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 ).
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
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
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).
- 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 (
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.
- 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 (
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:
Anhand von
Wie in
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
Dabei wird das Hochfrequenz-Signal sHF innerhalb der Sende-/Empfangseinheit
Durch Reflektion des Hochfrequenz-Sendesignals SHF am Messobjekt wird ein Hochfrequenz-Empfangssignal EHF an einer Empfangs-Antenne
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren weist die Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit
Darüber hinaus werden beide Hochfrequenzbauteile
Die zwei Hochfrequenzbaugruppen
Dabei wird die Rückkopplung realisiert, indem aus dem Ausgangs-Signal des Hochfrequenz-Oszillators
Der Phasenkomparator
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
Either it is possible to use the
Alternativ ist es auch möglich, den Frequenzteiler
Da sich der Hochfrequenz-Oszillator
In analoger Bauweise zu den in
Diese Unterschiede begründen, warum das Signal sfix der zweiten Hochfrequenzbaugruppe
Diese Tatsache wiederum kann erfindungsgemäß zur Erzeugung eines sehr Phasen-rauscharmen Hochfrequenz-Signals sHF genutzt werden, indem der Multiplikationsfaktor M des Frequenzvervielfachers
In
Das Füllstandsmessgerät
In der Regel ist das Füllstandsmessgerät
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]
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Cited By (2)
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 |
-
2016
- 2016-10-11 DE DE202016008416.0U patent/DE202016008416U1/en active Active
Cited By (2)
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 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R207 | Utility model specification | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
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 |
Representative=s name: ANDRES, ANGELIKA, DIPL.-PHYS., DE |
|
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: KOSLOWSKI, CHRISTINE, DR., DE Representative=s name: KOSLOWSKI, CHRISTINE, DIPL.-CHEM. DR. RER. NAT, DE |
|
R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |