequency (f var ) of the high-frequency oscillator ( 111 ) regulates. Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit nach Anspruch 4, wobei der Frequenzteiler (112) derart ausgestaltet ist, dass der Teilerfaktor (N) veränderbar ist.A high frequency signal generation unit according to claim 4, wherein the frequency divider ( 112 ) is configured such that the divider factor (N) is variable. Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit nach Anspruch 4, wobei der Frequenzteiler (112) derart ausgestaltet ist, dass der Teilerfaktor (N) fest und ganzzahlig voreinstellbar ist.A high frequency signal generation unit according to claim 4, wherein the frequency divider ( 112 ) is designed such that the divider factor (N) is fixed and integer presettable. Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die erste Hochfrequenzbaugruppe (11) einen Frequenzwandler (114) zur Wandlung der Frequenz (fclock) des dem Phasenkomparator (113) zugeführten Taktsignals (sclock) umfasst, und wobei der Frequenzwandler (114) derart ausgestaltet ist, dass die Frequenz (fclock) mit einem veränderbaren Wandlungsfaktor umwandelbar ist.A high frequency signal generation unit according to any one of claims 4 to 6, wherein the first high frequency assembly ( 11 ) a frequency converter ( 114 ) for the conversion of the frequency (f clock ) of the phase comparator ( 113 ) clock signal supplied (s clock ), and wherein the frequency converter ( 114 ) is configured such that the frequency (f clock ) with a variable conversion factor is convertible. Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Hochfrequenzbaugruppe (11) einen vor dem Mischer (13) angeordneten Frequenzvervielfacher (115) zur Frequenzvervielfachung des ersten hochfrequenten Signals (svar) umfasst.A high frequency signal generation unit according to any one of the preceding claims, wherein the first high frequency assembly ( 11 ) one in front of the mixer ( 13 ) arranged frequency multiplier ( 115 ) for frequency multiplication of the first high frequency signal (s var ). Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hochfrequenzbaugruppe (11) so ansteuerbar ist, dass die Frequenz (fvar) des ersten hochfrequenten Signals (svar) innerhalb der Frequenzdifferenz (Δf) eine zeitlich konstante, insbesondere sägezahnförmige, Frequenzänderung aufweist.A radio frequency signal generation unit according to any one of the preceding claims, wherein the radio frequency assembly ( 11 ) is controlled so that the frequency (f var ) of the first high-frequency signal (s var ) within the frequency difference (.DELTA.f) has a time-constant, in particular sawtooth, frequency change. Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die veränderbare Frequenz (fvar) des ersten Signals (svar) und die feste Frequenz (ffix) des zweiten Signals (sfix) derart bemessen sind, dass die Frequenz (fHF) des Hochfrequenzsignals (sHF) höher als 70 GHz, insbesondere höher als 120 GHz ist.High-frequency signal generation unit according to one of the preceding claims, wherein the variable frequency (f var ) of the first signal (s var ) and the fixed frequency (f fix ) of the second signal (s fix ) are dimensioned such that the frequency (f HF ) of the high-frequency signal (s HF ) is higher than 70 GHz, in particular higher than 120 GHz. Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem FMCW-Radar basierten Distanz- oder Geschwindigkeits-Messgerät (3) um ein Füllstandsmessgerät zur Messung des Füllstandes (1) in einem Behälter (4) handelt.A high frequency signal generation unit according to any one of the preceding claims, wherein the FMCW radar based distance or velocity measuring device ( 3 ) to a level gauge for measuring the level ( 1 ) in a container ( 4 ).
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110987121A (en) * 2019-08-30 2020-04-10 厦门四信通信科技有限公司 Radar-based level measurement method, device, equipment and storage medium
WO2021115763A1 (en) * 2019-12-12 2021-06-17 Endress+Hauser SE+Co. KG Measuring device for determining a dielectric value

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Owner name: ENDRESS+HAUSER SE+CO. KG, DE

Free format text: FORMER OWNER: ENDRESS+HAUSER GMBH+CO. KG, 79689 MAULBURG, DE

R082 Change of representative

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R150 Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years
R082 Change of representative

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Representative=s name: KOSLOWSKI, CHRISTINE, DIPL.-CHEM. DR. RER. NAT, DE

R151 Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years