Die Untersuchungen, die in der vorliegenden Arbeit durchgeführt wurden, dienen der Weiterentwicklung aktueller 77GHz Kfz-Weitbereichsradarsensoren, die auf dem Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) Prinzip basieren. Für zukünftige aktive Fahrerassistenz- und Sicherheitssysteme soll eine Kostensenkung herbeigeführt und ähnliche Marktdurchdringungen erreicht werden wie bei den passiven Sicherheitssystemen Antiblockiersystem (ABS) und Elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP). Dafür werden für den Hochfrequenzteil der Sensoren auf Basis der 77 GHz SiGe-Technologie Einchiplösungen angestrebt. Gleichzeitig mit den zu senkenden Sensorkosten, muss für zukünftige Anwendungen die Sensorperformance erheblich gesteigert werden. Als eines der größten Probleme beim Design von monostatischen FMCW-Radaren gilt die Isolation von Sende- und Empfangspfad. Um zukünftige Fahrerassistenz- und Sicherheitssysteme realisieren zu können, muss für die Isolationsproblematik eine kostengünstige Lösung gefunden werden, die die Sensorperformance nicht negativ beeinflusst. Für Kfz-Radarsysteme der dritten Generation (LRR3) kommen unter anderem Transfermischerarchitekturen zum Einsatz, die aus einer Zusammenschaltung von Gilbert-Mischer und Ratrace-Koppler aufgebaut sind und bei idealer Betrachtung hohe Isolationen zwischen Sende- und Empfangspfad aufweisen. Durch Nichtidealitäten der Schaltungskomponenten entstehen jedoch Leakagepfade, die die Isolation erheblich reduzieren können. In dieser Arbeit wurde der Einfluss der Nichtidealitäten auf den Gleichspannungsanteil mit Hilfe von Simulationen untersucht. Dabei konnten Messungen an einem LRR3-Prototypen der Robert Bosch GmbH nachvollzogen sowie eine starke Phasenabhängigkeit des Gleichspannungsanteils von den Eingangssignalen des Mischers nachgewiesen werden. Für eine Kompensationslösung des Leakage bei der Transfermischerarchitektur wird diese Phasenabhängigkeit ausgenützt. Die in dieser Arbeit vorgestellte Lösung greift eine bereits bekannte, jedoch nicht kostengünstig zu realisierende Lösung zur Auslöschung des Leakage zwischen Sende- und Empfangspfad durch den Einsatz eines Vektormodulators in der Rückkopplung eines Regelkreises auf. Anders als bei diesem dynamischen Ansatz, kommt in dieser Arbeit ein statischer Ansatz zum Einsatz. Es wurde gezeigt, dass durch die Optimierung von ein bzw. zwei Leitungslängen der Transfermischerarchitektur eine Kompensation des Gleichspannungsanteils und der Wirkleistung am Eingang des Mischers erreicht werden kann. Die Untersuchung und Lösung der Isolationsproblematik wird allgemein an der Transfermischerarchitektur nachvollzogen und anhand eines sich aktuell in Entwicklung befindlichen Radarsensors der dritten Generation der Robert Bosch GmbH konkretisiert. Dafür wurden die Systemkomponenten des LRR3-Prototypen modelliert. Zum Einsatz kommen bevorzugt Verhaltensmodelle, um den Simulationsaufwand niedrig zu halten. Bezogen auf die Simulationszeit wird durch den Einsatz des Verhaltensmodells bei einem typischen Simulationssetup ein Zeitgewinn von ca. 120 erreicht. Der Einsatz von Verhaltensmodellen zur Beschreibung der Transfermischerarchitektur des LRR3-Prototypen ermöglichte eine statistische Untersuchung der Kompensation. Dafür wurden den Schaltungsparametern Verteilungsfunktionen zugeordnet und die statistische Verteilung der Störsignale durch Monte Carlo-Simulationen ermittelt. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Optimierung von ein bzw. zwei Leitungslängen der Transfermischerarchitektur, der Mittelwert sowie die Streuung der Störsignale erheblich reduziert werden können.

    In this thesis detailed analyses are presented contributing to the further development of current 77 GHz automotive long-range-radar sensors based on the Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) principle. In order to reduce the costs of the sensors and to achieve similar market penetrations as for the passive safety systems anti blocking system (ABS) and electronic stability programm (ESP) the RF-frontend of future driver assistance and active safety systems are to be integrated as a single chip using SiGe-technology. Simultaneously the performance of the sensors must significantly be enhanced. An important design criterion is to provide sufficient isolation between the transmitting and receiving paths of the RF-frontend. In order to provide future driver assistance and active safety systems a low-cost solution of the isolation problem must be found which avoids degradation of the sensor performance. In third generation radar sensors the transfer-mixer architecture is used which is a combination of a Gilbert-mixer and a ratrace-coupler. If the ideal transfer-mixer architecture is examined, it provides a high isolation between transmitting and receiving paths. However, non-idealities of the circuit components generate leakage-paths which can seriously degrade that isolation. In this thesis the influence of the circuit non-idealities on the DC-offset is analyzed using simulations. Measurements of a LRR3-prototype of the Robert Bosch GmbH could be understood with simulations, and a strong dependency of the DC-offset on the phase of the leakage signals could be demonstrated. This phase dependency is used for a leakage compensation of the transfer-mixer architecture. The solution proposed in this thesis builds upon an existing solution, which can not be realized referred to the low-cost aspect. In the existing solution a vector modulator is applied in the feedback of a control loop in order to cancel the leakage signals out. In contrast to this dynamic solution a static approach will be used in this thesis. It has been demonstrated that it is possible to compensate the DC-offset and the RF-power at the mixer-input by optimizing one or two transmission lines of the transfer-mixer architecture, respectively. The analysis and solution of the isolation problem will generally be comprehended and in the following concretized with the third generation radar sensor of the Robert Bosch GmbH. For this application the system components of the LRR3- prototype have been behaviorally modelled in order to keep the simulation effort on a low level. Using the behavioral model instead of a circuit model in a typical simulation setup a time related gain of about 120 can be obtained. The application of behavioral models in order to model the RF-frontend of the sensor allows for a statistic analysis of the compensation. For this analysis distribution functions were assigned to the circuit parameters and Monte-Carlo simulations were carried out. It could be demonstrated that the statistical mean and spread of the leakage signals can be considerably reduced by optimizing one or two transmission lines of the transfer mixer architecture, respectively. By optimizing two transmission lines a higher mean related gain can be obtained whereas by optimizing one transmission line a higher spread related gain can be achieved.


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    Titel :

    Modellierung und Leakage-Kompensation von 77 GHz FMCW-Weitbereichsradar-Transceivern in SiGe-Technologie für Kfz-Anwendungen


    Beteiligte:

    Erscheinungsdatum :

    2008


    Format / Umfang :

    151 Seiten, Bilder, Tabellen, 97 Quellen


    Medientyp :

    Hochschulschrift


    Format :

    Print


    Sprache :

    Deutsch




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