WO2012140067A1 - Radiometrische kalibrierungseinrichtung mit monolithisch integriertem mehrfachschalter - Google Patents

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WO2012140067A1
WO2012140067A1 PCT/EP2012/056557 EP2012056557W WO2012140067A1 WO 2012140067 A1 WO2012140067 A1 WO 2012140067A1 EP 2012056557 W EP2012056557 W EP 2012056557W WO 2012140067 A1 WO2012140067 A1 WO 2012140067A1
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WO
WIPO (PCT)
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calibration device
multiple switch
radiometric calibration
switch
active load
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/056557
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ingmar Kallfass
Ernst Weissbrodt
Sebastian Diebold
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Karlsruher Institut für Technologie
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., Karlsruher Institut für Technologie filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/006—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using measurement of the effect of a material on microwaves or longer electromagnetic waves, e.g. measuring temperature via microwaves emitted by the object
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K15/00—Testing or calibrating of thermometers
    • G01K15/005—Calibration

Definitions

  • Radiometric calibration device with monolithically integrated multiple switch
  • the present invention relates to the field of radiometry and more particularly to a radiometric calibration device.
  • radiometric measurement methods are also used, for example, in numerous systems for ground-based and space-based remote sensing and for high-resolution imaging, e.g. used in security portals (body scanners) in a variety of wavelengths or frequency ranges.
  • the radiometric reading must be compared to a constant reference value.
  • One possible method for such comparison is known as the "thickness" principle, the switch between the object to be measured (or the antenna) and the reference value being referred to as a thickness switch, thickness switches being electronic or mechanical switches (depending on the frequency range). Chopper wheel, waveguide switch, etc.)
  • Thickness in which essentially the relative temperatures between the object to be measured (antenna) and the reference value are evaluated, other calibration methods can also be used to calibrate absolute temperature values.
  • the radiometric measured value must be compared and interpolated with at least two different known reference values
  • the two reference values must be as close as possible to the expected measured value range
  • One reference value shall be as low as possible in the considered frequency range and the other shall emit as much radiation as possible, which is referred to as “cold” and “hot” load, as a cold load either to cryogenic temperatures (eg, liquid helium or nitrogen) cooled absorber, or a transistor used in special circuitry
  • the transistor circuit is referred to as active cold load and has advantages eg in terms of integrability, shape and weight factor, stability and energy absorption.
  • US Patent No. 5,341,814 entitled “Method for Measuring the Temperature of a Material by Using Microwave Radiation” relates to a method and apparatus for measuring the temperature T x of any material or object. Further, US Pat. No. 5,341,814 relates to a method and apparatus for measuring radiometric signals that can be developed using monolithic integration techniques and therefore are miniaturizable and inexpensive.
  • the international patent application "Variable Microwave Cold / Warm Noise Source”, published under the number WO 98/27414 discloses a radiometric calibration system using an adjustable noise source for calibrating a radiometer,
  • the noise source comprises a transistor serving as a noise equivalent circuit with a gate Is configured, a drain terminal and a source terminal.
  • US Pat. No. 6,964,514 B2 shows a temperature measuring apparatus coupling a coupling device for coupling radiation emitted by an object to at least a first radiant temperature measuring radiometer, and a first device for switching a measuring circuit between the radiation temperature of at least a first reference temperature and the radiation temperature of the object.
  • a radiometric calibration device comprises a multiple switch implemented by means of a monolithically integrated micro or millimeter-wave circuit.
  • the multiple switch is used to switch from an antenna signal input to at least one reference signal input of the multiple switch.
  • the use of a monolithic integrated circuit as a multiple switch can replace electronic or mechanical switches, which consist of several components.
  • monolithic is a unitary and inseparable material base, as opposed to component assemblies.
  • the term "monolithic” means a construction in which on a single chip (chip) a plurality of individual transistors and other semiconductor devices are generated, and these are connected to one another in an appropriate manner to an "integrated circuit".
  • the radiometric calibration device may further comprise a reference source for generating a reference signal applied to the reference signal input, wherein the reference source is monolithically integrated with the multiple switch.
  • the reference source and / or the multiple switch may comprise transistors.
  • the multiple switch may include an external reference signal input to which an external reference source may be connected.
  • the radiometric calibration device may further include an active load connected to an input side of the multi-switch and a connection circuit between the active load and the multiple-load device. Switch.
  • the connection circuit may each receive one of at least a first state and a second state in response to a control signal. In the first state, the connection circuit may connect the multiple switch in a first manner to the active load, whereby the active load acts as a cold load for the radiometric calibration device. In the second state, the connection circuit may connect the multiple switch to the active load in a second manner, whereby the active load acts as a hot load to the radiometric calibration device.
  • the radiometric calibration device may further comprise a transistor circuit as an active load connected to an input side of the multi-switch and a connection circuit between the active load and the multiple switch.
  • the connection circuit may each receive one of at least a first state and a second state in response to a control signal.
  • the connection circuit may connect the multiple switch to the active load in a first manner, whereby the transistor circuit acts as a cold load to the radiometric calibration device.
  • the connection circuit may connect the multiple switch to the active load in a second manner, whereby the transistor circuit acts as a hot load to the radiometric calibration device.
  • the active load may optionally be operated as a cold or hot load by tapping an electrical connection to the multiple switch at different connection ports of the active load.
  • the radiometric calibration device may further comprise a temperature sensor for measuring a temperature of the radiometric calibration device.
  • the radiometric calibration device may include a temperature evaluation connected to the temperature sensor and using the temperature of the radiometric calibration device as a calibration quantity for an antenna signal applied to the antenna signal input.
  • the temperature sensor can be monolithically integrated with the multiple switch.
  • the multiple switch may be a single-pole switch, e.g. a SPflT switch ("single pole, n throw").
  • the multiple switch can be designed to pass signals in a frequency range up to 300 GHz, preferably up to 150 GHz, more preferably between 40 GHz and 100 GHz, and more preferably between 90 GHz and 98 GHz, thus covering the W band at 94 GHz.
  • the switching frequency supported by the multiple switch may differ therefrom and in particular may be lower, for example in the MHz range.
  • the invention describes a novel, compact calibration device for radiometry.
  • Multiple switches can be used to measure multiple reference sources and to interpolate the absolute temperature of a DUT or scene.
  • reference sources come active cold and hot loads into consideration, which are realized by means of transistors.
  • the multiple switch and the reference sources can be fully monolithically integrated on a microchip.
  • a single transistor circuit can be operated as a cold and hot load by tapping on different connection ports.
  • 1 is a block diagram of a radiometric calibration device with connected antenna and some calibration loads
  • FIG. 2 shows a monolithically integrated 1-to-5 multiple switch in the frequency range around 94 GHz (W band);
  • FIG. 3 is a schematic block diagram of a radiometer calibration device with fully monolithically integrated reference sources (load), single-pole 5-way switch and temperature sensor;
  • Fig. 4 is a schematic block diagram of a radiometer calibration device similar to that shown in Fig. 3, wherein an active load can be connected to the multiple switch by means of a connection circuit in various ways;
  • Fig. 1 shows a schematic diagram of a radiometric calibration device, an antenna and various calibration loads associated with the radiometric calibration device.
  • a single pole, n throw (SPNT) switch is used to address the antenna and calibration loads
  • the multiplexer is connected to an amplifier (not shown) which amplifies the incoming antenna signal or a signal from one of the calibration sources for subsequent signal processing steps.
  • the multiple switch n + 1 input terminals to which the antenna and up to n calibration sources can be connected.
  • the radiometry system can be calibrated in this way for the particular application.
  • the multiple switch allows switching between multiple channels.
  • One channel addresses the antenna or the measurement scene, the other channels switch to known reference sources.
  • the multiple switch can be implemented as an electronic switch in the form of a monolithically integrated micro or millimeter-wave circuit ("MMIC") up to the high millimeter-wave frequency range (30-300 GHz).
  • MMIC millimeter-wave circuit
  • An MMIC is typically understood to mean a type or type of integrated circuit operating at micro-wave frequencies (300MHz to 300GHz). These circuits typically perform functions such as microwave mixing, power amplification, low noise amplification and high frequency switching, and inputs and outputs of MMICs are typically frequency matched to a characteristic impedance of 50 ohms
  • the matching networks are also integrated on the MMIC This measure facilitates the use of MMICs, since cascading MMICs in this case does not require any external matching networks, and most microwave testers are designed to operate in a 50 ohm environment (Source: http://en.wikipedia.org/wiki/). Monolithic_microwave_integrated_circuit, as of March 24, 2011).
  • FIG. 2 shows a possible implementation of a monolithically integrated 1-to-5 multiple switch for the frequency range around 94 GHz (W band).
  • the four antenna ports are distributed on three sides of the MMIC, while the fifth arm leads to an integrated reference load, implemented as a 50 ohm resistor.
  • the switching elements embodied as transistors, are located at the outer edge of the switch core ("switch core" in FIG. 1), and are connected via signal lines having the electrical length of one-quarter wavelength at a central star point
  • the five control signals for the switching elements are from two sides via connection pads and narrow lines led to the switching elements. If present, active hot and cold loads can be realized in the same transistor technology as the multiple switch. This enables the complete monolithic integration of a radiometric calibration device.
  • the calibration device can be supplemented by additional external reference sources, which can be connected to free channels.
  • the monolithic integrated micro or millimeter-wave circuit (MMIC) realized radiometric calibration device in Fig. 3 comprises a multiple switch 302, an active cold load 304, an active hot load 306, a passive load 308 and a temperature sensor 310.
  • An external reference source 312 is about a corresponding terminal connected to the multiple switch 302.
  • the antenna is also connected to the multi-switch 302 via a corresponding "input channel" terminal.
  • the multi-switch 302 has an output channel connected to subsequent signal processing components and supplying either the antenna signal or a reference signal from one of the reference sources.
  • Fig. 4 shows an embodiment which is similar to the embodiment shown in Fig. 3. However, instead of the active cold load 304 and the active hot load 306, the radiometric calibration device includes only one active load 404.
  • the active load 404 is connected to the multiple switch 302 via a connection circuit 405.
  • the connection circuit 405 is connected to two poles of the multi-switch 302. Depending on which switching position the multiple switch 302 is in, the active load 404 is thus connected to the output channel by means of the connection circuit 405 and one of the two poles of the multiple switch 302.
  • the active load 404 can be controlled so that it acts once as a hot active load and once as a cold active load from the viewpoint of the output channel.
  • the active load 404 is connected to the connection circuit via at least one connection.
  • One (or more) further connection can be provided.
  • a fully integrated calibration device according to the embodiment of FIG. 4 can be made very compact.
  • the multiple switch 302, the connection circuit 405 and the active load 404 may be implemented as an integrated component or monolithically integrated, and form a circuit which optionally also has one or more input channels (for passive load (s) or external load (s)).
  • the load 404 and the switches 302, 405 can be realized on the same semiconductor material (chip or MMIC), so that the calibration device is an integrated or monolithically integrated unit.
  • the (monolithic) integration of the multiple switch 302, the connection circuit 405 and the active load 404 typically provides for relatively equal or balanced component temperatures between the multiple switch 302, connection circuit 405 and active load 404, unlike other solutions for calibration devices where, for example, at least the Multiple switch 302 is not integrated with the active load 404 and / or the connection circuit 405.
  • a temperature-induced influence, for example, of the multiple switch 302 can be reduced to the calibration, since the calibration device as an integrated component shows a substantially uniform and / or predictable temperature behavior with respect to the various components multiple switch 302, connection circuit 405 and active load 404.
  • a temperature sensor may be provided with which the temperature of the multiple switch 302, the connection circuit 405 and the active load 404 can be measured. The sensed temperature may be used to control the active load 404 or may be used to correct or compensate for the signal received from the antenna and / or signal (s) provided by the reference source (s).
  • the temperature sensor can be monolithically integrated with the multiple switch 302 (possibly also with the active load 404 and the connection circuit 405).
  • the multiple switch 302 can also serve directly as a changeover switch for the active load 404 or its connection circuit 405, as shown in FIG. 4.
  • the connection circuit 405 and the active load 404 can be connected to the output channel in different ways, depending on the position of the multiple switch.
  • some other calibration devices provide that a first external switch is necessary for wiring or hot-cold switching of an active load, as well as another external switch to switch between the reference and the antenna. Embodiments, such as the calibration device shown schematically in FIG.
  • the multiple switch 302 is configured to effect switching between the antenna and reference source (s) as well as the state-dependent circuitry of the active load 404 serving as one of the reference sources .
  • the multiple switch 302 may include a first switchable pole used to drive the active load 404 as a hot reference source and a second switchable pole used to drive the active load 404 as a cold reference source.
  • Fig. 5 shows an embodiment of a fully monolithically integrated radiometer calibration device having a transistor circuit as a combined cold and hot load. Depending on the position of the switches 1), 2) and 3) can be configured different modes of the Radiometerkalibri für series worn.
  • the antenna 301 is typically not part of the monolithic integration of the radiometer calibration device.
  • the radiometer calibration device includes a connector (not explicitly shown) for the antenna 301, a transistor circuit 506, and a termination resistor 508 of 50 ohms.
  • terminator 508 is not monolithically integrated with the calibration device, but embodied as an external device.
  • the antenna 301 is connected to a node 503 via a ⁇ / 4 line 501.
  • an input side of the transistor circuit 506 is connected to the node 503 via a ⁇ / 4 line 505.
  • the switch 1) is located between the ⁇ / 4 line 501 and the antenna 301, so that the antenna 301 can be connected by closing the switch 1) to an electrical ground potential and thus short-circuited.
  • the ⁇ / 4 line 501 acts as an open or open line at node 503 when the switch 1) is closed.
  • the switch 2) is located between an input side of the transistor circuit 506 and the ⁇ / 4 line 505, so that the input side of the transistor circuit can be connected to the electrical ground potential and thus short-circuited.
  • the ⁇ / 4 line 505 acts as an open circuit due to an impedance transformation at the node 503.
  • the node 503 is also connected to an output side of the transistor circuit 506 via two ⁇ / 4 lines 51 1 and 515.
  • the switch 3) connects a node lying between the two ⁇ / 4 lines 511 and 515 to the electrical ground potential, so that this node can be pulled to the electrical ground potential by closing the switch 3).
  • the ⁇ / 4 line 51 1 acts due to a Impedance transformation at node 503 as open circuit.
  • the effect of the ⁇ / 4 line 515 acts as an open circuit due to an impedance transformation at the output of the transistor circuit 506.
  • the output side of the transistor circuit 506 is further connected to a termination resistor 508 via another ⁇ / 4 line 507.
  • the transistor circuit 506 may be implemented as an active cold load (ACL) having input and output matching selected to have the transistor circuit in a first configuration for one at the input of the transistor In the second case, the high noise temperature can be further increased by short-circuiting the transistor circuit at its input, and the short-circuit at the input continues to ensure a high noise temperature defined potential.
  • ACL active cold load
  • the transistor circuit 506 may comprise, for example, a field effect transistor.
  • first configuration (“cold") is then “looked” over the gate terminal in the field effect transistor.
  • second configuration (“hot") the field effect transistor is "looked at” via the drain terminal.
  • a realization by means of bipolar transistors is also conceivable.
  • the radiometer calibration device is in the radiometric sensing mode.
  • the switch 1) is open and the switches 2) and 3) close the transistor circuit 506 on the input and output sides short. Furthermore, in this case, the closed switches 2) and 3) ensure that the ⁇ / 4 lines 505 and 51 1 at node 503 act as idling at node 503 due to impedance transformation.
  • Another mode is when the switches 1) and 3) are active, the switch 2) is not. In this mode, calibration is performed with an active, cold load. The cold load is thereby provided by the transistor circuit 506. The transistor circuit 506 is terminated with the termination resistor 508 via the ⁇ / 4 line 507 due to the position of the switches 2) and 3).
  • switches 1) and 2) are closed, it is possible to calibrate with a hot load, whereby the omission of the elements 507 and 509 now firmly connects the terminating resistor 508 in parallel. This generally reduces the temperature of the recoverable hot load.
  • the transistor circuit 506 serves as an active load.
  • the multiple switch may include, for example, the switches 1), 2), 3), and the ⁇ / 4 lines 501, 505 and 51 1, through which the mentioned impedance transformations can be provided. Further, the multiple switch comprising switches 1), 2) and 3) and the ⁇ / 4 lines 501, 505, 51 1 is configured to switch the active load or transistor circuit 506 from cold load operation to hot load operation and vice versa. In particular, no further switching elements are required for this hot / cold switching of the active load or transistor circuit 506.
  • the multiple switch is structurally symmetric to node 503, i.
  • the multiple switch comprises three equal switching paths, each comprising a ⁇ / 4 line and a switch selectively connecting the ⁇ / 4 line to a reference potential (e.g., ground).
  • a reference potential e.g., ground
  • the multiple switch can be supplemented by one or more further switching paths, which are also constructed, for example, the same as the three switching paths shown in Fig. 5.
  • the multiple switch is configured so that each of the switches 1), 2) or 3) is opened (as the sole one of the switches) located in the switching path to be activated. The switches located in the other switching paths are closed at this time.
  • the multiple switch may include the switches 1), 2), 3), and 509.
  • the output channel of the multiple switch is, for example, with the electrical ground potential connected. It should be noted that, depending on the operating mode, at least two nodes of the circuit are simultaneously connected to the electrical ground potential. In the case of the "hot, active load” mode, three nodes of the circuit are simultaneously connected by means of the switches 1), 2) and 509 to the electrical ground potential.
  • connection circuit may comprise, for example, the ⁇ / 4 lines 515, 507, their connections to the transistor circuit 506, as well as the switch 509.
  • the termination resistor 508 may be counted to the connection circuit.
  • the ⁇ / 4 line 507 and the switch 509 are not provided.
  • the multi-switch and the connection circuit may be considered as a unitary one.

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Abstract

Eine radiometrische Kalibrierungseinrichtung umfasst einen Mehrfachschalter (302), der mittels einer monolithisch integrierten Mikro- oder Millimeterwellenschaltung implementiert ist und zum Umschalten von einem Antennensignaleingang auf zumindest einen Referenzsignaleingang des Mehrfachschalters (302) dient. Die radiometrische Kalibrierungseinrichtung umfasst eine aktive Last (404), die an eine Eingangsseite des Mehrfachschalters (302) angeschlossen ist, und einen Anschlussschaltkreis (405) zwischen der aktiven Last und dem Mehrfachschalter (302). Der Anschlussschaltkreis (405) kann in Erwiderung auf ein Steuersignal jeweils einen von zumindest einem ersten Zustand und einem zweiten Zustand annehmen, so dass der Anschlussschaltkreis (405) in dem ersten Zustand den Mehrfachschalter (302) auf eine erste Weise mit der aktiven Last verbindet, wodurch die aktive Last (404) als kalte Last für die radiometrische Kalibrierungseinrichtung wirkt, und in dem zweiten Zustand den Mehrfachschalter (302) auf eine zweite Weise mit der aktiven Last verbindet, wodurch die aktive Last (404) als heiße Last für die radiometrische Kalibrierungseinrichtung wirkt. Die Kalibrierungseinrichtung ist verlustarm, leicht und kompakt. Optional können eine oder mehrere weitere Referenzsignalquellen gemeinsam mit dem Mehrfachschalter integriert sein.

Description

Radiometrische Kalibrierungseinrichtung mit monolithisch integriertem Mehrfachschalter
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Radiometrie und insbesondere auf eine radiometrische Kalibrierungseinrichtung.
Der stetig zunehmende Bedarf an hochauflösenden Sensoren führte zur Entwicklung von leistungsfähigen Radiometriesystemen, die z.B. in modernen Automobilen, Flugzeugen, Drohnen, Satelliten oder anderen Fahrzeugen zum Einsatz kommen. Diese Entwicklung hält nach wie vor an. In zunehmendem Maße werden auch bildgebende Systeme nachgefragt und entwickelt, die kompakt und preiswert sind sowie einen möglichst niedrigen Aufwand in der Herstellung, Wartung und während des Betriebs erfordern.
Daneben kommen radiometrische Messverfahren beispielsweise auch in zahlreichen Systemen zur boden- und weltraumgestützten Fernerkundung und für die hochauflösende Bildgebung, z.B. in Sicherheitsportalen (Körperscanner) in einer Vielzahl von Wellenlängen- bzw. Frequenzbereichen zum Einsatz.
Zur Erhöhung der radiometrischen Stabilität bei sequenziellen Einzelmessungen, z.B. einzelne Pixel bei bildgebenden Systemen, muss der radiometrische Messwert mit einem konstanten Referenzwert verglichen werden. Eine mögliche Methode für ein solches Vergleichen ist als„Dicke"-Prinzip bekannt; der dazu erforderliche Umschalter zwischen Messobjekt (oder der Antenne) und dem Referenzwert wird als Dicke-Schalter bezeichnet. Dicke- Schalter sind je nach Frequenzbereich als elektronische oder mechanische Schalter (Chopper-Wheel, Hohlleiterschalter etc.) ausgeführt. Neben dem„Dicke"-Prinzip, bei welchem im Wesentlichen die relativen Temperaturen zwischen Messobjekt (Antenne) und Referenzwert ausgewertet werden, können mittels anderer Kalibrierungsverfahren auch absolute Temperaturwerte zur Kalibrierung herangezogen werden.
Als Referenzquelle, insbesondere für Verfahren zur absoluten Kalibrierung, werden typischerweise Objekte verwendet, deren Strahlungsemission im betrachteten Frequenzbereich bekannt bzw. konstant ist, z.B. Absorber oder schwarze Strahler (engl,„black body"), meist mit Temperaturkontrolle. Zur Bestimmung der absoluten Messenergie, technisch auch oft als„Rauschtemperatur" bezeichnet, muss der radiometrische Messwert mit mindestens zwei verschiedenen bekannten Referenzwerten verglichen und interpoliert werden. Für die zuverlässige Interpolation des Messwertes müssen sich die zwei Referenzwerte möglichst in der Nähe des zu erwartenden Messwertebereichs befinden oder diesen einschließen. Ein Referenzwert soll im betrachteten Frequenzbereich möglicht gering, der andere möglichst stark Strahlung emittieren. Dies wird als„kalte" und„heiße" Last bezeichnet (engl, hot and cold load). Als kalte Last wird entweder ein auf kryogene Temperaturen (z.B. flüssiges Helium oder Stickstoff) gekühlter Absorber, oder ein Transistor in spezieller Beschaltung verwendet. Die Transistorschaltung wird als aktive kalte Last (engl, active cold load) bezeichnet und weist Vorteile z.B. hinsichtlich Integrierbarkeit, Form- und Gewichtsfaktor, Stabilität und Energieaufnahme auf. Heiße Lasten kommen heute meist im Bereich der Radioastronomie vor, wobei das Radiometer auf einen bekannt strahlenden Himmelskörper wie etwa die Sonne gerichtet wird. Dabei wird nicht auf die heiße Last„geschaltet", sondern die Antenne neu ausgerichtet, weshalb das Radiometer mit einem einfachen„Dicke"-Schalter für das Schalten auf die kalte Last auskommt. Auch hier gibt es Untersuchungen, Transistorschaltungen als active hot load zu realisieren.
US Patent Nr. 5,341,814 mit dem Titel "Method for Measuring the Temperature of a Material by Using Microwave Radiation" bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Temperatur Tx irgendeines Materials oder Objekts. Weiterhin bezieht sich US Patent Nr. 5,341,814 auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen radiometrischer Signale, welche unter Verwendung von monolithischer Integrationstechniken entwickeln werden können und daher miniaturisierbar und kostengünstig sind.
Die internationale Patentanmeldung „Variable Microwave Cold/Warm Noise Source", veröffentlicht unter der Nummer WO 98/27414, offenbart ein radiometrisches Kalibriersystem, das eine justierbare Rauschquelle zum Kalibrieren eines Radiometers verwendet. Die Rauschquelle umfasst einen Transistor, der als rauschäquivalenter Schaltkreis mit einem Gate-Anschluss, einem Drain-Anschluss und einem Source-Anschluss konfiguriert ist.
US Patent Nr. 6,964,514 B2 zeigt einen Temperaturmessapparat, der eine Koppelvorrichtung zum Koppeln von einem Objekt ausgesandte Strahlung zu zumindest einem ersten Strahlungstemperatur-Messradiometer koppelt, und eine erste Vorrichtung zum Schalten einer Mess-Schaltung zwischen der Strahlungstemperatur von zumindest einer ersten Referenztemperatur und der Strahlungstemperatur des Objekts. Für einige Anwendungen von radiometrischen Messverfahren werden kompakte und/oder leichte Systeme angestrebt, insbesondere wenn es sich um Anwendungen im Zusammenhang mit mobilen Plattformen wie Straßenfahrzeugen, Luftfahrzeugen, Raumfahrzeugen usw. handelt. Im Hinblick auf möglicherweise große Stückzahlen von derartigen Systemen, vor allem wenn sie in Straßenfahrzeugen oder Sicherheitsportalen verwendet werden, wird typischerweise auch eine Kostenreduzierung und leichte Montage angestrebt.
Zumindest eine der genannten Aufgaben und/oder eventueller weiterer Aufgaben wird durch eine radiometrische Kalibrierungseinrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen weitere Ausführungsbeispiele der hierin offenbarten technischen Lehre.
Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung umfasst eine radiometrische Kalibrierungseinrichtung einen Mehrfachschalter, der mittels einer monolithisch integrierten Mikro- oder Millimeterwellenschaltung implementiert ist. Der Mehrfachschalter dient zum Umschalten von einem Antennensignaleingang auf zumindest einen Referenzsignaleingang des Mehrfachschalters. Die Verwendung einer monolithisch integrierten Schaltung als Mehrfachschalter kann elektronische oder mechanische Schalter ablösen, die aus mehreren Komponenten bestehen. Allgemein wird als monolithisch bezeichnet, was aus einer einheitlichen und unzertrennten Materialbasis besteht, im Gegensatz zu aus Einzelteilen zusammengesetzten Baugruppen. In der Elektrotechnik wird unter dem Begriff„monolithisch" eine Bauweise verstanden, bei der auf einem einzigen Halbleiterplättchen (Chip) eine Vielzahl von einzelnen Transistoren und anderer Halbleiterbauelemente erzeugt werden, und diese in geeigneter Weise zu einer„integrierten Schaltung" miteinander verbunden werden.
Die radiometrische Kalibrierungseinrichtung kann weiter eine Referenzquelle zur Erzeugung eines an dem Referenzsignaleingang anliegenden Referenzsignal umfassen, wobei die Referenzquelle mit dem Mehrfachschalter monolithisch integriert ist.
Ferner können die Referenzquelle und/oder der Mehrfachschalter Transistoren umfassen.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann der Mehrfachschalter einen externen Referenzsignaleingang umfassen, an den eine externe Referenzquelle angeschlossen werden kann.
In weiteren Ausführungsbeispielen kann die radiometrische Kalibrierungseinrichtung weiter eine aktive Last umfassen, die an eine Eingangsseite des Mehrfachschalters angeschlossen ist, sowie einen Anschlussschaltkreis zwischen der aktiven Last und dem Mehrfach- Schalter. Der Anschlussschaltkreis kann in Erwiderung auf ein Steuersignal jeweils einen von zumindest einem ersten Zustand und einem zweiten Zustand annehmen. In dem ersten Zustand kann der Anschlussschaltkreis den Mehrfachschalter auf eine erste Weise mit der aktiven Last verbinden, wodurch die aktive Last als kalte Last für die radiometrische Kalibrierungseinrichtung wirkt. In dem zweiten Zustand kann der Anschlussschaltkreis den Mehrfachschalter auf eine zweite Weise mit der aktiven Last verbinden, wodurch die aktive Last als heiße Last für die radiometrische Kalibrierungseinrichtung wirkt.
In weiteren Ausführungsbeispielen kann die radiometrische Kalibrierungseinrichtung weiter eine Transistorschaltung als aktive Last umfassen, die an eine Eingangsseite des Mehrfachschalters angeschlossen ist, sowie einen Anschlussschaltkreis zwischen der aktiven Last und dem Mehrfachschalter. Der Anschlussschaltkreis kann in Erwiderung auf ein Steuersignal jeweils einen von zumindest einem ersten Zustand und einem zweiten Zustand annehmen. In dem ersten Zustand kann der Anschlussschaltkreis den Mehrfachschalter auf eine erste Weise mit der aktiven Last verbinden, wodurch die Transistorschaltung als kalte Last für die radiometrische Kalibrierungseinrichtung wirkt. In dem zweiten Zustand kann der Anschlussschaltkreis den Mehrfachschalter auf eine zweite Weise mit der aktiven Last verbinden, wodurch die Transistorschaltung als heiße Last für die radiometrische Kalibrierungseinrichtung wirkt.
Die aktive Last kann gegebenenfalls als kalte oder heiße Last betrieben werden, indem eine elektrische Verbindung mit dem Mehrfachschalter an verschiedenen Anschlussports der aktiven Last abgegriffen wird.
Die radiometrische Kalibrierungseinrichtung kann weiter einen Temperatursensor zur Messung einer Temperatur der radiometrischen Kalibrierungseinrichtung umfassen.
In weiteren Ausführungsbeispielen kann die radiometrische Kalibrierungseinrichtung eine Temperaturauswertung umfassen, die mit dem Temperatursensor verbunden ist und die Temperatur der radiometrischen Kalibrierungseinrichtung als Kalibrierungsgröße für ein an dem Antennensignaleingang anliegendes Antennensignal verwendet. Der Temperatursensor kann mit dem Mehrfachschalter monolithisch integriert sein.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann der Mehrfachschalter ein einpoliger Schalter sein, z.B. ein SPflT-Schalter („Single pole, n throw").
Der Mehrfachschalter kann ausgelegt sein, Signale in einem Frequenzbereich bis 300 GHz durchzuleiten, vorzugsweise bis 150 GHz, weiter bevorzugt zwischen 40 GHz und 100 GHz, und noch weiter bevorzugt zwischen 90 GHz und 98 GHz, somit das W-Band bei 94 GHz abdeckend. Die von dem Mehrfachschalter unterstützte Schaltfrequenz kann davon abweichen und insbesondere darunter liegen, beispielsweise im MHz-Bereich.
Zusammenfassend gesagt beschreibt die Erfindung eine neuartige, kompakte Kalibrierungseinrichtung für die Radiometrie. Mit Hilfe von Mehrfachschaltern können mehrere Referenzquellen vermessen und die absolute Temperatur eines Messobjekts bzw. einer Szene interpoliert werden. Als Referenzquellen kommen aktive kalte und heiße Lasten in Betracht, die mit Hilfe von Transistoren realisiert werden. Der Mehrfachschalter und die Referenzquellen können voll monolithisch auf einem Mikrochip integriert werden. Eine einzige Transistorschaltung kann als kalte und heiße Last betrieben werden, indem an verschiedenen Anschlussports abgegriffen wird.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer radiometrischen Kalibrierungseinrichtung mit angeschlossener Antenne und einigen Kalibrierungslasten;
Fig. 2 einen monolithisch integrierten l-auf-5 Mehrfachschalter im Frequenzbereich um 94 GHz (W-Band);
Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild einer Radiometerkalibrierungseinrichtung mit voll monolithisch integrierten Referenzquellen (Last), einpoligem 5 -fach Schalter und Temperatursensor;
Fig. 4 ein schematisches Blockschaltbild einer Radiometerkalibrierungseinrichtung ähnlich der in Fig. 3 gezeigten, wobei ein aktive Last mittels eines Anschlussschaltkreises auf verschiedene Weisen mit dem Mehrfachschalter verbunden werden kann; und
Fig. 5 einen Ausschnitt aus einem Schaltplan eines Ausführungsbeispiels mit einer voll monolithisch integrierten Radiometerkalibrierungseinrichtung mit einer Transistorschaltung als kombinierter kalter und heißer Last.
Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer radiometrischen Kalibrierungseinrichtung, einer Antenne und diverser Kalibrierungslasten, die mit der radiometrischen Kalibrierungseinrichtung verbunden sind. Ein einpoliger, n-fach Schalter („Single pole, n throw" = SPNT) wird verwendet, um die Antenne und die Kalibrierungslasten anzusprechen. Der Ausgang des Mehrfachschalters ist z.B. mit einem Verstärker (nicht gezeigt) verbunden, der das eingehende Antennensignal oder ein Signal von einer der Kalibrierungsquellen für nachfolgende Signalverarbeitungsschritte verstärkt. In Fig. 1 weist der Mehrfachschalter n+1 Eingangsanschlüsse auf, an die die Antenne sowie bis zu n Kalibrierungsquellen angeschlossen werden können. Wie eingangs beschrieben, kann das Radiometriesystem auf diese Weise für den jeweiligen Anwendungsfall kalibriert werden. Gegebenenfalls kann auch zwischen Messungen interpoliert werden, die mittels unterschiedlicher Referenzquellen oder für unterschiedliche Rauschtemperaturen bestimmt wurden.
Der Mehrfachschalter ermöglicht das Umschalten zwischen mehreren Kanälen. Ein Kanal adressiert die Antenne bzw. die Messszene, die weiteren Kanäle schalten auf bekannte Referenzquellen. Der Mehrfachschalter kann bereits heute bis in den hohen Millimeterwellenfrequenzbereich (30-300 GHz) als elektronischer Schalter in Form einer monolithisch integrierten Mikro- oder Millimeterwellenschaltung („Monolithic Microwave Integrated Circuit": MMIC) realisiert werden.
Unter einem MMIC wird typischerweise ein Typ oder eine Gattung integrierter Schaltungen verstanden, die bei Mikro Wellenfrequenzen (300MHz bis 300GHz) arbeiten. Diese Schaltungen führen typischerweise Funktionen durch wie Mikrowellenmischung, Leistungsverstärkung, rauscharme Verstärkung („low noise amplification") und hochfrequente Schaltvorgänge. Eingänge und Ausgänge von MMICs sind typischerweise Frequenz- angepasst an eine charakteristische Impedanz von 50 Ohm. Die Anpassnetzwerke sind ebenfalls auf dem MMIC integriert. Diese Maßnahme erleichtert die Verwendung von MMICs, da eine Kaskadierung von MMICs in diesem Fall keine externen Anpassungsnetzwerke erfordert. Ferner sind die meisten Mikrowellentestgeräte für einen Betrieb in einer 50 Ohm-Umgebung ausgelegt (Quelle: Übersetzung von en.wikipedia.org/wiki/Monolithic_microwave_integrated_circuit, Stand 24. März 2011).
Fig. 2 zeigt als Beispiel eine mögliche Realisierung eines monolithisch integrierten l-auf-5 Mehrfachschalters für den Frequenzbereich um 94 GHz (W-Band). Die vier Antennenanschlüsse sind auf drei Seiten des MMIC verteilt, während der fünfte Arm auf eine integrierte Referenzlast, ausgeführt als 50 Ohm Widerstand, führt. Die Schaltelemente, ausgeführt als Transistoren, befinden sich am äußeren Rand des Schalterkern (in Fig.„switch core"), und sind über Signalleitungen mit der elektrischen Länge einer Viertelwellenlänge an einem zentralen Sternpunkt verbunden. Die fünf Steuersignale für die Schaltelemente werden von zwei Seiten über Anschlusspads und schmale Leitungen an die Schaltelemente geführt. Sofern vorhanden können aktive heiße und kalte Lasten in derselben Transistortechnologie wie der Mehrfachschalter realisiert werden. Dadurch wird die komplette monolithische Integration einer radiometrischen Kalibrierungseinrichtung ermöglicht. Die Kalibrierungseinrichtung kann durch zusätzliche externe Referenzquellen, die an freie Kanäle angeschlossen werden können, ergänzt werden.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem drei interne Referenzquellen gemeinsam mit dem Mehrfachschalter und einem Temperatursensor monolithisch integriert sind. Es kann zwischen internen und externen Referenzquellen und der Antenne 301 umgeschaltet werden. Die als monolithisch integrierte Mikro- oder Millimeterwellenschaltung (MMIC) realisierte radiometrische Kalibrierungseinrichtung in Fig. 3 umfasst einen Mehrfachschalter 302, eine aktive kalte Last 304, einen aktive heiße Last 306, eine passive Last 308 und einen Temperatursensor 310. Eine externe Referenzquelle 312 ist über einen entsprechenden Anschluss mit dem Mehrfachschalter 302 verbunden. Die Antenne ist ebenfalls über einen entsprechenden Anschluss„Eingangskanal" mit dem Mehrfachschalter 302 verbunden. Der Mehrfachschalter 302 weist einen Ausgangskanal auf, der mit nachfolgenden Signalverarbeitungskomponenten verbunden ist und diesen entweder das Antennensignal oder ein Referenzsignal von einer der Referenzquellen zuführt.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, die ähnlich zu der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform ist. Die radiometrische Kalibrierungseinrichtung umfasst jedoch anstelle der aktiven kalten Last 304 und der aktiven heißen Last 306 nur eine aktive Last 404. Somit wird bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4 eine einzige Transistorschaltung durch geeignete Beschal- tung mit dem Mehrfachschalter sowohl als kalte als auch als heiße Last eingesetzt. Die aktive Last 404 ist über einen Anschlussschaltkreis 405 mit dem Mehrfachschalter 302 verbunden. Der Anschlussschaltkreis 405 ist mit zwei Polen des Mehrfachschalters 302 verbunden. Je nachdem, in welcher Schaltstellung der Mehrfachschalter 302 sich befindet, ist die aktive Last 404 demnach mittels des Anschlussschaltkreises 405 und einem der beiden Pole des Mehrfachschalters 302 mit dem Ausgangskanal verbunden. Auf diese Weise lässt sich die aktive Last 404 so ansteuern, dass sie aus Sicht des Ausgangskanals einmal als heiße aktive Last und einmal als kalte aktive Last wirkt. Die aktive Last 404 ist über zumindest eine Verbindung mit dem Anschlussschaltkreis verbunden. Eine (oder mehrere) weitere Verbindung (in Fig. 4 gestrichelt gezeichnet) kann vorgesehen sein. Eine gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4 ausgeführte, voll integrierte Kalibrierungseinrichtung kann sehr kompakt gebaut werden.
Insbesondere können der Mehrfachschalter 302, der Anschlussschaltkreis 405 und die aktive Last 404 als integrierte Komponente oder monolithisch integriert ausgeführt sein und bilden einen Schaltkreis, der gegebenenfalls auch noch einen oder mehrere Eingangskanäle aufweist (für passive Last(en) oder externe Last(en)). Somit können die Last 404 und die Schalter 302, 405 auf ein und demselben Halbleitermaterial (Chip bzw. MMIC) realisiert werden, so dass die Kalibrationseinrichtung eine integrierte bzw. monolithisch integrierte Einheit darstellt. Die (monolithische) Integration des Mehrfachschalters 302, des Anschlussschaltkreises 405 und der aktiven Last 404 sorgt typischerweise für relativ gleiche oder ausgeglichene Bauteiltemperaturen zwischen Mehrfachschalter 302, Anschlussschaltung 405 und aktiver Last 404, im Gegensatz zu anderen Lösungen für Kalibrationseinrichtungen, bei denen zum Beispiel zumindest der Mehrfachschalter 302 nicht mit der aktiven Last 404 und/oder dem Anschlussschaltkreis 405 integriert ist. Auf diese Weise lässt sich ein temperaturbedingter Einfluss z.B. des Mehrfachschalters 302 auf die Kalibrierung reduzieren, da die Kalibrationseinrichtung als integrierte Komponente ein im Wesentlichen einheitliches und/oder vorhersehbares Temperaturverhalten hinsichtlich der verschiedenen Bestandteile Mehrfachsschalter 302, Anschlussschaltung 405 und aktiver Last 404 zeigt. In Ausführungsbeispielen kann ein Temperatursensor vorgesehen sein, mit dem die Temperatur des Mehrfachsschalters 302, der Anschlussschaltung 405 und der aktiven Last 404 gemessen werden kann. Die gemessene Temperatur kann für eine Steuerung oder Regelung der aktiven Last 404 verwendet werden oder zur Korrektur oder Kompensation des von der Antenne empfangenen Signals und/oder von Referenzquelle(n) bereitgestellten Signal(en) verwendet werden. Der Temperatursensor kann mit dem Mehrfachschalter 302 monolithisch integriert sein (gegebenenfalls auch mit der aktiven Last 404 und der Anschlussschaltung 405).
Weiterhin kann der Mehrfachschalter 302 auch unmittelbar als Umschalter für die aktive Last 404 bzw. deren Anschlussschaltkreis 405 dienen, wie in Fig. 4 dargestellt. Durch verschiedene Pole („kalt" und„heiß") des Mehrfachschalter 302 kann der Anschlussschaltkreis 405 und die aktive Last 404 je nach Stellung des Mehrfachschalters auf unterschiedliche Weise mit dem Ausgangskanal verbunden werden. Demgegenüber sehen einige andere Kalibrationseinrichtungen vor, dass zur Beschaltung bzw. Heiß-Kalt-Umschaltung einer aktiven Last ein erster externer Schalter notwendig ist, sowie ein weiterer externer Schalter, um zwischen der Referenz und der Antenne umzuschalten. Ausführungsbeispiele, wie z.B. die in Fig. 4 schematisch dargestellte Kalibrationseinrichtung, vermeiden diese externen Schalter, indem ein einziger Mehrfachschalter vorgesehen ist, der nicht nur die Um- schaltung zwischen Antenne und Referenzquelle(n) bewirkt, sondern auch, ob die aktive Last 404 als kalte Last oder als heiße Last mit dem Ausgangskanal der Kalibrationseinrichtung verbunden wird. Die vorgeschlagene Kalibrierungseinrichtung weist eine im Vergleich zu früheren Lösungen geringere Komplexität auf. Unter anderem wird die Funktion des Umschaltens zwischen Antenne und Referenzquelle(n) einerseits und andererseits auch die Umkonfiguration der Beschaltung der aktiven Last 404 vom Mehrfachschalter 302 übernommen, d.h. der Mehrfachschalter 302 ist konfiguriert, das Umschalten zwischen Antenne und Referenzquelle(n) und auch die zustandsabhängige Beschaltung der aktiven Last 404 zu bewirken, die als eine der Referenzquellen dient. Insbesondere kann der Mehrfachschalter 302 einen ersten schaltbaren Pol umfassen, der für die Ansteuerung der aktiven Last 404 als heiße Referenzquelle verwendet wird, sowie einen zweiten schaltbaren Pol, der für die Ansteuerung der aktiven Last 404 als kalte Referenzquelle verwendet wird.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer voll monolithisch integrierten Radiometerkalibrierungseinrichtung mit einer Transistorschaltung als kombinierter kalter und heißer Last. Je nach Stellung der Schalter 1), 2) und 3) lassen sich verschiedene Betriebsarten der Radiometerkalibrierungseinrichtung konfigurieren. Die Antenne 301 ist typischerweise nicht Teil der monolithischen Integration der Radiometerkalibrierungseinrichtung.
Die Radiometerkalibrierungseinrichtung umfasst einen Anschluss (nicht explizit gezeigt) für die Antenne 301, eine Transistorschaltung 506 und einen Abschlusswiderstand 508 von 50 Ohm. In alternativen Ausführungsformen ist der Abschlusswiderstand 508 nicht mit der Kalibrierungseinrichtung monolithisch integriert, sondern als externes Bauelement ausgeführt. Die Antenne 301 ist über eine λ/4-Leitung 501 mit einem Knoten 503 verbunden. Auch eine Eingangsseite der Transistorschaltung 506 ist über eine λ/4-Leitung 505 mit dem Knoten 503 verbunden. Der Schalter 1) befindet sich zwischen der λ/4-Leitung 501 und der Antenne 301, so dass die Antenne 301 durch Schließen des Schalter 1) mit einem elektrischen Massepotential verbunden und auf diese Weise kurzgeschlossen werden kann. Durch die λ/4-Leitung 501 kommt es zu einer Impedanztransformation wodurch die λ/4- Leitung 501 am Knoten 503 als Leerlauf bzw. offene Leitung wirkt, wenn der Schalter 1) geschlossen ist. Der Schalter 2) befindet sich zwischen einer Eingangsseite der Transistorschaltung 506 und der λ/4-Leitung 505, so dass die Eingangsseite der Transistorschaltung mit dem elektrischen Massepotential verbunden und auf diese Weise kurzgeschlossen werden kann. In diesem Fall, d.h. wenn der Schalter 2) geschlossen ist, wirkt die λ/4-Leitung 505 aufgrund einer Impedanztransformation am Knoten 503 als Leerlauf bzw. offene Leitung.
Der Knoten 503 ist über zwei λ/4-Leitungen 51 1 und 515 auch mit einer Ausgangsseite der Transistorschaltung 506 verbunden. Der Schalter 3) verbindet einen zwischen den zwei λ/4-Leitungen 511 und 515 liegenden Knoten mit dem elektrischen Massepotential, so dass dieser Knoten durch Schließen des Schalters 3) auf das elektrische Massepotential gezogen werden kann. Bei geschlossenem Schalter 3) wirkt die λ/4-Leitung 51 1 aufgrund einer Impedanztransformation am Knoten 503 als Leerlauf bzw. offene Leitung. Ebenso wirkt die wirkt die λ/4-Leitung 515 aufgrund einer Impedanztransformation am Ausgang der Transistorschaltung 506 als Leerlauf bzw. offene Leitung.
Die Ausgangsseite der Transistorschaltung 506 ist des Weiteren über eine weitere λ/4- Leitung 507 mit einem Abschlusswiderstand 508 verbunden.
Die Transistorschaltung 506 kann als eine aktive, kalte Last („active cold load", ACL) ausgeführt sein, die über eine Eingangs- und eine Ausgangsanpassung verfügt, welche so gewählt sind, dass die Transistorschaltung in einer ersten Konfiguration für eine an dem Eingang der Transistorschaltung angeschlossene Schaltung eine geringe Rauschtemperatur aufweist und für eine an dem Ausgang der Transistorschaltung angeschlossene Schaltung eine hohe Rauschtemperatur aufweist. Die hohe Rauschtemperatur kann im zweiten Fall noch gesteigert werden, indem die Transistorschaltung an ihrem Eingang kurzgeschlossen wird. Der Kurzschluss am Eingang sorgt weiterhin für ein definiertes Potential.
Die Transistorschaltung 506 kann beispielsweise einen Feldeffekttransistor umfassen. Bei der ersten Konfiguration („kalt") wird dann über den Gate-Anschluss in den Feldeffekttransistor „geschaut". Bei der zweiten Konfiguration („heiß") wird über den Drain- Anschluss in den Feldeffekttransistor„geschaut". Neben dieser Realisierung der Transistorschaltung 506 mittels Feldeffekttransistoren ist auch eine Realisierung mittels bipolarer Transistoren denkbar.
Wenn die Schalter 2) und 3) aktiv sind, diese Schalter also leiten, ist die Radiometerkalibrierungseinrichtung in der Betriebsart für radiometrisches Messen. Der Schalter 1) ist offen und die Schalter 2) und 3) schließen die Transistorschaltung 506 eingangs- und ausgangs- seitig kurz. Weiterhin sorgen in diesem Fall die geschlossenen Schalter 2) und 3) dafür, dass die λ/4-Leitungen 505 und 51 1 am Knoten 503 wegen Impedanztransformation als Leerläufe am Knoten 503 wirken.
Ein andere Betriebsart liegt vor, wenn die Schalter 1) und 3) aktiv sind, der Schalter 2) dagegen nicht. In dieser Betriebsart wird eine Kalibrierung mit einer aktiven, kalten Last durchgeführt. Die kalte Last wird dabei durch die Transistorschaltung 506 bereitgestellt. Die Transistorschaltung 506 ist aufgrund der Stellung der Schalter 2) und 3) über die λ/4- Leitung 507 mit dem Abschlusswiderstand 508 terminiert.
Wenn die Schalter 1) und 2) aktiv sind, nicht aber der Schalter 3), liegt eine dritte Betriebsart vor, in der die Transistorschaltung als heiße, aktive Last wirkt. Die auf diese Wei- se beschaltete Transistorschaltung 506 ist durch Schalter 2) mit einem Kurzschluss terminiert. Der zu dem Abschlusswiderstand 508 parallel geschaltete Schalter 509 ist geschlossen und entkoppelt so den Abschlusswiderstand 508.
Wenn in der Schaltung auf die Elemente 507 und 509 verzichtet wird, können weiterhin kalte und heiße Lasten realisiert werden. Wenn Schalter 1) und 3) geschlossen sind, kann mit einer kalten Last kalibriert werden, wobei die Transistorschaltung 506 fest mit z.B. 50 Ohm abgeschlossen ist. Dies ist der Widerstand, auf den sie angepasst wurde. Die Temperatur der kalten Last wird dadurch im Allgemeinen geringer.
Wenn Schalter 1) und 2) geschlossen sind, kann mit einer heißen Last kalibriert werden, wobei durch den Verzicht der Elemente 507 und 509 nun fest der Abschlusswiderstand 508 parallel geschaltet ist. Dies verringert im Allgemeinen die Temperatur der erzielbaren heißen Last.
Die Transistorschaltung 506 dient als aktive Last. Der Mehrfachschalter kann zum Beispiel die Schalter 1), 2), 3) umfassen, sowie die λ/4-Leitungen 501, 505 und 51 1, durch die die erwähnten Impedanztransformationen bereitgestellt werden können. Weiterhin ist der die Schalter 1), 2) und 3) und die λ/4-Leitungen 501 , 505 , 51 1 umfassende Mehrfachschalter konfiguriert, die Umschaltung der aktiven Last bzw. Transistorschaltung 506 vom Betrieb als kalte Last in den Betrieb als heiße Last und umgekehrt zu bewirken. Insbesondere werden keine weiteren Schaltelemente für diese heiß/kalt-Umschaltung der aktiven Last bzw. Transistorschaltung 506 benötigt. Der Mehrfachschalter ist schaltungstechnisch symmetrisch zu dem Knoten 503 aufgebaut, d.h. bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Mehrfachschalter drei zum Beispiel gleiche Schaltpfade, die jeweils eine λ/4-Leitung und einen Schalter umfassen, der die λ/4-Leitung selektiv mit einem Referenzpotential (z.B. Masse) verbindet. Von diesen drei Schaltpfaden dienen zwei dazu, die aktive Last 506 auf zwei unterschiedliche Arten mit dem Knoten 503 zu verbinden, wobei diese unterschiedlichen Arten der Verbindung direkt mittels des Mehrfachschalters erreicht wird, ohne auf weitere Schaltelemente zurückgreifen zu müssen. Der Mehrfachschalter kann um einen oder mehrere weitere Schaltpfade ergänzt werden, die zum Beispiel ebenfalls gleich aufgebaut sind, wie die drei in Fig. 5 dargestellten Schaltpfade. Der Mehrfachschalter ist konfiguriert, dass jeweils der Schalter 1), 2) oder 3) geöffnet ist (als einziger der Schalter), der sich in dem zu aktivierenden Schaltpfad befindet. Die in den anderen Schaltpfaden befindlichen Schalter sind zu dieser Zeit geschlossen.
Alternativ kann der Mehrfachschalter die Schalter 1), 2), 3) und 509 umfassen. Der Ausgangskanal des Mehrfachschalters ist zum Beispiel mit dem elektrischen Massepotential verbunden. Man beachte, dass je nach Betriebsart zumindest zwei Knoten des Schaltkreises gleichzeitig mit dem elektrischen Massepotential verbunden sind. Im Fall der Betriebsart„heiße, aktive Last" werden drei Knoten des Schaltkreises gleichzeitig mittels der Schalter 1), 2) und 509 mit dem elektrischen Massepotential verbunden.
Der Anschlussschaltkreis kann zum Beispiel die λ/4-Leitungen 515, 507, deren Verbindungen zur Transistorschaltung 506, sowie den Schalter 509 umfassen. Gegebenenfalls kann auch der Abschlusswiderstand 508 zum Anschlussschaltkreis gezählt werden. Wie bereits zuvor erläutert, ist es jedoch auch möglich, dass die λ/4-Leitung 507 und der Schalter 509 nicht vorgesehen sind. Alternativ können der Mehrfachschalter und der Anschlussschaltkreis als eine zusammengehörende Einheit angesehen werden.
Die hierein offenbarte technische Lehre ist besonders interessant für radiometrische Systeme auf autonomen und mobilen Plattformen (Flugzeuge, Drohnen, Satelliten, Roboter), die aufgrund einer begrenzten Energieversorgung und Nutzlast auf verlustarme, leichte und kompakte Nutzlasten angewiesen sind. Voll monolithisch integrierte, elektronische Kalibrierungseinrichtungen dieses neuen Prinzips sind heute bis in den hohen Millimeterwellenfrequenzbereich denkbar. Zukünftige Entwicklungen und neuartige Transistor- und Schaltertechnologien werden dies weiter zu noch höheren Frequenzen im Tera-Hertz-Bereich vorantreiben.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

Patentansprüche
1. Radiometrische Kalibrierungseinrichtung, umfassend: einen Mehrfachschalter (302), der mittels einer monolithisch integrierten Mikro- oder Millimeterwellenschaltung implementiert ist, zum Umschalten von einem Antennensignalein- gang auf zumindest einen Referenzsignaleingang des Mehrfachschalters (302), eine aktive Last (404), die an eine Eingangsseite des Mehrfachschalters (302) angeschlossen ist, und einen Anschlussschaltkreis (405) zwischen der aktiven Last und dem Mehrfachschalter (302), wobei der Anschlussschaltkreis (405) in Erwiderung auf ein Steuersignal jeweils einen von zumindest einem ersten Zustand und einem zweiten Zustand annehmen kann, so dass der Anschlussschaltkreis (405) in dem ersten Zustand den Mehrfachschalter (302) auf eine erste Weise mit der aktiven Last verbindet, wodurch die aktive Last (404) als kalte Last für die radiometrische Kalibrierungseinrichtung wirkt, und in dem zweiten Zustand den Mehrfachschalter (302) auf eine zweite Weise mit der aktiven Last verbindet, wodurch die aktive Last (404) als heiße Last für die radiometrische Kalibrierungseinrichtung wirkt.
2. Radiometrische Kalibrierungseinrichtung gemäß Anspruch 1 , weiter umfassend eine Referenzquelle zur Erzeugung eines an dem zumindest einen Referenzsignaleingang anliegenden Referenzsignal, wobei die Referenzquelle mit dem Mehrfachschalter (302) monolithisch integriert ist.
3. Radiometrische Kalibrierungseinrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Referenzquelle und der Mehrfachschalter (302) Transistoren umfassen.
4. Radiometrische Kalibrierungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Mehrfachschalter (302) einen externen Referenzsignaleingang umfasst, an den eine externe Referenzquelle angeschlossen werden kann.
5. Radiometrische Kalibrierungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die aktive Last (404) eine Transistorschaltung ist, die an die Eingangsseite des Mehrfachschalters (302) angeschlossen ist.
6. Radiometrische Kalibrierungseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die aktive Last (404) als kalte oder heiße Last betrieben wird, indem eine elektrische Verbindung mit dem Mehrfachschalter (302) an verschiedenen Anschlussports der aktiven Last abgegriffen wird.
7. Radiometrische Kalibrierungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter umfassend einen Temperatursensor zur Messung einer Temperatur der radiometrischen Kalibrierungseinrichtung.
8. Radiometrische Kalibrierungseinrichtung gemäß Anspruch 7, weiter umfassend eine Temperaturauswertung, die mit dem Temperatursensor verbunden ist und die Temperatur der radiometrischen Kalibrierungseinrichtung als Kalibrationsgröße für ein an dem Antennensignaleingang anliegendes Antennensignal verwendet.
9. Radiometrische Kalibrierungseinrichtung gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei der Temperatursensor mit dem Mehrfachschalter (302) monolithisch integriert ist.
10. Radiometrische Kalibrierungseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Mehrfachschalter (302) ein einpoliger Schalter ist.
1 1. Radiometrische Kalibrierungseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Mehrfachschalter (302) ausgelegt ist, Signale in einem Frequenzbereich bis 300 GHz durchzuleiten.
PCT/EP2012/056557 2011-04-11 2012-04-11 Radiometrische kalibrierungseinrichtung mit monolithisch integriertem mehrfachschalter WO2012140067A1 (de)

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