Beschreibung
In den vergangenen beiden Jahrzehnten haben satellitengestützte Ortungssysteme eine weite Verbreitung im privaten wie industriellen Bereich gefunden. Einige der zahlreichen Anwendungen liegen in der Warenlogistik, Fahrzeugnavigation, Luft- und Schifffahrt. Für einen zuverlässigen Betrieb sind Satellitennavigationssysteme allerdings auf eine direkte Sichtverbindung zu den Satelliten angewiesen. Hohe Hindernisse, wie beispielsweise Häuserschluchten oder gestapelte Container, können sich negativ auf die Ortungsgenauigkeit auswirken. Eine Ortung im Innenraum ist durch die starke Signaldämpfung nahezu ausgeschlossen. Diese Bereiche können mit einem Nahbereichsortungssystem (LPS, engl.: local positioning system) erschlossen werden.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit einem LPS, das auf einem frequenzmodulierten Dauerstrichradar (FMCW-Radar, engl.: frequency modulated continuous wave radar) basiert. Es soll eine Genauigkeit im Zentimeterbereich bieten und zusätzlich die Messung des Einfallwinkels ermöglichen. Außerdem soll es über einen Betriebsmodus für hohe Reichweite und einen für hohe Robustheit gegenüber Mehrwegeausbreitung verfügen. Hierzu kann das FMCW-Radar in zwei Frequenzbereichen betrieben werden: dem 5,8 GHz-ISM-Band und dem lizenzfreien Ultrabreitband-Bereich (UWB, engl.: ultra wide band) 6,0 – 8,5 GHz. Für die Einfallswinkelmessung ist das HF-Frontend vierkanalig ausgeführt.
Ziel dieser Arbeit ist es, einen möglichst großen Teil der FMCW-Radarkomponenten in einen einzelnen Chip in einer 350 nm SiGe:C Bipolar-Technologie zu integrieren. Der Fokus liegt dabei auf dem Frequenzsynthesizer für linear modulierte Frequenzrampen. Dieser ist als Phasenregelschleife mit variablem Teilerverhältnis ausgeführt und muss sowohl breitbandige, als auch möglichst lineare Frequenzrampen mit einer Frequenzauflösung im Hz-Bereich erzeugen, um eine hohe Robustheit gegenüber Mehrwegeausbreitung und Messgenauigkeit zu ermöglichen. Hierdurch werden insbesondere an den spannungsgesteuerten Oszillator (VCO, engl.: voltage controlled oscillator) hohe Anforderungen in Bezug auf Abstimmbereich und -linearität gestellt.
Um die vorgenannten Anforderungen zu erfüllen, wird im Rahmen dieser Arbeit ein neuartiger VCO mit Abstimmlinearisierung vorgestellt und messtechnisch charakterisiert. Dieser erreicht einen kontinuierlichen, relativen Abstimmbereich von 69,0 %; in einem relativen Abstimmbereich von 34,5 % beträgt die Variation der Abstimmsensitivität KVCO nur ±20 %. Zur Analyse der Linearität der generierten FMCW-Rampen wird eine auf der Kurzzeit-Fourier-Transformation (STFT, engl.: short-time Fourier transform) basierende Methode zur Messung der Nichtlinearität vorgestellt. Diese hat gegenüber den in der Literatur häufig verwendeten phasenbasierten Methoden den Vorteil, dass sie wesentlich robuster gegenüber den Rauschanteilen des gemessenen Signals ist. Der Frequenzsynthesizer erzeugt FMCW-Rampen mit hoher Linearität. Bei einer Sweep-Bandbreite von 2 GHz beträgt die maximale Abweichung vom Mittelwert weniger als 1,1 kHz.
Abschließend wird der entworfene Radarchip in ein Demonstratorsystem eingesetzt. In der eindimensionalen Distanzmessung erreicht das System eine Standardabweichung von nur 2,7 cm in einer Umgebung mit starker Mehrwegeausbreitung. Bei der Einfallswinkelmessung bewegt sich der Messfehler zwischen -3° und 2°. Das in dieser Arbeit untersuchte LPS ist damit für eine Vielzahl von Anwendungen hervorragend geeignet.
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