WO2016198254A1 - Frequenzgenerator zur erzeugung einer zusammengesetzten frequenzrampe - Google Patents

Frequenzgenerator zur erzeugung einer zusammengesetzten frequenzrampe Download PDF

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Martin Hitzler
Christian Waldschmidt
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    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves

Definitions

  • Frequency generator for generating a composite frequency ramp
  • the invention relates to a frequency generator for generating a continuously increasing frequency in the frequency ramp, a radar measurement device for a measurement according to the principle of the FMCW radar and a method for generating a continuously increasing frequency in the frequency ramp. Furthermore, the invention relates to a frequency generator for generating a continuously decreasing frequency in the frequency ramp and a method for generating a continuously decreasing frequency in the frequency ramp.
  • field devices are often used to detect and / or influence process variables.
  • Examples of such field devices are level gauges, mass flowmeters, pressure and temperature measuring devices, etc., which detect the corresponding process variables level, flow, pressure or temperature as sensors.
  • a frequency generator serves to generate a frequency ramp increasing continuously in frequency.
  • the frequency generator comprises a frequency ramp generator adapted to generate a frequency signal comprising a sequence of several consecutive falling and falling frequencies rising sub-ramps comprises a Hochsetzfrequenzgenerator for generating a plurality of different Hochsetzfrequenzsignalen, and a mixer which is adapted to mix up the sub-ramps of the frequency signal with the respective sub-ramp tuned Hochsetzfrequenzsignalen.
  • the lower sideband of the highly mixed signal thus obtained provides a highly mixed rising partial ramp.
  • the upper sideband of the highly mixed signal thus obtained provides a highly mixed rising partial ramp.
  • the frequency generator is arranged to assemble the resulting high-mixed rising partial ramps into a continuously increasing frequency ramp, wherein the boosting frequency signals for the various sub-ramps are selected such that the highly mixed ramped sub-ramps complement each other to the continuously increasing frequency ramp.
  • the frequency ramp which increases continuously in frequency, is generated by assembling several high mixed sub-ramps. This makes it possible to obtain a continuously increasing in frequency frequency ramp, which is on the one hand highly linear, on the other hand, but also has a significant frequency deviation, because the frequency deviation of the composite frequency ramps is a multiple of the frequency of sub-ramps.
  • the high mixed sub-ramps are obtained by up-mixing the frequency signal, the frequency signal comprising a succession of consecutive falling and increasing sub-ramps. Characterized in that for each partial ramp of the frequency signal, a tuned to the respective sub-ramp Hochsetzfrequenz is used, discontinuities are avoided at the transitions between successive highly mixed sub-ramps. Due to the high mixing frequency multiplier stages can be completely or largely dispensed with. This is advantageous because it keeps the phase jitter of the generated frequency ramp low. This gives a frequency ramp with a high frequency deviation and low phase jitter.
  • a frequency generator for generating a continuously increasing in frequency frequency ramp has been described.
  • a frequency generator which is designed to generate a frequency ramp which drops continuously in frequency.
  • the starting point for the generation of a continuously decreasing frequency ramp is again a frequency signal comprising a sequence of several consecutive falling and rising partial ramps.
  • the frequency generator comprises a mixer which is designed to include the partial ramps of the frequency signal with the respective partial ramp mixed up Hochsetzfrequenzsignalen.
  • the upper sideband of the highly mixed signal thus obtained provides a highly mixed sloping partial ramp.
  • the lower sideband of the high mixed signal thus obtained provides a highly mixed sloping partial ramp.
  • the frequency generator is designed to assemble the resulting high-mix decay ramps to a frequency ramp that is continuously decreasing in frequency, with the boost frequency signals for the various sub-ramps selected to complement the highly-mixed ramped ramps to the ramp frequency-decreasing ramp.
  • 1 shows a frequency generator with subsequent frequency multiplication.
  • FIG. 2 shows a frequency generator with a downstream frequency converter
  • FIG. 3 shows a frequency generator for generating a linear frequency ramp with a high frequency deviation
  • Fig. 4 is a frequency diagram illustrating how the linear frequency ramp is composed of a plurality of high mixed sub-ramps
  • Fig. 5A is a block diagram of a boosting frequency generator for generating four different boosting frequencies
  • Fig. 5B is a block diagram of a simplified boost frequency generator
  • Fig. 6 is a frequency diagram showing that with a suitable design of the voltage-controlled oscillator, a reduced number of boost frequencies for up-converting the sub-ramps is sufficient;
  • Fig. 7 is a frequency diagram showing a composite frequency ramp at twelve times the frequency swing of the voltage controlled oscillator used;
  • Fig. 8 shows a three-stage cascaded mixer arrangement which allows the generation of a plurality of different boost frequencies by means of a continued division of the modulation frequency;
  • Fig. 9 is a block diagram of a radar sensor operating according to the FMCW principle;
  • Fig. 10 shows the timing of the transmit and receive signals.
  • the circuit shown in Fig. 1 comprises a frequency generator 100, the z. B. a voltage controlled oscillator (VCO) and a phase locked loop comprises.
  • the frequency generator 100 is provided by a quartz oscillator 101, a reference signal having a frequency of, for example, 10 MHz to 100 MHz.
  • the frequency generator 100 generates a frequency ramp having a frequency of, for example, 5 to 10 GHz by means of the voltage-controlled oscillator and the phase locked loop.
  • a frequency multiplier 102 is provided to increase the output of the frequency generator 100 to the desired frequency range.
  • the frequency multiplier 102 multiplies the frequency of the output signal of the frequency generator 100 by a factor M, which can be in the range between 2 and 20, for example. At the output of the frequency multiplier 102, one obtains the desired frequency ramp in the frequency range between, for example, 70 GHz to 150 GHz.
  • the frequency multiplication has the disadvantage that phase noise of the frequency ramp generated by the frequency generator 100 are significantly amplified by the frequency multiplier 102, so that the phase noise or the phase jitter of the frequency-multiplied signal significantly affect the signal quality of frequency ramp generated by frequency multiplication.
  • the phase noise is amplified by the frequency multiplier 102 in accordance with the square of the frequency ratio of the output and input frequencies. This Highly-amplified phase jitter impairs the quality of the generated frequency ramp and, in particular, limits the signal-to-noise ratio of the generated signal.
  • Fig. 2 shows an alternative circuit for generating a high-frequency frequency ramp, in which frequency conversion is performed instead of the frequency multiplication.
  • the circuit includes a frequency generator 200 for generating a frequency ramp comprising a voltage controlled oscillator (VCO) and a phase locked loop for controlling the voltage controlled oscillator.
  • the reference signal for the phase-locked loop is provided by a quartz oscillator 201.
  • a mixer 202 is provided, which mixes up the frequency ramp generated by the frequency generator 200 in a frequency range above 70 GHz.
  • the frequency ramp in mixer 202 is mixed with a local oscillator signal provided by a fixed-frequency local oscillator 203.
  • the local oscillator 203 is preferably a high-quality local oscillator providing a local oscillator signal having a frequency of 10 GHz or more.
  • the circuit shown in FIG. 2 provides a boosted frequency ramp which has a significantly lower phase jitter than the frequency ramp generated by the circuit of FIG.
  • the reason for this is that the noise components of the frequency ramp generated by the frequency generator 200 add up with the (uncorrelated) phase noise components of the local oscillator signal, so that the boosted frequency ramp also has no appreciable phase disturbances.
  • An increase in the noise proportional to the square of the frequency ratio, as occurs in the solution shown in Fig. 1, can thus be avoided.
  • the frequency sweep of the frequency generator 100 is also multiplied by the frequency multiplier 102 so as to be at the output of the frequency multiplier 102 receives a frequency ramp with a frequency M increased by a factor of M.
  • the frequency deviation generated by the frequency generator 200 is obtained unchanged by the upmixing in the mixer 202.
  • the frequency generator 200 must be able to generate a frequency ramp with a sufficiently high frequency sweep.
  • a frequency generator 200 is therefore a very broadband voltage-controlled oscillator of high quality needed, which provides the most accurate frequency ramp with sufficiently high frequency deviation.
  • the frequency ramp is constructed from a plurality of partial ramps.
  • a plurality of rising and falling partial ramps are generated by means of a voltage-controlled oscillator, which are then mixed up by means of suitable Hochsetzfrequenzen in a higher frequency range and assembled into a continuously increasing frequency ramp.
  • a frequency generator 300 capable of generating a plurality of successive rising and falling sub-ramps and composing it, by suitable up-mixing, into a continuous frequency ramp.
  • the frequency generator 300 comprises a frequency ramp generator 301, which is constructed from a reference oscillator 302, a linearization stage 303 and a voltage-controlled oscillator 304.
  • the reference oscillator 302 is for generating a reference signal of constant frequency. This reference signal is supplied to the linearization stage 303.
  • the linearization stage 303 is supplied with the partial ramp signal 305 obtained at the output of the voltage-controlled oscillator 304 as a fed-back signal 306.
  • the linearization stage 303 starts from these two signals, the linearization stage 303 generates a control voltage 307 which is suitable for generating the rising or falling partial ramps and which is supplied to the voltage-controlled oscillator 304.
  • the control voltage 307 controls the voltage controlled oscillator 304 to provide the desired ramp-up or ramp-down ramps.
  • the control voltage 307 is generated by the linearization stage 303 using a phase-locked loop (PLL).
  • PLL phase-locked loop
  • a fractional-N PLL for example, can be used.
  • a fractional frequency divider is provided within the linearization stage 303, which divides the fed-back signal 306 in accordance with an arbitrarily specifiable fractional divider ratio. The divided down signal is compared with the reference oscillator signal within the fractional-N PLL, and the phase deviation between the two signals becomes the control voltage 307 for the voltage controlled oscillator 304 implemented.
  • a linearly increasing (or decreasing) partial ramp can be generated.
  • the continuous increase or decrease of the divider ratio is controlled by a control unit 308, which supplies the linearization stage 303 with a corresponding control signal 309.
  • a PLL-DDS combination can be used in which the desired frequency response is predetermined by means of a DDS (Direct Digital Synthesis) module.
  • the reference frequency provided by the reference oscillator 302 is converted by means of the DDS module into an adjustable reference signal whose frequency can be continuously increased (or reduced) via the register value of the DDS module.
  • the feedback signal 306 or a signal derived therefrom is then compared with this frequency-variable reference signal, and the phase deviation between the two signals is converted into the control voltage 307 with which a linearly rising (or falling) partial ramp can be generated.
  • the frequency increase (or frequency drop) is thus specified in this example by increasing (or decreasing) the register value of the DDS module.
  • the increase in frequency or the frequency drop is controlled by the control unit 308 by means of a suitable control signal 309.
  • a quartz oscillator can be used which provides a reference signal having a frequency in the range of, for example, 10 to 100 MHz.
  • the reference oscillator could be realized for example by means of a SAW (Surface Acoustic Wave) oscillator.
  • SAW Surface Acoustic Wave
  • a SAW oscillator a surface acoustic wave propagating on the surface of a piezocrystal is used as the resonator structure.
  • BAW stands for "Bulk Acoustic Wave”.
  • the operation is similar to that of a surface acoustic wave oscillator (SAW oscillator), but with the difference that in the BAW oscillator the propagation of the acoustic wave takes place in the semiconductor substrate (bulk) on which the circuit is housed.
  • SAW oscillator surface acoustic wave oscillator
  • typical frequencies of the reference signal are in the range of, for example, 1 GHz.
  • the partial ramp signal 305 can be tapped, which comprises a sequence of ramp ramps that increase in frequency and ramp down in frequency. 4, the frequency profile 400 of the partial ramp signal 305 is plotted as a function of time.
  • the frequency profile 400 of the partial ramp signal 305 comprises a first sloping partial ramp 401, a second rising partial ramp 402, a third sloping partial ramp 403 and a fourth rising partial ramp 404.
  • the alternating sequence of sloping partial ramps and increasing partial ramps results for the frequency characteristic 400 of the partial ramp signal 305 a W-shaped frequency response.
  • the frequency decreases linearly from a starting value f max to a final value f min
  • the frequency increases linearly from a starting value f min to a final value f max .
  • the switching between the successive partial ramps takes place at the switching times 405, 406, 407.
  • the frequencies f min , f max and the frequency swing Af hub can move, for example, in the range of a few gigahertz.
  • the lower sideband of the highly mixed signal is used in the upmixing of the sloping partial ramps 401, 403 respectively, because a sloping partial ramp appears in the lower sideband of the mixer with a negative sign and the lower sideband thus each provides a rising highly mixed partial ramp.
  • the upper sideband of the highly mixed signal is used because here the upper sideband delivers a rising highly mixed partial ramp.
  • the composition of the four highly mixed partial ramps 408, 409, 410, 411 results in a composite frequency ramp 412 whose frequency deviation is four times the frequency deviation Af hU b of the individual partial ramps 401 to 404.
  • the partial ramp signal 305 is supplied to a mixer 310, which is designed to mix the partial ramp signal 305 with a boost frequency signal 311 that is supplied by a boost frequency generator 312 is produced.
  • the boost frequency generator 312 is configured to generate, for each sub-ramp of the sub-ramp signal 305, an associated boost frequency signal 31 1 having an appropriate frequency for up-converting the sub-ramp.
  • the boost frequency generator 312 must be able to generate appropriate boost frequency signals having different boost frequencies. For the different sub-ramps Hochsetzfrequenzsignale with different Hochsetzfrequenzen are needed.
  • the four different ramp- up frequencies f up1 , f up2 , f u 3 and f up 4 are used to upmix the four sub-ramps 401 to 404, which are shown in dashed lines in FIG. 4.
  • the boost frequency generator 312 must be able to selectively generate boost signals of the four frequencies f up , f up2 , f u 3, and f up4 , with each of the four sub ramps 401 through 404 associated with an associated boost frequency.
  • Typical boost frequencies may, for example, be in the range above 40 GHz.
  • the generation of the respective boosting frequency signal 31 1 by the boosting frequency generator 312 is controlled by the control unit 308 by means of a control signal 317.
  • control signal 317 controls the switching between the different boosting frequencies.
  • a switchover from the boosting frequency f up1 to f up 2 takes place, at the switchover time 406, from f up2 to f up 3, and at the switchover time 407 a changeover to f up4 takes place.
  • the partial ramp signal 305 is mixed with the step-up frequency signal 31 1.
  • Mixer 310 has two signal outputs, a first output for lower sideband signal 313 and a second output for upper sideband signal 314. At the first output, the lower sideband of the composite signal is output as lower sideband signal 313, and at the second output the upper sideband of Mixed signal output as upper sideband signal 314. Both the lower sideband signal 313 and the upper sideband signal 314 are supplied to an electronic switching element 315. By the electronic switching element 315, either the lower sideband signal 313 or the upper sideband signal 314 can be selected and switched through to the output 318 of the frequency generator 300.
  • the switching between the lower sideband signal 313 and the upper sideband signal 314 is controlled by a control signal 316 generated by the control unit 308 and supplied to the electronic switching element 315.
  • the aim now is to mix the individual sub-ramps of the sub-ramp signal 305 into a higher frequency range and to ensure, by suitable selection of the lower or upper sideband signal of the highly mixed sub-ramps, that a continuous, continuously increasing frequency ramp can be composed from the individual highly mixed sub-ramps.
  • the switching between the lower sideband signal 313 and the upper sideband signal 314 is carried out such that at a falling partial ramp in the partial ramp signal 305, the lower sideband signal 313 is turned on to the output 318, while at a rising partial ramp in the partial ramp signal 305, the upper sideband signal 314 to the output 318th is switched through.
  • suitable switching of the electronic switching element 315 can thus be achieved that the individual highly mixed partial ramps complement each other to a single linearly increasing frequency ramp.
  • FIG. 4 shows the frequency curve 400 of the partial ramp signal 305.
  • a falling partial ramp 401 can first be recognized.
  • the boost frequency generator 312 generates a boost frequency signal 31 1 of the frequency f up .
  • This frequency f up1 is shown in dashed lines in FIG.
  • the descending partial ramp 401 is up-converted by the mixer 310 by means of the boost frequency signal 31 1 of the frequency f up1 in a higher frequency range.
  • the electronic switching element 315 is switched during the first falling partial ramp 401 by the control signal 316 so that the lower sideband signal 313 is switched through to the output 318.
  • the falling partial ramp 401 appears with the opposite sign, so that the lower sideband signal 313 as a result of this sign reversal delivers a highly mixed partial ramp 408 increasing linearly with time.
  • the highly mixed partial ramp 408 thus generated forms the first portion of the composite frequency ramp 412.
  • the voltage-controlled oscillator 304 supplies a rising partial ramp 402.
  • the aim now is to mix this rising partial ramp 402 so that the highly mixed partial ramp directly adjoins the highly mixed partial ramp 408.
  • the boosting frequency generator 312 is switched to the switching-up time 405 to the second boosting frequency f up2 , which in Fig. 4 with is drawn.
  • the rising partial ramp 402 is up-converted by the mixer 310 at the boost frequency f up2.
  • the electronic switching element 315 is also switched in such a way that, starting at the switchover time 405, the upper sideband signal 314 is switched through to the output 318 of the frequency generator.
  • the rising partial ramp 402 appears without sign reversal so that the upper sideband signal 314 provides a ramped-up, ramp-up partial ramp 409.
  • the first boost frequency f up and the second boost frequency f up2 it can be achieved that the second highly mixed partial ramp 409 connects seamlessly to the first highly mixed partial ramp 408.
  • the rising partial ramp 402 is followed by a falling partial ramp 403 from the switchover time 406.
  • the frequency of the boosting frequency signal 31 1 supplied by the boosting frequency generator 312 is switched from f up2 to f up3 .
  • This boosting frequency f up3 is then used to upmix the declining sub-ramp 403.
  • the electronic switching element 315 is switched over to the lower sideband signal 313 at the switchover time 406, so that the lower sideband signal 313 is obtained at the output 318 of the electronic switching element 315.
  • the lower sideband of the highly mixed signal supplies a highly mixed partial ramp 410 rising linearly with time, which, with a suitable selection of the boost frequency f up3, directly adjoins the two already-generated highly mixed partial ramps 408, 409.
  • the partial ramp signal 305 again supplies a rising partial ramp 404.
  • the boosting frequency generator 312 is switched from the previous boosting frequency f up3 to the boosting frequency f up4 , which is then used to upmix the partial ramp 404.
  • the electronic switching element 315 is switched to the switching time 407 such that now the upper sideband signal 314 is switched through to the output 318. At the output 318, therefore, one obtains the upper sideband of the highly mixed signal, which provides a linearly increasing with time, highly mixed partial ramp 41 1.
  • the highly mixed partial ramp 41 1 merges seamlessly with the previously generated highly mixed partial ramps 408, 409, 410. In this way, a frequency ramp 412 increasing linearly with time is obtained, the frequency deviation of which is four times the frequency deviation Af hUb of the individual partial ramps 401 to 404.
  • the boost frequencies f up1 , fu 2 > fu P 3 unc 'have to meet so that the highly mixed sub-ramps 408 to 41 1 complement each other seamlessly to form a composite rising frequency ramp 412.
  • the center frequency f RF of the resulting frequency ramp 412 is introduced. This center frequency f RF of the resulting frequency ramp 412 is shown in dashed lines in FIG. 4.
  • a relationship for the first boost frequency f up is to be derived.
  • the frequency at this right end point can be represented as (fu P 2 + fmax), on the other hand, this frequency at the right end point but also equal to the center frequency f RF .
  • f up3 Another relationship for the boosting frequency f up3 can be established by looking at the left starting point of the partial ramp 410.
  • the frequency at the left starting point can be represented on the one hand as (f up 3-f m ax), on the other hand, the frequency at the left starting point but also equal to the center frequency f RF .
  • the left starting point of the high-mix partial ramp 41 1 is considered.
  • the frequency at this left starting point can be represented as (f up4 + fmin).
  • the four boost frequencies f up1 , f up2 , f u 3, f u 4 can therefore be represented as follows:
  • fup4 fRF (fmin-Afhub)
  • the boost frequency generator 312 shown in FIG. 3 should be capable of generating boosting frequency signals having these four boosting frequencies. If one were to use uncorrelated sources to generate these boosting frequency signals, then phase and frequency hopping would occur when switching between the various high-mix sub-ramps. In this respect, the different boost signals should be coherent with each other. This can be achieved by using as few uncorrelated sources as possible in the overall arrangement to generate the boosting frequency signals. In addition, it would also not make sense to generate the Hochsetzfrequenzsignale even by a direct synthesizer with subsequent multiplier stages. In such a solution, the disadvantages of the multiplier solution would only be shifted from the voltage controlled oscillator to the boosting frequency generator. In this respect, multiplier stages should be omitted as far as possible within the boost frequency generator 312.
  • FIG. 5A shows a possible embodiment of the boost frequency generator 312 in the form of a block diagram.
  • the boost frequency generator 312 comprises a monofrequency local oscillator 500 which generates a local oscillator signal 501 of frequency f L o.
  • the local oscillator 500 is a high quality local oscillator (eg, 70 or more).
  • the frequency of the local oscillator signal 501 is preferably above 40 GHz, ie in the radar frequency range.
  • the local oscillator signal 501 is supplied to a mixer 502.
  • the mixer 502 is also supplied with a modulation signal 503 supplied by a Modulation frequency oscillator 504 is generated.
  • FIG. 5A shows a possible embodiment of the boost frequency generator 312 in the form of a block diagram.
  • the boost frequency generator 312 comprises a monofrequency local oscillator 500 which generates a local oscillator signal 501 of frequency f L o.
  • the local oscillator 500 is a high quality local oscillator (eg,
  • the modulation frequency oscillator 504 is configured to selectively generate modulation signals having two different modulation frequencies f mod1 and f m0C i2.
  • the modulation frequency oscillator 504 therefore supplies the mixer 502 optionally with a modulation signal having a first modulation frequency f mod1 or a modulation signal having a second modulation frequency f mod2 .
  • the local oscillator signal 501 is mixed with the comparatively low-frequency modulation signal 503.
  • a lower sideband signal 505 is obtained which contains a frequency component (f L o -fmodi) or (f
  • an upper sideband signal 506 is obtained which contains a frequency component (fi_o + fmodi) and (f L o + fmod2), respectively, depending on which of the two modulation frequencies f mod1 , f mod2 is used.
  • Both the lower sideband signal 505 and the upper sideband signal 506 are applied to an electronic switching element 507, which selectively switches one of the two signals to the output.
  • the electronic switching element 507 At the output of the electronic switching element 507 is then obtained the Hochsetzfrequenzsignal 31 1, which is used as shown in Fig. 3 for upmixing the partial ramps.
  • the modulation frequency oscillator 504 can be switched by means of a control signal 508 between the two frequencies f mod1 and f mod2 .
  • the electronic switching element 507 is controlled by the control signal 509 so that either the lower sideband signal 505 or the upper sideband signal 506 are switched through to the output.
  • the boosting frequency generator 312 may selectively output one of the four possible boosting frequencies f up1 , f up2 , f u 3, f u 4 at the output as the boosting frequency signal 31 1.
  • the boost frequency generator 312 shown in FIG. 5A is suitable for generating the four frequencies f up , f up2 , fu 3, fu 4 needed to generate the frequency ramp 412 shown in FIG. 4. It is advantageous if the number of uncorrelated signal sources in the overall arrangement is kept as low as possible. If the boost frequencies are derived from as few as possible uncorrelated signal sources, then this leads to a certain coherence between the individual boosting frequency signals. This has the consequence that at the switching points of the frequency ramp phase or frequency jumps between the sub-ramps can be significantly reduced or even completely avoided. In this respect, it is important to generate the signals used by as few independent signal sources or oscillators as possible.
  • the modulation frequency oscillator 504 is synchronized relative to the local oscillator 500 or relative to the reference oscillator 302, for example using a phase-locked loop.
  • the required modulation frequencies f mod i, f m0 d2 for example, directly from the local oscillator signal 501 or from the reference generator
  • Modulation frequencies f mod , f mod2 correspond to one third in the example of FIG.
  • FIG. 6 shows a frequency profile 600 of the partial ramp signal 305, which comprises four successive partial ramps 601, 602, 603, 604.
  • VCO voltage controlled oscillator
  • the simplified boost frequency generator 312 shown in FIG. 5B includes a local oscillator 510 configured to provide a local oscillator signal
  • the boost frequency generator 312 shown in Fig. 5B also includes a modulation frequency oscillator 513 which generates a modulation signal 514 and the mixer
  • the modulation frequency oscillator 513 is only designed to generate a modulation signal 514 at a single modulation frequency f mod . Unlike in FIG. 5A, switching between different modulation frequencies is not required in the modulation frequency generator 513 shown in FIG. 5B.
  • the local oscillator signal 51 1 is mixed with the modulation signal 514.
  • a lower sideband signal 515 is obtained containing the frequency component f
  • an upper sideband signal 516 is obtained containing a frequency component fi_o + fmod.
  • the two sideband signals 515, 516 and the local oscillator signal 51 1 itself are supplied to an electronic switching element 517, which is controlled by a control signal 518.
  • the control signal 518 it can be selected which of the three signals 51 1, 515, 516 is switched through to the output of the electronic switching element 517.
  • three boost frequency signals can be provided at the frequencies fi_o-fmod, fi_o, fi_o + fmod.
  • f up 2 and f up 3 are generated. The respectively selected
  • Signal is then used in FIG. 3 as the boosting frequency signal 31 1 and supplied to the mixer 310.
  • frequency ramps 412 and 605, respectively, with four-fold frequency sweep are generated by means of three or four boost frequencies. This procedure can still be generalized. For example, a falling composite frequency ramp could be generated as well. In combination with the increasing frequency ramp illustrated in FIG. 4 or FIG. 6, it would thus be possible to generate a triangular waveform from eight partial ramps.
  • the principle can also be applied to systems that produce an overall ramp from even more partial ramps.
  • the entire frequency ramp can be extended by twice the frequency swing of the voltage controlled oscillator.
  • multiple flows of FIG. 4 or 6 could be cascaded.
  • a linear frequency ramp 700 is illustrated in FIG. 7, the frequency deviation of which amounts to twelve times the frequency swing Af hu of the voltage-controlled oscillator 304.
  • a voltage-controlled oscillator is used whose tunable frequency range covers a full octave.
  • the starting point for the generation of the frequency ramp 700 is a partial ramp signal 701, which comprises twelve successive falling or rising partial ramps.
  • the associated boosting frequency in gigahertz is used, which is used for high-level mixing of the respective sub-ramp.
  • the frequency ramp 700 By upshifting and assembling the partial ramps results in the composite frequency ramp 700, which extends in the example shown from 65 GHz to 95 GHz.
  • boost frequencies are needed to upmix the sub-ramps, namely 65 GHz, 70 GHz, 75 GHz, 80 GHz, 85 GHz, 90 GHz and 95 GHz.
  • This relationship between the frequency sweep of frequency ramp 700 and the number of boost frequencies used can be generalized.
  • the frequency sweep may be increased to (N-1) -2 times the frequency sweep of the voltage controlled oscillator (VCO) assuming that the swept frequency range of the voltage controlled oscillator extends over one octave.
  • VCO voltage controlled oscillator
  • a boost frequency generator is shown in FIG. 8, which is realized by means of a cascaded arrangement of mixers.
  • the starting point for generating the different boosting frequency signals is a monofrequency local oscillator signal 800, which is generated by a local oscillator 801.
  • This local oscillator signal 800 is supplied to a mixer 802 of the first stage.
  • the local oscillator signal 800 is mixed with a first modulation signal 803 provided by a modulation frequency oscillator 804.
  • the two sideband signals 805-1 and 805-2 are obtained. These sideband signals 805-1, 805-2 are fed to the two second stage mixers 806-1, 806-2. In the second stage mixers 806-1, 806-2, the sideband signals 805-1, 805-2 are mixed with a second modulation signal 807 derived by frequency division from the first modulation signal 803. For this purpose, a frequency divider 808 is provided. The frequency of the second modulation signal 807 is thus only more than half of the modulation frequency generated by the modulation frequency oscillator 804. At the outputs of the second stage mixers 806-1, 806-2, four sideband signals 809-1 through 809-4 are obtained.
  • sideband signals 809-1 to 809-4 are fed to the third stage mixers 810-1 to 810-4 and mixed there with a third modulation signal 81 1, which in turn is derived by frequency division from the second modulation signal 807.
  • a further frequency divider 812 is provided.
  • the frequency of the third modulation signal 81 1 is thus only one quarter of the modulation frequency generated by the modulation frequency oscillator 804.
  • To the Outputs of the four third stage mixers 810-1 through 810-4 are then given eight sideband signals 813-1 through 813-8.
  • the local oscillator 801 would provide a local oscillator signal 800 of frequency 80 GHz.
  • the modulation signal 803 one would use a signal of the 10 GHz frequency, and the frequency of the second modulation signal 807 derived therefrom would consequently be 5 GHz. Consequently, with such a two-stage cascaded mixer arrangement, the seven boost frequencies required in FIG. 7 could be generated at 65 GHz, 70 GHz, 75 GHz, 80 GHz, 85 GHz, 90 GHz and 95 GHz.
  • the broadband frequency ramp is particularly (but not exclusively) suitable for use in the field of FMCW radar.
  • a frequency-modulated radar signal is transmitted in continuous wave mode and reflected at the respective target.
  • the reflected signal is received and evaluated by the distance sensor.
  • Such radar sensors are preferably operated at higher operating frequencies of, for example, 70 GHz to 150 GHz, and at these high frequencies, high beam bundling can be realized with ever smaller antenna dimensions. Since larger absolute bandwidths are possible at higher operating frequencies, the range resolution can also be significantly increased. Especially with radar level sensors, the use of higher operating frequencies and larger absolute bandwidths can significantly improve reliability in containers with complex installations.
  • Fig. 9 shows a block diagram of a distance sensor operating on the FMCW principle.
  • the transmission branch of the distance sensor comprises the frequency generator 300 shown in FIG. 3.
  • a frequency ramp is obtained which is composed of a plurality of highly mixed partial ramps.
  • This frequency ramp is amplified by an amplifier 900 and then a transmission gate 901 supplied.
  • the frequency-modulated radar transmission signal is emitted.
  • the frequency of the generated transmission signal 1000 is shown as a function of time. It can be seen that the frequency of the transmission signal 1000 alternately increases and decreases in a linear manner, so that the overall result is a triangular course.
  • the frequency of the transmission signal is increased linearly from the frequency f 0 to the frequency f 0 + Af 0 , wherein the variable Af 0 is referred to as frequency deviation.
  • the frequency is again linearly returned to f 0 , starting from f 0 + Af 0 .
  • the frequency of the transmission signal could also have a sawtooth-shaped frequency response.
  • the frequencies of radar transmit signals range from about 20 GHz to 150 GHz.
  • the frequency deviation Af 0 could be, for example, a few GHz.
  • the modulation period could, for example, be chosen in the range between about 0.1 msec and 5 msec. This information serves only to illustrate typical orders of magnitude, but solutions outside these ranges are also possible.
  • a portion of the radiated transmit signal is reflected back to the range finder by a target 902 located at a distance R from the range finder.
  • the reflected signal is received by the receiving sensor 903 of the distance sensor and supplied to a receiving mixer 904.
  • receive mixer 904 the receive signal is mixed with the currently transmitted transmit signal.
  • the radar signal requires a transit time ⁇ .
  • the reception signal 1001 which is offset in time by the transit time ⁇ is also shown in FIG.
  • the transmission signal 1000 generated by the signal generator continues to rise, so that the frequency of the currently emitted transmission signal is higher than the frequency of the reception signal.
  • the target frequency f.sub.Zie i results.
  • the target frequency f Zie i is also shown in FIG. This results in a direct proportionality between the target frequency f Zie
  • the mixer signal 905 generated by the receive mixer 904 in FIG. 9 therefore contains target frequency components to one or more targets from which the respective target distances can be determined.
  • the mixer signal 905 is filtered by a sampling low pass 906 which suppresses frequency components above a cut-off frequency.
  • the sampling low pass 906 limits the bandwidth of the mixer signal 905 prior to digitizing.
  • a maximum target distance R max is determined by the cutoff frequency.
  • the low-pass filtered mixer signal is sampled and digitized by an analog-to-digital converter 907.
  • the samples thus obtained are supplied to the digital signal processing unit 908 for evaluation, which determines the target frequency components contained in the mixer signal, for example by means of a Fourier transform (Fast Fourier Transform, FFT).
  • FFT Fast Fourier Transform

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Abstract

Es wird ein Frequenzgenerator zur Erzeugung einer kontinuierlich in der Frequenz ansteigenden Frequenzrampe beschrieben. Der Frequenzgenerator umfasst einen Frequenzrampengenerator, der dazu ausgelegt ist,ein Frequenzsignal zu erzeugen,das eine Abfolge von mehreren aufeinander folgenden abfallenden und ansteigenden Teilrampen umfasst,einen Hochsetzfrequenzgenerator zur Erzeugung einer Mehrzahl von unterschiedlichen Hochsetzfrequenzsignalen, sowie einen Mischer, der dazu ausgelegt ist, die Teilrampen des Frequenzsignals mit auf die jeweilige Teilrampe abgestimmten Hochsetzfrequenzsignalen hochzumischen. Bei einer abfallenden Teilrampe liefert das untere Seitenband des so erhaltenen hochgemischten Signals eine hochgemischte ansteigende Teilrampe. Bei einer ansteigenden Teilrampe liefert das obere Seitenband des so erhaltenen hochgemischten Signals eine hochgemischte ansteigende Teilrampe. Der Frequenzgenerator ist dazu ausgelegt, die so erhaltenen hochgemischten ansteigenden Teilrampen zu einer kontinuierlich in der Frequenz ansteigenden Frequenzrampe zusammenzusetzen, wobei die Hochsetzfrequenzsignale für die verschiedenen Teilrampen so gewählt sind, dass sich die hochgemischten ansteigenden Teilrampen zu der kontinuierlich in der Frequenzansteigenden Frequenzrampe ergänzen.

Description

Frequenzgenerator zur Erzeugung einer zusammengesetzten Frequenzrampe
Die Erfindung betrifft einen Frequenzgenerator zur Erzeugung einer kontinuierlich in der Frequenz ansteigenden Frequenzrampe, eine Radarmessvorrichtung für eine Messung entsprechend dem Prinzip des FMCW-Radars sowie ein Verfahren zur Erzeugung einer kontinuierlich in der Frequenz ansteigenden Frequenzrampe. Des weiteren betrifft die Erfindung einen Frequenzgenerator zur Erzeugung einer kontinuierlich in der Frequenz abfallenden Frequenzrampe sowie ein Verfahren zur Erzeugung einer kontinuierlich in der Frequenz abfallenden Frequenzrampe.
In der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Beispiele für derartige Feldgeräte sind Füllstandsmessgeräte, Massedurchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte etc., die als Sensoren die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck bzw. Temperatur erfassen.
Bei vielen Messanwendungen werden hochlineare Frequenzgeneratoren benötigt, die in der Lage sind, über einen großen Frequenzbereich hinweg ein durchstimmbares Frequenzsignal zu erzeugen. Mit Hilfe derartiger Frequenzgeneratoren lassen sich hochlineare Frequenzrampen mit hohem Frequenzhub erzeugen. Beispielsweise wird im Bereich von Radarsensoren, die entsprechend dem FMCW-Prinzip (FMCW, Frequency-Modulated Continuous Wave) arbeiten, ein hochlineares Frequenzsignal benötigt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Frequenzgenerator sowie ein Verfahren zum Erzeugen einer Frequenzrampe zur Verfügung zu stellen, der bzw. das in der Lage ist, eine hochlineare Frequenzrampe mit großer Bandbreite zu erzeugen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die in den Ansprüchen 1 , 18, 19 und 20 angegebenen Merkmale.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Frequenzgenerator entsprechend Ausführungsformen der Erfindung dient zur Erzeugung einer kontinuierlich in der Frequenz ansteigenden Frequenzrampe. Der Frequenzgenerator umfasst einen Frequenzrampengenerator, der dazu ausgelegt ist, ein Frequenzsignal zu erzeugen, das eine Abfolge von mehreren aufeinanderfolgenden abfallenden und ansteigenden Teilrampen umfasst, einen Hochsetzfrequenzgenerator zur Erzeugung einer Mehrzahl von unterschiedlichen Hochsetzfrequenzsignalen, sowie einen Mischer, der dazu ausgelegt ist, die Teilrampen des Frequenzsignals mit auf die jeweilige Teilrampe abgestimmten Hochsetzfrequenzsignalen hochzumischen. Bei einer abfallenden Teilrampe liefert das untere Seitenband des so erhaltenen hochgemischten Signals eine hochgemischte ansteigende Teilrampe. Bei einer ansteigenden Teilrampe liefert das obere Seitenband des so erhaltenen hochgemischten Signals eine hochgemischte ansteigende Teilrampe. Der Frequenzgenerator ist dazu ausgelegt, die so erhaltenen hochgemischten ansteigenden Teilrampen zu einer kontinuierlich in der Frequenz ansteigenden Frequenzrampe zusammenzusetzen, wobei die Hochsetzfrequenzsignale für die verschiedenen Teilrampen so gewählt sind, dass sich die hochgemischten ansteigenden Teilrampen zu der kontinuierlich in der Frequenz ansteigenden Frequenzrampe ergänzen.
Die kontinuierlich in der Frequenz ansteigende Frequenzrampe wird durch Zusammensetzen von mehreren hochgemischten Teilrampen erzeugt. Dadurch ist es möglich, eine kontinuierlich in der Frequenz ansteigende Frequenzrampe zu erhalten, die zum einen hochlinear ist, zum anderen aber auch einen erheblichen Frequenzhub aufweist, denn der Frequenzhub der zusammengesetzten Frequenzrampen beträgt ein Vielfaches des Frequenzhubs der Teilrampen. Die hochgemischten Teilrampen werden durch Hochmischen des Frequenzsignals erhalten, wobei das Frequenzsignal eine Abfolge von aufeinanderfolgenden abfallenden und ansteigenden Teilrampen umfasst. Dadurch, dass für jede Teilrampe des Frequenzsignals eine auf die jeweilige Teilrampe abgestimmte Hochsetzfrequenz eingesetzt wird, werden Unstetigkeiten an den Übergängen zwischen aufeinanderfolgenden hochgemischten Teilrampen vermieden. Durch das Hochmischen kann auf Frequenzvervielfacherstufen ganz oder weitgehend verzichtet werden. Dies ist von Vorteil, weil so der Phasenjitter der erzeugten Frequenzrampe gering bleibt. Man erhält eine Frequenzrampe mit hohem Frequenzhub und geringem Phasenjitter.
In der bisherigen Absätzen wurde ein Frequenzgenerator zur Erzeugung einer kontinuierlich in der Frequenz ansteigenden Frequenzrampe beschrieben. Alternativ dazu kann aber auch ein Frequenzgenerator zur Verfügung gestellt werden, der zur Erzeugung einer kontinuierlich in der Frequenz abfallenden Frequenzrampe ausgelegt ist. Als Ausgangspunkt für die Erzeugung einer kontinuierlich in der Frequenz abfallenden Frequenzrampe dient wieder ein Frequenzsignal, das eine Abfolge von mehreren aufeinanderfolgenden abfallenden und ansteigenden Teilrampen umfasst. Der Frequenzgenerator umfasst einen Mischer, der dazu ausgelegt ist, die Teilrampen des Frequenzsignals mit auf die jeweilige Teilrampe abgestimmten Hochsetzfrequenzsignalen hochzumischen. Bei einer abfallenden Teilrampe liefert das obere Seitenband des so erhaltenen hochgemischten Signals eine hochgemischte abfallende Teilrampe. Bei einer ansteigenden Teilrampe liefert das untere Seitenband des so erhaltenen hochgemischten Signals eine hochgemischte abfallende Teilrampe. Der Frequenzgenerator ist dazu ausgelegt, die so erhaltenen hochgemischten abfallenden Teilrampen zu einer kontinuierlich in der Frequenz abfallenden Frequenzrampe zusammenzusetzen, wobei die Hochsetzfrequenzsignale für die verschiedenen Teilrampen so gewählt sind, dass sich die hochgemischten abfallenden Teilrampen zu der kontinuierlich in der Frequenz abfallenden Frequenzrampe ergänzen.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Frequenzgenerator mit nachfolgender Frequenzvervielfachung;
Fig. 2 einen Frequenzgenerator mit einem nachgeordneten Frequenzumsetzer;
Fig. 3 einen Frequenzgenerator zur Erzeugung einer linearen Frequenzrampe mit hohem Frequenzhub;
Fig. 4 ein Frequenzdiagramm, welches darstellt, wie die lineare Frequenzrampe aus einer Mehrzahl von hochgemischten Teilrampen zusammengesetzt wird;
Fig. 5A ein Blockschaltbild eines Hochsetzfrequenzgenerators zur Erzeugung von vier unterschiedlichen Hochsetzfrequenzen;
Fig. 5B ein Blockschaltbild eines vereinfachten Hochsetzfrequenzgenerators;
Fig. 6 ein Frequenzdiagramm, das zeigt, dass bei geeigneter Auslegung des spannungsgesteuerten Oszillators eine verringerte Anzahl von Hochsetzfrequenzen zum Hochmischen der Teilrampen ausreichend ist;
Fig. 7 ein Frequenzdiagramm, das eine zusammengesetzte Frequenzrampe mit dem zwölffachen Frequenzhub des verwendeten spannungsgesteuerten Oszillators zeigt; Fig. 8 eine dreistufig kaskadierte Mischeranordnung, die mittels einer fortgesetzten Teilung der Modulationsfrequenz die Erzeugung einer Vielzahl von unterschiedlichen Hochsetzfrequenzen ermöglicht; Fig. 9 ein Blockschaltbild eines Radarsensors, der entsprechend dem FMCW-Prinzip arbeitet; und
Fig. 10 den zeitlichen Verlauf des Sende- und Empfangssignals. Für eine Vielzahl von Messanwendungen ist es erforderlich, hochlineare Frequenzrampen mit genau definierter Steilheit zu erzeugen. Für die Erzeugung derartiger Frequenzrampen gibt es unterschiedliche Lösungsansätze.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Schaltung werden die hohen Frequenzen mit Hilfe von Frequenzvervielfachung erzeugt. Die in Fig. 1 gezeigte Schaltung umfasst einen Frequenzgenerator 100, der z. B. einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) und eine Phasenregelschleife umfasst. Dem Frequenzgenerator 100 wird von einem Quarzoszillator 101 ein Referenzsignal mit einer Frequenz von beispielsweise 10 MHz bis 100 MHz zur Verfügung gestellt. Der Frequenzgenerator 100 erzeugt mittels des spannungsgesteuerten Oszillators und der Phasenregelschleife eine Frequenzrampe mit einer Frequenz von beispielsweise 5 bis 10 GHz. Um das Ausgangssignal des Frequenzgenerators 100 in den gewünschten Frequenzbereich heraufzusetzen, ist ein Frequenzvervielfacher 102 vorgesehen. Der Frequenzvervielfacher 102 vervielfacht die Frequenz des Ausgangssignals des Frequenzgenerators 100 um einen Faktor M, der sich beispielsweise im Bereich zwischen 2 und 20 bewegen kann. Am Ausgang des Frequenzvervielfachers 102 erhält man die gewünschte Frequenzrampe im Frequenzbereich zwischen beispielsweise 70 GHz bis 150 GHz.
Die Frequenzvervielfachung hat jedoch den Nachteil, dass Phasenstörungen der vom Frequenzgenerator 100 erzeugten Frequenzrampe durch den Frequenzvervielfacher 102 signifikant verstärkt werden, so dass die Phasenstörungen bzw. der Phasenjitter des frequenzvervielfachten Signals die Signalqualität der mittels Frequenzvervielfachung erzeugten Frequenzrampe deutlich beeinträchtigen. Dabei werden die Phasenstörungen durch den Frequenzvervielfacher 102 entsprechend dem Quadrat des Frequenzverhältnisses aus Ausgangs- und Eingangsfrequenz verstärkt. Dieser hochverstärkte Phasenjitter beeinträchtigt die Qualität der erzeugten Frequenzrampe und begrenzt insbesondere den Signal-Rausch-Abstand des erzeugten Signals.
Fig. 2 zeigt eine alternative Schaltung zur Erzeugung einer hochfrequenten Frequenzrampe, bei der anstelle der Frequenzvervielfachung eine Frequenzumsetzung durchgeführt wird. Die Schaltung umfasst einen Frequenzgenerator 200 zur Erzeugung einer Frequenzrampe, der einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO, Voltage-Controlled Oscillator) sowie eine Phasenregelschleife zur Regelung des spannungsgesteuerten Oszillators umfasst. Das Referenzsignal für die Phasenregelschleife wird durch einen Quarzoszillator 201 zur Verfügung gestellt. Zur Frequenzumsetzung ist ein Mischer 202 vorgesehen, der die vom Frequenzgenerator 200 erzeugte Frequenzrampe in einen Frequenzbereich oberhalb 70 GHz hochmischt. Hierzu wird die Frequenzrampe im Mischer 202 mit einem Lokaloszillatorsignal gemischt, das von einem festfrequenten Lokaloszillator 203 bereitgestellt wird. Bei dem Lokaloszillator 203 handelt es sich vorzugsweise um einen Lokaloszillator hoher Güte, der ein Lokaloszillatorsignal mit einer Frequenz von 10 GHz oder mehr bereitstellt.
Im Ergebnis liefert die in Fig. 2 gezeigte Schaltung eine hochgesetzte Frequenzrampe, die einen deutlich geringeren Phasenjitter aufweist als die von der Schaltung in Fig. 1 erzeugte Frequenzrampe. Der Grund dafür ist, dass sich die Rauschanteile der vom Frequenzgenerator 200 erzeugten Frequenzrampe mit den (nicht korrelierten) Phasenrauschanteilen des Lokaloszillatorsignals addieren, so dass auch die hochgesetzte Frequenzrampe keine nennenswerten Phasenstörungen aufweist. Ein Anstieg des Rauschens proportional zum Quadrat des Frequenzverhältnisses, wie es bei der in Fig. 1 gezeigten Lösung auftritt, kann so vermieden werden.
Allerdings gibt es einen weiteren wesentlichen Unterschied zwischen der Vervielfacherlösung von Fig. 1 und der Umsetzerlösung von Fig. 2. Bei der in Fig. 1 gezeigten Lösung wird der Frequenzhub des Frequenzgenerators 100 durch den Frequenzvervielfacher 102 ebenfalls vervielfacht, so dass man am Ausgang des Frequenzvervielfachers 102 eine Frequenzrampe mit einem um den Faktor M erhöhten Frequenzhub erhält. Dagegen wird bei der in Fig. 2 gezeigten Lösung der vom Frequenzgenerator 200 erzeugte Frequenzhub durch das Hochmischen im Mischer 202 unverändert erhalten. Aus diesem Grund muss der Frequenzgenerator 200 bei der in Fig. 2 gezeigten Lösung in der Lage sein, eine Frequenzrampe mit ausreichend hohem Frequenzhub zu erzeugen. Als Frequenzgenerator 200 wird daher ein sehr breitbandiger spannungsgesteuerter Oszillator von hoher Güte benötigt, der eine möglichst genaue Frequenzrampe mit ausreichend hohem Frequenzhub bereitstellt.
Zur Erzeugung einer Frequenzrampe mit ausreichend hohem Frequenzhub wird vorgeschlagen, die Frequenzrampe aus einer Mehrzahl von Teilrampen aufzubauen. Hierzu werden mittels eines spannungsgesteuerten Oszillators mehrere ansteigende und abfallende Teilrampen erzeugt, die dann mittels geeigneter Hochsetzfrequenzen in einen höheren Frequenzbereich hochgemischt und zu einer kontinuierlich ansteigenden Frequenzrampe zusammengesetzt werden.
In Fig. 3 ist ein Frequenzgenerator 300 gezeigt, der in der Lage ist, eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden ansteigenden und abfallenden Teilrampen zu erzeugen und durch geeignetes Hochmischen zu einer kontinuierlichen Frequenzrampe zusammenzusetzen. Zur Erzeugung der einzelnen ansteigenden bzw. abfallenden Teilrampen umfasst der Frequenzgenerator 300 einen Frequenzrampengenerator 301 , der aus einem Referenzoszillator 302, einer Linearisierungsstufe 303 und einem spannungsgesteuerten Oszillator 304 aufgebaut ist. Der Referenzoszillator 302 dient zur Erzeugung eines Referenzsignals von konstanter Frequenz. Dieses Referenzsignal wird der Linearisierungsstufe 303 zugeführt. Außerdem wird der Linearisierungsstufe 303 das am Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators 304 erhaltene Teilrampensignal 305 als rückgekoppeltes Signal 306 zugeführt. Ausgehend von diesen beiden Signalen erzeugt die Linearisierungsstufe 303 eine zur Erzeugung der ansteigenden bzw. abfallenden Teilrampen geeignete Steuerspannung 307, die dem spannungsgesteuerten Oszillator 304 zugeführt wird. Durch die Steuerspannung 307 wird der spannungsgesteuerte Oszillator 304 so gesteuert, dass er die gewünschten ansteigenden bzw. abfallenden Teilrampen liefert.
Vorzugsweise wird die Steuerspannung 307 von der Linearisierungsstufe 303 unter Verwendung eines Phasenregelkreises bzw. einer Phase-Locked Loop (PLL) erzeugt. Um einen gewünschten linear ansteigenden bzw. abfallenden Frequenzverlauf zu erzeugen, kann beispielsweise eine Fractional-N-PLL eingesetzt werden. Bei einer Fractional-N-PLL ist innerhalb der Linearisierungsstufe 303 ein fraktionaler Frequenzteiler vorgesehen, der das rückgekoppelte Signal 306 entsprechend einem beliebig vorgebbaren gebrochenzahligen Teilerverhältnis teilt. Das heruntergeteilte Signal wird innerhalb der Fractional-N-PLL mit dem Referenzoszillatorsignal verglichen, und die Phasenabweichung zwischen den beiden Signalen wird in die Steuerspannung 307 für den spannungsgesteuerten Oszillator 304 umgesetzt. Durch kontinuierliches Erhöhen (bzw. Verringern) des Teilerverhältnisses kann dementsprechend eine linear ansteigende (bzw. abfallende) Teilrampe erzeugt werden. Die kontinuierliche Erhöhung bzw. Verringerung des Teilerverhältnisses wird dabei von einer Steuereinheit 308 gesteuert, die der Linearisierungsstufe 303 ein entsprechendes Steuersignal 309 zuführt.
Alternativ dazu kann zur Erzeugung der Steuerspannung 307 eine PLL-DDS-Kombination eingesetzt werden, bei der der gewünschte Frequenzverlauf mittels eines DDS (Direct Digital Synthesis)-Bausteins vorgegeben wird. Dabei wird die vom Referenzoszillator 302 zur Verfügung gestellte Referenzfrequenz mittels des DDS-Bausteins in ein einstellbares Referenzsignal umgesetzt, dessen Frequenz über den Registerwert des DDS-Bausteins kontinuierlich erhöht (bzw. verringert) werden kann. Mit diesem frequenzveränderlichen Referenzsignal wird nun das rückgekoppelte Signal 306 oder ein daraus abgeleitetes Signal verglichen, und die Phasenabweichung zwischen den beiden Signalen wird in die Steuerspannung 307 umgesetzt, mit der sich eine linear ansteigende (oder abfallende) Teilrampe erzeugen lässt. Der Frequenzanstieg (bzw. Frequenzabfall) wird bei diesem Beispiel also durch Erhöhen (bzw. Verringern) des Registerwerts des DDS-Bausteins vorgegeben. Der Frequenzanstieg bzw. der Frequenzabfall wird durch die Steuereinheit 308 mittels eines geeigneten Steuersignals 309 gesteuert.
Als Referenzoszillator 302 kann beispielsweise ein Quarz-Oszillator verwendet werden, der ein Referenzsignal mit einer Frequenz im Bereich von beispielsweise 10 bis 100 MHz zur Verfügung stellt. Alternativ dazu könnte der Referenzoszillator beispielsweise mittels eines SAW (Surface Acoustic Wave)-Oszillators realisiert werden. Bei einem SAW-Oszillator wird als Resonatorstruktur eine akustische Oberflächenwelle verwendet, die sich auf der Oberfläche eines Piezokristalls ausbreitet. Eine weitere Möglichkeit wäre der Einsatz eines BAW-Oszillators, wobei BAW für "Bulk Acoustic Wave" steht. Die Funktionsweise ist mit der eines Oberflächenwellen-Oszillators (SAW-Oszillator) vergleichbar, jedoch mit dem Unterschied, dass beim BAW-Oszillator die Ausbreitung der akustischen Welle in dem Halbleitersubstrat (Bulk) erfolgt, auf dem die Schaltung untergebracht ist. Wenn als Referenzoszillator 302 ein SAW- bzw. BAW-Oszillator eingesetzt wird, liegen typische Frequenzen des Referenzsignals im Bereich von beispielsweise 1 GHz.
Am Ausgang des Frequenzrampengenerators 301 ist das Teilrampensignal 305 abgreifbar, das eine Abfolge von linear in der Frequenz ansteigenden und linear in der Frequenz abfallenden Teilrampen umfasst. In Fig. 4 ist die Frequenzverlauf 400 des Teilrampensignals 305 als Funktion der Zeit aufgetragen. Der Frequenzverlauf 400 des Teilrampensignals 305 umfasst eine erste abfallende Teilrampe 401 , eine zweite ansteigende Teilrampe 402, eine dritte abfallende Teilrampe 403 und eine vierte ansteigende Teilrampe 404. Durch die alternierende Abfolge von abfallenden Teilrampen und ansteigenden Teilrampen ergibt sich für den Frequenzverlauf 400 des Teilrampensignals 305 ein W-förmiger Frequenzverlauf. Während der abfallenden Teilrampen 401 , 403 sinkt die Frequenz linear von einem Startwert fmax auf einen Endwert fmin, und während der ansteigenden Teilrampen 402, 404 steigt die Frequenz linear von einem Startwert fmin auf einen Endwert fmax. Die Umschaltung zwischen den aufeinanderfolgenden Teilrampen erfolgt an den Umschaltzeitpunkten 405, 406, 407. Der spannungsgesteuerte Oszillator 304 in Fig. 3 muss also in der Lage sein, Frequenzrampen mit einem Frequenzhub AfhUb = fmax-fmin im Frequenzbereich zwischen fmin und fmax zu erzeugen. Die Frequenzen fmin, fmax und der Frequenzhub Afhub können sich dabei beispielsweise im Bereich von einigen Gigahertz bewegen.
Das Ziel ist nun, die einzelnen Teilrampen 401 , 402, 403, 404 des Teilrampensignals 305 jeweils unter Verwendung von unterschiedlichen Hochsetzfrequenzen in einen höheren Frequenzbereich so umzusetzen, dass sich die so erhaltenen hochgemischten Teilrampen 408, 409, 410, 411 nahtlos aneinander anschließen und sich zu einer kontinuierlich linear ansteigenden zusammengesetzten Frequenzrampe 412 ergänzen.
Dabei wird beim Hochmischen der abfallenden Teilrampen 401 , 403 jeweils das untere Seitenband des hochgemischten Signals verwendet, weil eine abfallenden Teilrampe im unteren Seitenband des Mischers mit negativen Vorzeichen erscheint und das untere Seitenband somit jeweils eine ansteigende hochgemischte Teilrampe liefert. Beim Hochmischen der ansteigenden Teilrampen 402, 404 wird dagegen jeweils das obere Seitenband des hochgemischten Signals verwendet, weil hier das obere Seitenband eine ansteigende hochgemischte Teilrampe liefert. Insgesamt erhält man durch das Zusammensetzen der vier hochgemischten Teilrampen 408, 409, 410, 411 eine zusammengesetzte Frequenzrampe 412, deren Frequenzhub das Vierfache des Frequenzhubs AfhUb der einzelnen Teilrampen 401 bis 404 beträgt.
Anhand von Fig. 3 soll im Folgenden erläutert werden, wie das Hochmischen der einzelnen Teilrampen 401 bis 404 technisch realisiert wird. Hierzu wird das Teilrampensignal 305 einem Mischer 310 zugeführt, der dazu ausgelegt ist, das Teilrampensignal 305 mit einem Hochsetzfrequenzsignal 311 zu mischen, das von einem Hochsetzfrequenzgenerator 312 erzeugt wird. Der Hochsetzfrequenzgenerator 312 ist dazu ausgelegt, zu jeder Teilrampe des Teilrampensignals 305 ein zugehöriges Hochsetzfrequenzsignal 31 1 zu erzeugen, das eine geeignete Frequenz zum Hochmischen der Teilrampe aufweist. Der Hochsetzfrequenzgenerator 312 muss also in der Lage sein, geeignete Hochsetzfrequenzsignale mit unterschiedlichen Hochsetzfrequenzen zu erzeugen. Für die unterschiedlichen Teilrampen werden Hochsetzfrequenzsignale mit unterschiedlichen Hochsetzfrequenzen benötigt.
Bei dem in Fig. 4 gezeigten Beispiel werden zum Hochmischen der vier Teilrampen 401 bis 404 die vier unterschiedlichen Hochsetzfrequenzen fup1, fup2, fu 3 und fup4 verwendet, die in Fig. 4 gestrichelt eingezeichnet sind. In diesem Fall muss der Hochsetzfrequenzgenerator 312 also in der Lage sein, wahlweise Hochsetzsignale der vier Frequenzen fup , fup2, fu 3 und fup4 zu erzeugen, wobei jeder der vier Teilrampen 401 bis 404 eine zugehörige Hochsetzfrequenz zugeordnet ist. Typische Hochsetzfrequenzen können sich beispielsweise im Bereich oberhalb von 40 GHz bewegen. Die Erzeugung des jeweiligen Hochsetzfrequenzsignals 31 1 durch den Hochsetzfrequenzgenerator 312 wird von der Steuereinheit 308 mittels eines Steuersignals 317 gesteuert. Das Steuersignal 317 steuert insbesondere die Umschaltung zwischen den verschiedenen Hochsetzfrequenzen. Bei dem in Fig. 4 gezeigten Beispiel erfolgt zum Umschaltzeitpunkt 405 eine Umschaltung von der Hochsetzfrequenz fup1 auf fup2, zum Umschaltzeitpunkt 406 wird von fup2 auf fup3 umgeschaltet, und zum Umschaltzeitpunkt 407 erfolgt eine Umschaltung auf fup4.
Im Mischer 310 wird das Teilrampensignal 305 mit dem Hochsetzfrequenzsignal 31 1 gemischt. Der Mischer 310 weist zwei Signalausgänge auf, einen ersten Ausgang für das untere Seitenbandsignal 313 und einen zweiten Ausgang für das obere Seitenbandsignal 314. Am ersten Ausgang wird das untere Seitenband des Mischsignals als unteres Seitenbandsignal 313 ausgegeben, und am zweiten Ausgang wird das obere Seitenband des Mischsignals als oberes Seitenbandsignal 314 ausgegeben. Sowohl das untere Seitenbandsignal 313 als auch das obere Seitenbandsignal 314 werden einem elektronischen Schaltelement 315 zugeführt. Durch das elektronische Schaltelement 315 kann entweder das untere Seitenbandsignal 313 oder das obere Seitenbandsignal 314 ausgewählt und zum Ausgang 318 des Frequenzgenerators 300 durchgeschaltet werden. Dabei wird die Umschaltung zwischen dem unteren Seitenbandsignal 313 und dem oberen Seitenbandsignal 314 von einem Steuersignal 316 gesteuert, das von der Steuereinheit 308 erzeugt und dem elektronischen Schaltelement 315 zugeführt wird. Das Ziel ist nun, die einzelnen Teilrampen des Teilrampensignals 305 in einen höheren Frequenzbereich hochzumischen und durch geeignete Auswahl des unteren bzw. des oberen Seitenbandsignals der hochgemischten Teilrampen dafür zu sorgen, dass aus den einzelnen hochgemischten Teilrampen eine stetige, kontinuierlich ansteigende Frequenzrampe zusammengesetzt werden kann.
Die Umschaltung zwischen dem unteren Seitenbandsignal 313 und dem oberen Seitenbandsignal 314 wird dabei so durchgeführt, dass bei einer abfallenden Teilrampe im Teilrampensignal 305 das untere Seitenbandsignal 313 zum Ausgang 318 durchgeschaltet wird, während bei einer ansteigenden Teilrampe im Teilrampensignal 305 das obere Seitenbandsignal 314 zum Ausgang 318 durchgeschaltet wird. Durch geeignetes Umschalten des elektronischen Schaltelements 315 kann also erreicht werden, dass die einzelnen hochgemischten Teilrampen sich zu einer einzigen linear ansteigenden Frequenzrampe ergänzen.
Dieses soeben beschriebene Schaltschema soll im Folgenden anhand des in Fig. 4 gezeigten Beispiels beschrieben werden. Fig. 4 zeigt den Frequenzverlauf 400 des Teilrampensignals 305. Im Frequenzverlauf 400 des Teilrampensignals 305 ist zuerst eine abfallende Teilrampe 401 zu erkennen. Während dieser abfallenden Teilrampe 401 erzeugt der Hochsetzfrequenzgenerator 312 ein Hochsetzfrequenzsignal 31 1 der Frequenz fup . Diese Frequenz fup1 ist in Fig. 4 gestrichelt eingezeichnet. Die abfallende Teilrampe 401 wird durch den Mischer 310 mittels des Hochsetzfrequenzsignals 31 1 der Frequenz fup1 in einen höheren Frequenzbereich hochgemischt. Das elektronische Schaltelement 315 wird während der ersten abfallenden Teilrampe 401 durch das Steuersignal 316 so geschaltet, dass das untere Seitenbandsignal 313 zum Ausgang 318 durchgeschaltet wird. Im unteren Seitenband des hochgemischten Signals erscheint die abfallende Teilrampe 401 mit umgekehrtem Vorzeichen, so dass das untere Seitenbandsignal 313 infolge dieser Vorzeichenumkehr eine linear mit der Zeit ansteigende hochgemischte Teilrampe 408 liefert. Die so erzeugte hochgemischte Teilrampe 408 bildet den ersten Abschnitt der zusammengesetzten Frequenzrampe 412.
Ab dem Umschaltzeitpunkt 405 liefert der spannungsgesteuerte Oszillator 304 eine ansteigende Teilrampe 402. Das Ziel ist nun, diese ansteigende Teilrampe 402 so hochzumischen, dass sich die hochgemischte Teilrampe unmittelbar an die hochgemischte Teilrampe 408 anschließt. Hierzu wird der Hochsetzfrequenzgenerator 312 zum Umschaltzeitpunkt 405 auf die zweite Hochsetzfrequenz fup2 umgestellt, die in Fig. 4 mit eingezeichnet ist. Die ansteigende Teilrampe 402 wird durch den Mischer 310 mit der Hochsetzfrequenz fup2 hochgemischt. Zum Umschaltzeitpunkt 405 wird außerdem das elektronische Schaltelement 315 so umgeschaltet, dass ab dem Umschaltzeitpunkt 405 das obere Seitenbandsignal 314 zum Ausgang 318 des Frequenzgenerators durchgeschaltet wird. Im oberen Seitenband des hochgemischten Frequenzsignals erscheint die ansteigende Teilrampe 402 ohne Vorzeichenumkehr, so dass das obere Seitenbandsignal 314 eine linear mit der Zeit ansteigende hochgemischte Teilrampe 409 liefert. Durch geeignete Festlegung der ersten Hochsetzfrequenz fup und der zweiten Hochsetzfrequenz fup2 kann erreicht werden, dass sich die zweite hochgemischte Teilrampe 409 nahtlos an die erste hochgemischte Teilrampe 408 anschließt.
Auf die ansteigende Teilrampe 402 folgt ab dem Umschaltzeitpunkt 406 eine abfallende Teilrampe 403. Ab dem Umschaltzeitpunkt 406 wird die Frequenz des vom Hochsetzfrequenzgenerator 312 gelieferten Hochsetzfrequenzsignals 31 1 von fup2 auf fup3 umgeschaltet. Diese Hochsetzfrequenz fup3 wird dann zum Hochmischen der abfallenden Teilrampe 403 verwendet. Das elektronische Schaltelement 315 wird zum Umschaltzeitpunkt 406 auf das untere Seitenbandsignal 313 umgeschaltet, so dass man am Ausgang 318 des elektronischen Schaltelements 315 das untere Seitenbandsignal 313 erhält. Infolge der Vorzeichenumkehr liefert das untere Seitenband des hochgemischten Signals eine linear mit der Zeit ansteigende hochgemischte Teilrampe 410, die sich bei geeigneter Wahl der Hochsetzfrequenz fup3 unmittelbar an die beiden bereits erzeugten hochgemischten Teilrampen 408, 409 anschließt.
Ab dem Umschaltzeitpunkt 407 liefert das Teilrampensignal 305 wieder eine ansteigende Teilrampe 404. Zum Umschaltzeitpunkt 407 wird der Hochsetzfrequenzgenerator 312 von der bisherigen Hochsetzfrequenz fup3 auf die Hochsetzfrequenz fup4 umgeschaltet, die dann zum Hochmischen der Teilrampe 404 verwendet wird. Das elektronische Schaltelement 315 wird zum Umschaltzeitpunkt 407 so umgeschaltet, dass jetzt das obere Seitenbandsignal 314 zum Ausgang 318 durchgeschaltet wird. Am Ausgang 318 erhält man daher das obere Seitenband des hochgemischten Signals, das eine linear mit der Zeit ansteigende hochgemischte Teilrampe 41 1 liefert. Wenn die Hochsetzfrequenz fup4 des Hochsetzfrequenzsignals 31 1 geeignet gewählt wird, schließt sich die hochgemischte Teilrampe 41 1 übergangslos an die bisher erzeugten hochgemischten Teilrampen 408, 409, 410 an. Man erhält auf diese Weise eine linear mit der Zeit ansteigende Frequenzrampe 412, deren Frequenzhub das Vierfache des Frequenzhubs AfhUb der einzelnen Teilrampen 401 bis 404 beträgt. Im Folgenden soll kurz dargelegt werden, welche Bedingungen die Hochsetzfrequenzen fup1, fu 2> fuP3 unc' erfüllen müssen, damit sich die hochgemischten Teilrampen 408 bis 41 1 nahtlos zu einer zusammengesetzten ansteigenden Frequenzrampe 412 ergänzen. Zur Herleitung dieser Bedingungen wird die Mittenfrequenz fRF der resultierenden Frequenzrampe 412 eingeführt. Diese Mittenfrequenz fRF der resultierenden Frequenzrampe 412 ist in Fig. 4 gestrichelt mit eingezeichnet.
Zunächst soll eine Beziehung für die erste Hochsetzfrequenz fup hergeleitet werden. Hierzu wird der rechte Endpunkt der hochgemischten Teilrampe 408 betrachtet. Wenn man von der ersten Hochsetzfrequenz fup1 ausgeht, ergibt sich die Frequenz am rechten Endpunkt zu (fupi-fmin)- Wenn man dagegen von der Mittenfrequenz fRF ausgeht, ergibt sich die Frequenz am rechten Endpunkt zu (fRF-AfhUb)- Durch Gleichsetzen dieser beiden Ausdrücke erhält man fupl = fRF+(fmin-Afhub) 0)
Auf ähnliche Weise kann man eine Beziehung für die zweite Hochsetzfrequenz fup2 herleiten, wenn man den rechten Endpunkt der darauffolgenden hochgemischten Teilrampe 409 betrachtet. Die Frequenz an diesem rechten Endpunkt lässt sich zum einen darstellen als (fuP2+fmax), zum andern ist diese Frequenz am rechten Endpunkt aber auch gleich der Mittenfrequenz fRF. Durch das Gleichsetzen der beiden Ausdrücke ergibt sich
Figure imgf000014_0001
Eine weitere Beziehung für die Hochsetzfrequenz fup3 lässt sich durch Betrachten des linken Anfangspunkts der Teilrampe 410 aufstellen. Die Frequenz am linken Anfangspunkt lässt sich zum einen darstellen als (fup3-fmax), zum andern ist die Frequenz am linken Anfangspunkt aber auch gleich der Mittenfrequenz fRF. Durch das Gleichsetzen der beiden Ausdrücke ergibt sich
Figure imgf000014_0002
Um eine entsprechende Beziehung für die vierte Hochsetzfrequenz fup4 zu erhalten, wird der linke Anfangspunkt der hochgemischten Teilrampe 41 1 betrachtet. Ausgehend von der vierten Hochsetzfrequenz fup4 lässt sich die Frequenz an diesem linken Anfangspunkt darstellen als (fup4 +fmin)- Ausgehend von der Mittenfrequenz fRF lässt sich die Frequenz am linken Anfangspunkt der Teilrampe 41 1 auch angeben als (fRF +Afhub). Durch das Gleichsetzen dieser beiden Ausdrücke ergibt sich fup4 = fRF-(fmin-Afhub) (4)
Zusammenfassend können die vier Hochsetzfrequenzen fup1 , fup2, fu 3, fu 4 daher wie folgt dargestellt werden:
Figure imgf000015_0001
fup4 = fRF-(fmin-Afhub)
Der in Fig. 3 gezeigte Hochsetzfrequenzgenerator 312 sollte daher in der Lage sein, Hochsetzfrequenzsignale mit diesen vier Hochsetzfrequenzen zu erzeugen. Wenn man zur Erzeugung dieser Hochsetzfrequenzsignale unkorrelierte Quellen verwenden würde, dann würden beim Umschalten zwischen den verschiedenen hochgemischten Teilrampen Phasen- und Frequenzsprünge auftreten. Insofern sollten die verschiedenen Hochsetzsignale zueinander kohärent sein. Dies kann dadurch erreicht werden, indem zur Erzeugung der Hochsetzfrequenzsignale möglichst wenige unkorrelierte Quellen in der Gesamtanordnung verwendet werden. Darüber hinaus wäre es auch nicht sinnvoll, die Hochsetzfrequenzsignale selbst durch einen direkten Synthesizer mit nachfolgenden Vervielfacherstufen zu erzeugen. Bei einer derartigen Lösung wären die Nachteile der Vervielfacherlösung lediglich vom spannungsgesteuerten Oszillator auf den Hochsetzfrequenzgenerator verschoben. Insofern sollte innerhalb des Hochsetzfrequenzgenerators 312 auf Vervielfacherstufen möglichst weitgehend verzichtet werden.
In Fig. 5A ist eine mögliche Ausgestaltung des Hochsetzfrequenzgenerators 312 in Form eines Blockschaltbilds gezeigt. Der Hochsetzfrequenzgenerator 312 umfasst einen monofrequenten Lokaloszillator 500, der ein Lokaloszillatorsignal 501 der Frequenz fLo erzeugt. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Lokaloszillator 500 um einen Lokaloszillator hoher Güte (beispielsweise 70 oder mehr). Die Frequenz des Lokaloszillatorsignals 501 liegt vorzugsweise oberhalb von 40 GHz, also im Radarfrequenzbereich. Das Lokaloszillatorsignal 501 wird einem Mischer 502 zugeführt. Dem Mischer 502 wird außerdem ein Modulationssignal 503 zugeführt, das von einem Modulationsfrequenzoszillator 504 erzeugt wird. Bei dem in Fig. 5A gezeigten Beispiel ist der Modulationsfrequenzoszillator 504 dazu ausgelegt, wahlweise Modulationssignale mit zwei unterschiedlichen Modulationsfrequenzen fmod1 und fm0Ci2 zu erzeugen. Der Modulationsfrequenzoszillator 504 führt dem Mischer 502 daher wahlweise ein Modulationssignal mit einer ersten Modulationsfrequenz fmod1 oder ein Modulationssignal mit einer zweiten Modulationsfrequenz fmod2 zu.
Im Mischer 502 wird das Lokaloszillatorsignal 501 mit dem vergleichsweise niederfrequenten Modulationssignal 503 gemischt. Als Ergebnis des Mischens erhält man am ersten Ausgang des Mischers 502 ein unteres Seitenbandsignal 505, das eine Frequenzkomponente (fLo- fmodi ) bzw. (f|_o-fmod2) enthält, je nachdem, welche der beiden Modulationsfrequenzen fmod1, fmod2 verwendet wird. Am zweiten Ausgang des Mischers 503 erhält man ein oberes Seitenbandsignal 506, das eine Frequenzkomponente (fi_o+fmodi ) bzw. (fLo+fmod2) enthält, je nachdem, welche der beiden Modulationsfrequenzen fmod1, fmod2 verwendet wird.
Sowohl das untere Seitenbandsignal 505 als auch das obere Seitenbandsignal 506 werden einem elektronischen Schaltelement 507 zugeführt, das wahlweise eines der beiden Signale zum Ausgang durchschaltet. Am Ausgang des elektronischen Schaltelements 507 erhält man dann das Hochsetzfrequenzsignal 31 1 , das wie in Fig. 3 gezeigt zum Hochmischen der Teilrampen verwendet wird. Der Modulationsfrequenzoszillator 504 kann mittels eines Steuersignals 508 zwischen den beiden Frequenzen fmod1 und fmod2 umgeschaltet werden. Das elektronische Schaltelement 507 wird vom Steuersignal 509 so gesteuert, dass entweder das untere Seitenbandsignal 505 oder das obere Seitenbandsignal 506 zum Ausgang durchgeschaltet werden. Auf diese Weise kann der Hochsetzfrequenzgenerator 312 wahlweise eine der vier möglichen Hochsetzfrequenzen fup1, fup2, fu 3, fu 4 am Ausgang als Hochsetzfrequenzsignal 31 1 ausgeben. Daher eignet sich der in Fig. 5A gezeigte Hochsetzfrequenzgenerator 312 beispielsweise zur Erzeugung der vier Frequenzen fup , fup2, fu 3, fu 4, die zur Erzeugung der in Fig. 4 gezeigten Frequenzrampe 412 benötigt werden. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Anzahl von unkorrelierten Signalquellen in der Gesamtanordnung möglichst gering gehalten wird. Wenn die Hochsetzfrequenzen von möglichst wenigen unkorrelierten Signalquellen abgeleitet werden, dann führt dies zu einer gewissen Kohärenz zwischen den einzelnen Hochsetzfrequenzsignalen. Dies hat zur Folge, dass an den Umschaltstellen der Frequenzrampe Phasen- bzw. Frequenzsprünge zwischen den Teilrampen deutlich verringert bzw. sogar vollständig vermieden werden können. Insofern ist es wichtig, die verwendeten Signale durch möglichst wenige unabhängige Signalquellen bzw. Oszillatoren zu erzeugen.
Es ist daher von Vorteil, wenn der Modulationsfrequenzoszillator 504 relativ zum Lokaloszillator 500 oder relativ zum Referenzoszillator 302 synchronisiert wird, beispielsweise unter Verwendung einer Phasenregelschleife (Phase-Locked Loop).
Alternativ dazu könnten die benötigten Modulationsfrequenzen fmodi , fm0d2 beispielsweise auch unmittelbar aus dem Lokaloszillatorsignal 501 oder aus dem vom Referenzgenerator
302 erzeugten Referenzsignal abgeleitet werden, beispielsweise mit Hilfe von Frequenzteilern oder Frequenzvervielfachern. Beispielsweise könnten die
Modulationsfrequenzen, die bei dem in Fig. 4 gezeigten Beispiel zur Erzeugung der vier
Hochsetzfrequenzen fup1, fup2, fu 3, fu 4 eingesetzt werden, aus der Mittenfrequenz fRF abgeleitet werden. Die zum Erzeugen der vier Hochsetzfrequenzen benötigten
Modulationsfrequenzen fmod , fmod2 entsprechen im Beispiel von Fig. 4 einem Drittel bzw.
1 1
einem Siebtel der Mittenfrequenz fRF, also fmodi =— ^RF u ncl >d 2 =— ^RF - Diese
T 3
Frequenzverhältnisse sind in Fig. 4 in etwa maßstäblich berücksichtigt.
Bei den bisher beschriebenen Lösungen waren zur Erzeugung einer Frequenzrampe mit dem vierfachen Frequenzhub einer Teilrampe jeweils vier unterschiedliche Hochsetzfrequenzen erforderlich. Eine weitere Vereinfachung ergibt sich dann, wenn im Frequenzgenerator 300 ein spannungsgesteuerter Oszillator 304 eingesetzt wird, dessen durchstimmbarer Frequenzbereich sich zumindest von einer Anfangsfrequenz fmin bis zu einer Endfrequenz fmax = 2 fmin erstreckt. Wenn der durchstimmbare Frequenzbereich sich von einer Startfrequenz fmin bis zum Doppelten der Startfrequenz erstreckt, dann umfasst der überstrichene Frequenzbereich eine komplette Oktave. Für den Frequenzhub AfhUb eines derart breitbandigen spannungsgesteuerten Oszillators ergibt sich Afhub = fmax-fmin = 2 fmin- fmin = fmin- Bei einem derartigen spannungsgesteuerten Oszillator, dessen Frequenzbereich eine komplette Oktave überstreicht, gilt also fmax = 2 fmin oder AfhUb = fmin oder AfhUb = 0,5 fmax. Wenn ein derartiger spannungsgesteuerter Oszillator 304 mit Afhu = fmin zur Erzeugung einer zusammengesetzten Frequenzrampe verwendet wird, dann ergibt sich das in Fig. 6 gezeigte Frequenzschema. In Fig. 6 ist ein Frequenzverlauf 600 des Teilrampensignals 305 eingezeichnet, der vier aufeinanderfolgende Teilrampen 601 , 602, 603, 604 umfasst. Für jede der vier Teilrampen gilt Afhu = fmin. Zur Erzeugung der zusammengesetzten Frequenzrampe 605 werden die einzelnen Teilrampen 601 bis 604 mit Hilfe der Hochsetzfrequenzen fup1 , fup2 , fup3 , fup4 hochgemischt, so dass aus den hochgemischten Teilrampen die linear mit der Zeit ansteigende Frequenzrampe 605 zusammengesetzt werden kann. Aus den oben aufgeführten Gleichungen (1 ) und (4) ergibt sich unter Berücksichtigung von
Afhub— fmin- fUp1 = fRF und fup4 = fRF (5) und daher fup1 = fup4 = fRF■ (6)
Dies bedeutet, dass man bei Verwendung eines über eine komplette Oktave hinweg durchstimmbaren spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) lediglich drei unterschiedliche Hochsetzfrequenzsignale bei den drei Frequenzen fup1 , fup2 und fup3 benötigt.
Dies hat zur Folge, dass sich der Aufbau des benötigten Hochsetzfrequenzgenerators 312 deutlich vereinfacht. In Fig. 5B ist ein derartiger vereinfachter Hochsetzfrequenzgenerator 312 gezeigt, der zur Erzeugung der drei unterschiedlichen Hochsetzfrequenzen fup1 , fup2 und fup3 ausgelegt ist. Der in Fig. 5B gezeigte vereinfachte Hochsetzfrequenzgenerator 312 umfasst wiederum einen Lokaloszillator 510, der dazu ausgelegt ist, ein Lokaloszillatorsignal
51 1 der Frequenz fLo zu erzeugen, das dem Mischer 512 zugeführt wird. Ebenso wie in Fig. 5A umfasst auch der in Fig. 5B gezeigte Hochsetzfrequenzgenerator 312 einen Modulationsfrequenzoszillator 513, der ein Modulationssignal 514 erzeugt und dem Mischer
512 zuführt. Allerdings ist der Modulationsfrequenzoszillator 513 lediglich dazu ausgelegt, ein Modulationssignal 514 bei einer einzigen Modulationsfrequenz fmod zu erzeugen. Anders als in Fig. 5A ist ein Umschalten zwischen unterschiedlichen Modulationsfrequenzen bei dem in Fig. 5B gezeigten Modulationsfrequenzgenerator 513 nicht erforderlich. Im Mischer 512 wird das Lokaloszillatorsignal 51 1 mit dem Modulationssignal 514 gemischt. Am ersten Ausgang des Mischers erhält man ein unteres Seitenbandsignal 515, das die Frequenzkomponente f|_o-fmod enthält. Am zweiten Ausgang des Mischers 512 erhält man ein oberes Seitenbandsignal 516, das eine Frequenzkomponente fi_o+fmod enthält. Die beiden Seitenbandsignale 515, 516 sowie das Lokaloszillatorsignal 51 1 selbst werden einem elektronischen Schaltelement 517 zugeführt, das durch ein Steuersignal 518 gesteuert wird. Mittels des Steuersignals 518 kann ausgewählt werden, welches der drei Signale 51 1 , 515, 516 zum Ausgang des elektronischen Schaltelements 517 durchgeschaltet wird. Auf diese Weise können wahlweise drei Hochsetzfrequenzsignale bei den Frequenzen fi_o-fmod, fi_o, fi_o+fmod zur Verfügung gestellt werden. Auf diese Weise können die drei in Fig. 6 benötigten Hochsetzfrequenzsignale fup<| , fu p2 und fup3 erzeugt werden. Das jeweils ausgewählte
Signal wird dann in Fig. 3 als Hochsetzfrequenzsignal 31 1 verwendet und dem Mischer 310 zugeführt.
In den in Fig. 4 und Fig. 6 dargestellten Beispielen werden mit Hilfe von drei bzw. vier Hochsetzfrequenzen zusammengesetzte Frequenzrampen 412 bzw. 605 mit vierfachem Frequenzhub erzeugt. Dieses Vorgehen kann noch verallgemeinert werden. Es könnte beispielsweise genauso eine abfallende zusammengesetzte Frequenzrampe erzeugt werden. In Kombination mit der in Fig. 4 bzw. Fig. 6 dargestellten ansteigenden Frequenzrampe ließe sich so aus acht Teilrampen eine dreieckförmige Wellenform erzeugen.
Das Prinzip lässt sich auch auf Systeme anwenden, die aus noch mehr Teilrampen eine Gesamtrampe erzeugen. Pro Erweiterung um eine Frequenzstufe des Hochsetzfrequenzgenerators 312 kann die gesamte Frequenzrampe um den doppelten Frequenzhub des spannungsgesteuerten Oszillators verlängert werden. Alternativ dazu könnten mehrere Abläufe nach Fig. 4 oder Fig. 6 kaskadiert werden.
Als weitere Verallgemeinerung ist in Fig. 7 die Erzeugung einer linearen Frequenzrampe 700 veranschaulicht, deren Frequenzhub das Zwölffache des Frequenzhubs Afhu des spannungsgesteuerten Oszillators 304 beträgt. Zur Erzeugung der Frequenzrampe 700 wird ein spannungsgesteuerter Oszillator verwendet, dessen durchstimmbarer Frequenzbereich eine volle Oktave überdeckt. Bei dem dargestellten Beispiel beginnt der Frequenzbereich des spannungsgesteuerten Oszillators bei fmin = 2,5 GHz und endet bei fmax = 5 GHz. Als Ausgangspunkt für die Erzeugung der Frequenzrampe 700 dient ein Teilrampensignal 701 , das zwölf aufeinanderfolgende abfallende bzw. ansteigende Teilrampen umfasst. Zu jeder der zwölf Teilrampen ist die zugehörige, zum Hochmischen der jeweiligen Teilrampe verwendete Hochsetzfrequenz in Gigahertz angegeben. Durch das Hochmischen und Zusammensetzen der Teilrampen ergibt sich die zusammengesetzte Frequenzrampe 700, die sich im dargestellten Beispiel von 65 GHz bis 95 GHz erstreckt. Die Frequenzrampe 700 überstreicht also einen Frequenzbereich von 30 GHz, was dem Zwölffachen des Frequenzhubs Afhub = 2,5 GHz des verwendeten spannungsgesteuerten Oszillators entspricht.
Insgesamt werden zum Hochmischen der Teilrampen sieben unterschiedliche Hochsetzfrequenzen benötigt, nämlich bei 65 GHz, 70 GHz, 75 GHz, 80 GHz, 85 GHz, 90 GHz und 95 GHz. Dieser Zusammenhang zwischen dem Frequenzhub der Frequenzrampe 700 und der Anzahl der verwendeten Hochsetzfrequenzen lässt sich verallgemeinern. Für N erzeugbare Hochsetzfrequenzen lässt sich der Frequenzhub auf das (N-1 )-2-fache des Frequenzhubs des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) erhöhen, wobei vorausgesetzt wird, dass sich der durchstimm bare Frequenzbereich des spannungsgesteuerten Oszillators über eine Oktave erstreckt.
Zur Erzeugung einer Frequenzrampe der in Fig. 7 gezeigten Art werden eine Vielzahl von kohärenten Hochsetzfrequenzsignalen benötigt, die mit definierten Phasen- und Frequenzbeziehungen zueinander erzeugt werden. Zur Erzeugung dieser Vielzahl von benötigten Hochsetzfrequenzen ist in Fig. 8 ein Hochsetzfrequenzgenerator dargestellt, der mittels einer kaskadierten Anordnung von Mischern realisiert ist. Als Ausgangspunkt für die Erzeugung der unterschiedlichen Hochsetzfrequenzsignale dient ein monofrequentes Lokaloszillatorsignal 800, das von einem Lokaloszillator 801 erzeugt wird. Dieses Lokaloszillatorsignal 800 wird einem Mischer 802 der ersten Stufe zugeführt. Dort wird das Lokaloszillatorsignal 800 mit einem ersten Modulationssignal 803 gemischt, das von einem Modulationsfrequenzoszillator 804 zur Verfügung gestellt wird. An den Ausgängen des Mischers 802 erhält man die beiden Seitenbandsignale 805-1 und 805-2. Diese Seitenbandsignale 805-1 , 805-2 werden den beiden Mischern 806-1 , 806-2 der zweiten Stufe zugeführt. In den Mischern 806-1 , 806-2 der zweiten Stufe werden die Seitenbandsignale 805-1 , 805-2 mit einem zweiten Modulationssignal 807 gemischt, das durch Frequenzteilung aus dem ersten Modulationssignal 803 abgeleitet wird. Hierzu ist ein Frequenzteiler 808 vorgesehen. Die Frequenz des zweiten Modulationssignals 807 beträgt also nur mehr die Hälfte der vom Modulationsfrequenzoszillator 804 erzeugten Modulationsfrequenz. An den Ausgängen der Mischer 806-1 , 806-2 der zweiten Stufe erhält man vier Seitenbandsignale 809-1 bis 809-4. Diese Seitenbandsignale 809-1 bis 809-4 werden den Mischern 810-1 bis 810-4 der dritten Stufe zugeführt und dort mit einem dritten Modulationssignal 81 1 gemischt, das wiederum durch Frequenzteilung aus dem zweiten Modulationssignal 807 abgeleitet wird. Hierzu ist ein weiterer Frequenzteiler 812 vorgesehen. Die Frequenz des dritten Modulationssignals 81 1 beträgt also nur mehr ein Viertel der vom Modulationsfrequenzoszillator 804 erzeugten Modulationsfrequenz. An den Ausgängen der vier Mischer 810-1 bis 810-4 der dritten Stufe erhält man dann acht Seitenbandsignale 813-1 bis 813-8.
Mittels des in Fig. 8 gezeigten dreistufig kaskadierten Hochsetzfrequenzgenerators können insgesamt 15 unterschiedliche Hochsetzfrequenzen erzeugt werden.
Bei dem in Fig. 7 dargestellten Beispiel sind zur Erzeugung der Frequenzrampe 700 lediglich sieben unterschiedliche Hochsetzfrequenzen erforderlich, so dass man anstelle der in Fig. 8 gezeigten drei Mischerstufen lediglich zwei Mischerstufen benötigt. Der Lokaloszillator 801 würde ein Lokaloszillatorsignal 800 der Frequenz 80 GHz liefern. Als Modulationssignal 803 würde man ein Signal der Frequenz 10 GHz verwenden, und die Frequenz des davon abgeleiteten zweiten Modulationssignals 807 würde folglich 5 GHz betragen. Mit einer derartigen zweistufig kaskadierten Mischeranordnung ließen sich folglich die sieben in Fig. 7 benötigten Hochsetzfrequenzen bei 65 GHz, 70 GHz, 75 GHz, 80 GHz, 85 GHz, 90 GHz und 95 GHz erzeugen.
Die breitbandige Frequenzrampe, deren Erzeugung oben beschrieben wurde, eignet sich insbesondere (aber nicht nur) für die Verwendung im Bereich des FMCW-Radars. Bei der Entfernungsmessung mittels Radar nach dem FMCW (Frequency-Modulated Continuous Wave)-Prinzip wird ein frequenzmoduliertes Radarsignal im Dauerstrichbetrieb ausgesendet und am jeweiligen Ziel reflektiert. Das reflektierte Signal wird vom Entfernungssensor empfangen und ausgewertet. Derartige Radarsensoren werden bevorzugt bei höheren Operationsfrequenzen von beispielsweise 70 GHz bis 150 GHz betrieben, und bei diesen hohen Frequenzen lässt sich eine hohe Strahlbündelung mit immer kleineren Antennenabmessungen realisieren. Da bei höheren Operationsfrequenzen auch größere absolute Bandbreiten möglich sind, lässt sich zudem die Entfernungsauflösung signifikant erhöhen. Insbesondere bei Radarfüllstandssensoren lässt sich durch die Verwendung von höheren Operationsfrequenzen und größeren absoluten Bandbreiten die Zuverlässigkeit in Behältern mit komplexen Einbauten erheblich verbessern.
Fig. 9 zeigt ein Blockschaltbild eines Entfernungssensors, der nach dem FMCW-Prinzip arbeitet. Der Sendezweig des Entfernungssensors umfasst den in Fig. 3 gezeigten Frequenzgenerator 300. Am Ausgang des Frequenzgenerators 300 erhält man eine Frequenzrampe, die aus mehreren hochgemischten Teilrampen zusammengesetzt ist. Diese Frequenzrampe wird durch einen Verstärker 900 verstärkt und anschließend einem Sendetor 901 zugeführt. Über das Sendetor 901 wird das frequenzmodulierte Radar-Sendesignal abgestrahlt.
In Fig. 10 ist die Frequenz des erzeugten Sendesignals 1000 als Funktion der Zeit dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Frequenz des Sendesignals 1000 abwechselnd linear ansteigt und wieder absinkt, so dass sich insgesamt ein dreiecksformiger Verlauf ergibt. Während einer ersten Modulationsperiodendauer T0 wird die Frequenz des Sendesignals linear von der Frequenz f0 auf die Frequenz f0 + Af0 erhöht, wobei die Größe Af0 als Frequenzhub bezeichnet wird. Während einer darauffolgenden zweiten Modulationsperiodendauer T0 wird die Frequenz ausgehend von f0 + Af0 wieder linear auf f0 zurückgeführt. Alternativ zu dem dreiecksförmigen Verlauf könnte die Frequenz des Sendesignals auch einen sägezahnförmigen Frequenzverlauf aufweisen.
Die Frequenzen von Radar-Sendesignalen bewegen sich beispielsweise im Bereich von etwa 20 GHz bis 150 GHz. Der Frequenzhub Af0 könnte beispielsweise einige GHz betragen. Die Modulationsperiodendauer könnte beispielsweise aus dem Bereich zwischen etwa 0,1 msec und 5 msec gewählt werden. Diese Angaben dienen lediglich zur Illustration typischer Größenordnungen, es sind allerdings auch Lösungen außerhalb dieser Bereiche möglich. Wie in Fig. 9 gezeigt ist, wird ein Teil des abgestrahlten Sendesignals durch ein im Abstand R vom Entfernungssensor befindliches Ziel 902 zum Entfernungssensor zurückreflektiert. Das reflektierte Signal wird vom Empfangstor 903 des Entfernungssensors empfangen und einem Empfangsmischer 904 zugeführt. Im Empfangsmischer 904 wird das Empfangssignal mit dem momentan ausgesendeten Sendesignal gemischt. Für den Weg vom Sendetor 901 zum Ziel 902 und zurück zum Empfangstor 903 benötigt das Radarsignal eine Laufzeit τ.
In Fig. 10 ist zusätzlich zum Sendesignal 1000 auch das um die Laufzeit τ zeitversetzte Empfangssignal 1001 eingezeichnet. Während der vom Radarsignal benötigten Laufzeit τ steigt das vom Signalgenerator erzeugte Sendesignal 1000 weiter an, so dass die Frequenz des momentan abgestrahlten Sendesignals höher ist als die Frequenz des Empfangssignals. Infolge der Laufzeit τ des Radarsignals ergibt sich daher ein für die Laufzeit τ und damit für die Zielentfernung charakteristischer Frequenzunterschied zwischen Sende- und Empfangssignal, der als Zielfrequenz fZiei bezeichnet wird. Die Zielfrequenz fZiei ist in Fig. 10 ebenfalls eingezeichnet. Dabei ergibt sich eine direkte Proportionalität zwischen der Zielfrequenz fZie|. und der zugehörigen Zielentfernung R. Das vom Empfangsmischer 904 in Fig. 9 erzeugte Mischersignal 905 enthält daher Zielfrequenzkomponenten zu einem oder mehreren Zielen, aus denen sich jeweils die zugehörigen Zielentfernungen bestimmen lassen.
Das Mischersignal 905 wird durch einen Abtasttief pass 906 gefiltert, welcher Frequenzkomponenten oberhalb einer Grenzfrequenz unterdrückt. Durch den Abtasttiefpass 906 wird die Bandbreite des Mischersignals 905 vor der Digitalisierung begrenzt. Außerdem wird durch die Grenzfrequenz eine maximale Zielentfernung Rmax festgelegt. Das tiefpassgefilterte Mischersignal wird durch einen Analog-Digital-Wandler 907 abgetastet und digitalisiert. Die so erhaltenen Abtastwerte werden der digitalen Signalverarbeitungseinheit 908 zur Auswertung zugeführt, welche die im Mischersignal enthaltenen Zielfrequenzkomponenten bestimmt, beispielsweise mittels einer Fouriertransformation (Fast Fourier Transform, FFT).

Claims

Patentansprüche
1. Frequenzgenerator (300) zur Erzeugung einer kontinuierlich in der Frequenz ansteigenden Frequenzrampe (412, 605, 700), welcher aufweist:
- einen Frequenzrampengenerator (301 ), der dazu ausgelegt ist, ein Frequenzsignal (305) zu erzeugen, das eine Abfolge von mehreren aufeinanderfolgenden abfallenden und ansteigenden Teilrampen (401-404, 601-604) umfasst,
- einen Hochsetzfrequenzgenerator (312) zur Erzeugung einer Mehrzahl von unterschiedlichen Hochsetzfrequenzsignalen (311 ),
- einen Mischer (310), der dazu ausgelegt ist, die Teilrampen (401-404, 601-604) des Frequenzsignals (305) mit auf die jeweilige Teilrampe abgestimmten Hochsetzfrequenzsignalen (311 ) hochzumischen,
wobei bei einer abfallenden Teilrampe (401 , 403, 601 , 603) das untere Seitenband des so erhaltenen hochgemischten Signals eine hochgemischte ansteigende Teilrampe (408, 410) liefert,
wobei bei einer ansteigenden Teilrampe (402, 404, 602, 604) das obere Seitenband des so erhaltenen hochgemischten Signals eine hochgemischte ansteigende Teilrampe (409, 411 ) liefert, und
- wobei der Frequenzgenerator (300) dazu ausgelegt ist, die so erhaltenen hochgemischten ansteigenden Teilrampen (408-411 ) zu einer kontinuierlich in der Frequenz ansteigenden Frequenzrampe (412, 605, 700) zusammenzusetzen, wobei die Hochsetzfrequenzsignale (311 ) für die verschiedenen Teilrampen (401-404, 601- 604) so gewählt sind, dass sich die hochgemischten ansteigenden Teilrampen (408- 411 ) zu der kontinuierlich in der Frequenz ansteigenden Frequenzrampe (412, 605, 700) ergänzen.
2. Frequenzgenerator nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch mindestens eines von folgenden:
- das Frequenzsignal weist einen w-förmigem Frequenzverlauf mit einer Abfolge von mehreren aufeinanderfolgenden abfallenden und ansteigenden Teilrampen auf;
- das Frequenzsignal umfasst eine Vielzahl von abfallenden und ansteigenden Teilrampen.
3. Frequenzgenerator nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer (310) dazu ausgelegt ist, ein unteres Seitenbandsignal (313) zu erzeugen, das das untere Seitenband des hochgemischten Signals umfasst, und ein oberes Seitenbandsignal (314) zu erzeugen, das das obere Seitenband des hochgemischten Signals umfasst.
4. Frequenzgenerator nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch mindestens eines von folgenden:
- der Frequenzgenerator (300) umfasst ein elektronisches Schaltelement (315), dem das untere Seitenbandsignal (313) und das obere Seitenbandsignal (314) des Mischers (310) zugeführt werden und das dazu ausgelegt ist, wahlweise das untere Seitenbandsignal (313) oder das obere Seitenbandsignal (314) zum Ausgang (318) durchzuschalten;
- der Frequenzgenerator (300) umfasst ein elektronisches Schaltelement (315), dem das untere Seitenbandsignal (313) und das obere Seitenbandsignal (314) des Mischers (310) zugeführt werden, wobei der Frequenzgenerator (300) das elektronische Schaltelement (315) so steuert, dass während einer abfallenden Teilrampe (401 , 403, 601 , 603) das untere Seitenbandsignal (313) und während einer ansteigenden Teilrampe (402, 404, 602, 604) das obere Seitenbandsignal (314) des Mischers (310) zum Ausgang (318) durchgeschaltet wird.
5. Frequenzgenerator nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (308), die dazu ausgelegt ist, geeignete Steuersignale für den Hochsetzfrequenzgenerator und das elektronische Schaltelement zu erzeugen, wobei die Steuersignale ausgelegt sind zur Steuerung von mindestens einem von folgenden:
- Umschaltung zwischen verschiedenen Hochsetzfrequenzen und
- Umschaltung zwischen dem unteren Seitenbandsignal und dem oberen Seitenbandsignal des Mischers.
6. Frequenzgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzrampengenerator (301 ) einen spannungsgesteuerten Oszillator (304) zur Erzeugung des Frequenzsignals aufweist.
7. Frequenzgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzrampengenerator (301 ) aufweist:
- einen spannungsgesteuerten Oszillator (304),
- einen Referenzoszillator (302) zur Erzeugung eines Referenzsignals, - eine Linearisierungsstufe (303), die dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von einem rückgekoppelten Frequenzsignal (306) und dem Referenzsignal eine Steuerspannung (307) für den spannungsgesteuerten Oszillator (304) zu erzeugen,
- wobei der spannungsgesteuerte Oszillator (304) entsprechend der Steuerspannung (307) das Frequenzsignal (305) mit einer Abfolge von mehreren aufeinanderfolgenden ansteigenden und abfallenden Teilrampen (401-404, 601-604) erzeugt.
8. Frequenzgenerator nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, gekennzeichnet durch eines von folgenden:
- der Frequenzrampengenerator umfasst einen Phasenregelkreis mit einem Fractional-
N-Frequenzteiler;
der Frequenzrampengenerator umfasst einen DDS-Baustein und einen Phasenregelkreis.
9. Frequenzgenerator nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch mindestens eines von folgenden:
- der spannungsgesteuerte Oszillator umfasst einen durchstimmbaren Frequenzbereich, der sich von einer Startfrequenz zumindest bis zur doppelten Startfrequenz erstreckt;
- die erzeugte Frequenzrampe weist einen Frequenzhub auf, der ein Vielfaches des Frequenzhubs der vom spannungsgesteuerten Oszillator gelieferten Teilrampen ist.
10. Frequenzgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch mindestens eines von folgenden:
- die unterschiedlichen Hochsetzfrequenzsignale sind zueinander kohärent;
- der Hochsetzfrequenzgenerator (312) ist dazu ausgelegt, eine Mehrzahl von zueinander kohärenten Hochsetzfrequenzsignalen zum Hochmischen der Teilrampen zu erzeugen;
- der Hochsetzfrequenzgenerator (312) ist dazu ausgelegt, die verschiedenen Hochsetzfrequenzsignale ausgehend von denselben Signalquellen zu erzeugen;
- die verschiedenen Hochsetzfrequenzsignale weisen definierte Phasen- und
Frequenzbeziehungen zueinander auf;
- die verschiedenen Hochsetzfrequenzsignale weisen definierte Phasen- und Frequenzbeziehungen zueinander auf, wobei die Phasen- und Frequenzbeziehungen zwischen den Hochsetzfrequenzsignalen so ausgebildet sind, dass an Übergangsstellen zwischen aufeinanderfolgenden hochgemischten Teilrampen im
Wesentlichen keine Phasen- und Frequenzsprünge auftreten; - die Hochsetzfrequenzsignale für die verschiedenen Teilrampen sind so gewählt, dass sich die hochgemischten ansteigenden Teilrampen kontinuierlich aneinander anschließen;
- die Hochsetzfrequenzsignale weisen eine Frequenz von mehr als 50 GHz auf;
- die Hochsetzfrequenzsignale sind dazu ausgelegt, die Teilrampen in einen
Frequenzbereich oberhalb von 50 GHz hochzumischen.
1 1 . Frequenzgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochsetzfrequenzgenerator (312) aufweist:
- einen Lokaloszillator (500, 510) zur Erzeugung eines monofrequenten
Lokaloszillatorsignals (501 , 51 1 ),
- einen Mischer (502, 512), der dazu ausgelegt ist, das Lokaloszillatorsignal (501 , 51 1 ) mit einem Modulationssignal (503, 514) zu mischen und mindestens ein Mischersignal (505, 506, 515, 516) zu erzeugen, aus dem verschiedene Hochsetzfrequenzsignale erhalten werden können.
12. Frequenzgenerator nach Anspruch 1 1 , gekennzeichnet durch mindestens eines von folgenden:
- der Lokaloszillator (500, 510) ist dazu ausgelegt, ein Lokaloszillatorsignal (501 , 51 1 ) mit einer Frequenz von mehr als 50 GHz zu erzeugen;
- der Lokaloszillator (500, 510) weist eine Güte von 70 oder mehr auf;
- der Lokaloszillator (500, 510) ist mittels einem von folgenden realisiert: dielektrischer Resonator, Hohlraumresonator, Surface Acoustic Wave (SAW)-Oszillator, Bulk Acoustic Wave (BAW)-Oszillator;
- der Frequenzgenerator ist im Sendepfad eines Radarsensors angeordnet.
13. Frequenzgenerator nach Anspruch 1 1 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochsetzfrequenzgenerator (312) einen Modulationsfrequenzoszillator (504, 513) umfasst, der dazu ausgelegt ist, mindestens ein Modulationssignal (503, 514) zu erzeugen und dem Mischer (502, 512) zuzuführen.
14. Frequenzgenerator nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch mindestens eines von folgenden:
- der Modulationsfrequenzoszillator ist zwischen zwei oder mehr Modulationsfrequenzen umschaltbar; - der Hochsetzfrequenzgenerator ist dazu ausgelegt, den Modulationsfrequenz-oszillator mit einem Referenzoszillator zu synchronisieren;
- der Hochsetzfrequenzgenerator ist dazu ausgelegt, den Modulationsfrequenz-oszillator mittels eines Phasenregelkreises mit einem Referenzoszillator zu synchronisieren;
- der Hochsetzfrequenzgenerator ist dazu ausgelegt, den Modulationsfrequenz-oszillator mit dem Lokaloszillator zu synchronisieren;
- der Hochsetzfrequenzgenerator ist dazu ausgelegt, den Modulationsfrequenz-oszillator mittels eines Phasenregelkreises mit dem Lokaloszillator zu synchronisieren.
15. Frequenzgenerator nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, gekennzeichnet durch eines von folgenden:
- der Hochsetzfrequenzoszillator ist dazu ausgelegt, das mindestens eine Modulationssignal aus dem vom Lokaloszillator erzeugten Lokaloszillatorsignal abzuleiten;
- der Hochsetzfrequenzoszillator ist dazu ausgelegt, das mindestens eine Modulationssignal mittels Frequenzteilung aus dem vom Lokaloszillator erzeugten Lokaloszillatorsignal abzuleiten;
- der Hochsetzfrequenzoszillator ist dazu ausgelegt, das mindestens eine Modulationssignal aus einem von einem Referenzoszillator erzeugten Referenzsignal abzuleiten;
- der Hochsetzfrequenzoszillator ist dazu ausgelegt, das mindestens eine Modulationssignal mittels Frequenzvervielfachung aus einem von einem Referenzoszillator erzeugten Referenzsignal abzuleiten.
16. Radarmessvorrichtung für eine Messung entsprechend dem Prinzip des FMCW-Radars, welche aufweist
- einen Radarsendepfad, der einen Frequenzgenerator (300) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 umfasst und dazu ausgelegt ist, ein Radarsendesignal zu erzeugen und auszusenden,
- einen Radarempfangspfad, der dazu ausgelegt ist, ein an mindestens einem Zielobjekt (902) zurückreflektiertes Radarsendesignal zu empfangen und auszuwerten.
17. Radarmessvorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch mindestens eines von folgenden:
- bei der Radarmessvorrichtung handelt es sich um ein Entfernungsmessgerät;
- bei der Radarmessvorrichtung handelt es sich um ein Füllstandsmessgerät; - bei der Radarmessvorrichtung handelt es sich um ein Feldgerät für die Prozessautomatisierungstechnik;
- bei der Radarmessvorrichtung handelt es sich um ein Feldgerät zur Messung des Füllstands.
18. Verfahren zur Erzeugung einer kontinuierlich in der Frequenz ansteigenden Frequenzrampe (412, 605, 700), welches aufweist:
- Erzeugen eines Frequenzsignals (305), das eine Abfolge von mehreren aufeinanderfolgenden ansteigenden und abfallenden Teilrampen (401-404, 601-604) umfasst,
- Hochmischen der Teilrampen (401-404, 601-604) des Frequenzsignals (305) mit auf die jeweiligen Teilrampen abgestimmten Hochsetzfrequenzsignalen (311 ),
- bei einer abfallenden Teilrampe (401 , 403, 601 , 603), Auswählen der im unteren Seitenband des hochgemischten Signals enthaltenen hochgemischten Teilrampe (408, 410) und bei einer ansteigenden Teilrampe (402, 404, 602, 604), Auswählen der im oberen Seitenband des hochgemischten Signals enthaltenen hochgemischten Teilrampe (409, 411 ),
- Zusammensetzen der so erhaltenen hochgemischten Teilrampen (408-411 ) zu einer kontinuierlich in der Frequenz ansteigenden Frequenzrampe (412, 605, 700), wobei die Hochsetzfrequenzsignale (311 ) so gewählt sind, dass sich die hochgemischten Teilrampen (408-411 ) zu der kontinuierlich in der Frequenz ansteigenden Frequenzrampe (412, 605, 700) ergänzen.
19. Frequenzgenerator zur Erzeugung einer kontinuierlich in der Frequenz abfallenden Frequenzrampe, welcher aufweist:
- einen Frequenzrampengenerator, der dazu ausgelegt ist, ein Frequenzsignal zu erzeugen, das eine Abfolge von mehreren aufeinanderfolgenden abfallenden und ansteigenden Teilrampen umfasst,
einen Hochsetzfrequenzgenerator zur Erzeugung einer Mehrzahl von unterschiedlichen Hochsetzfrequenzsignalen,
- einen Mischer, der dazu ausgelegt ist, die Teilrampen des Frequenzsignals mit auf die jeweilige Teilrampe abgestimmten Hochsetzfrequenzsignalen hochzumischen, wobei bei einer abfallenden Teilrampe das obere Seitenband des so erhaltenen hochgemischten Signals eine hochgemischte abfallende Teilrampe liefert,
wobei bei einer ansteigenden Teilrampe das untere Seitenband des so erhaltenen hochgemischten Signals eine hochgemischte abfallende Teilrampe liefert, und - wobei der Frequenzgenerator dazu ausgelegt ist, die so erhaltenen hochgemischten abfallenden Teilrampen zu einer kontinuierlich in der Frequenz abfallenden Frequenzrampe zusammenzusetzen, wobei die Hochsetzfrequenzsignale für die verschiedenen Teilrampen so gewählt sind, dass sich die hochgemischten abfallenden Teilrampen zu der kontinuierlich in der Frequenz abfallenden Frequenzrampe ergänzen.
20. Verfahren zur Erzeugung einer kontinuierlich in der Frequenz abfallenden Frequenzrampe, welches aufweist:
- Erzeugen eines Frequenzsignals, das eine Abfolge von mehreren aufeinanderfolgenden ansteigenden und abfallenden Teilrampen umfasst,
- Hochmischen der Teilrampen des Frequenzsignals mit auf die jeweiligen Teilrampen abgestimmten Hochsetzfrequenzsignalen,
- bei einer abfallenden Teilrampe, Auswählen der im oberen Seitenband des hochgemischten Signals enthaltenen hochgemischten Teilrampe und bei einer ansteigenden Teilrampe, Auswählen der im unteren Seitenband des hochgemischten Signals enthaltenen hochgemischten Teilrampe,
- Zusammensetzen der so erhaltenen hochgemischten Teilrampen zu einer kontinuierlich in der Frequenz abfallenden Frequenzrampe, wobei die Hochsetzfrequenzsignale so gewählt sind, dass sich die hochgemischten Teilrampen zu der kontinuierlich in der Frequenz abfallenden Frequenzrampe ergänzen.
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