Das weltweite Verkehrsaufkommen nimmt seit Jahrzehnten stetig zu und dementsprechend ereignen sich jeden Tag unzählige Verkehrsunfälle. Viele Automobilhersteller rücken deshalb bei der Entwicklung neuer Fahrzeuggenerationen vor allem Verbesserungen im Bereich der Verkehrssicherheit in den Vordergrund. Zum Erreichen eines unfallfreien Fahrens spielen Radarsensoren eine wichtige Rolle, da ihr Hauptanliegen die Kollisionsvermeidung ist. Heutige automobile Radarsysteme verhelfen bereits zu einem komfortablen Fahren durch unterstützende Funktionen wie dem erweiterten Tempomaten ACC, der automatisch den Abstand zum voraus fahrenden Fahrzeug hält. Zukünftig sollen Radarsensoren noch weitere Funktionen bedienen. Ein besonderes Augenmerk liegt hierbei auf den Sicherheitsanwendungen wie z.B. einer automatischen Notfall-Vollbremsung. Die Anforderungen an die Sensoren sind aufgrund der Sicherheitsaspekte um einiges höher als im Komfortbereich. Die Leistungsfähigkeit derzeitiger Radarsysteme beschränkt jedoch ihre Einsatzmöglichkeit. Eines der größten Probleme in einem FMCW-Radar ist hierbei die DC-Offset-Thematik. Durch ungewolltes Übersprechen zwischen Sender und Empfänger gelangt Störleistung zum Empfangsmischer und degradiert dessen HFEigenschaften. Weiterhin entsteht bedingt durch einen Mischvorgang mit zwei frequenzgleichen Signalen eine Gleichspannung am Mischerausgang. Der als DC-Offset bezeichnete Wert beeinflusst wiederum die NF-Komponenten des Radars, insbesondere den Dynamikbereich des Analog-Digital-Umsetzers, und letztendlich die Signalauswertung. In der vorliegenden Arbeit wird ein grundlegendes Verständnis zur DC-Offset-Thematik vermittelt. Es werden die Ursachen für die Entstehung des DC-Offsets, wie das verwendete FMCW-Radarprinzip und die Verkopplung zwischen dem Sende- und dem Empfangspfad, aufgezeigt. Weiterhin wird der Einfluss der Radararchitektur beleuchtet und die Reduzierung der Störleistungen durch den Wechsel von einer monostatischen in eine bistatische Systemauslegung veranschaulicht. Nach einer detaillierten Betrachtung vorhandener Kompensationsansätze und dem Aufzeigen ihrer Schwächen, erfolgt die systematische Suche nach einer neuen Lösungsstrategie. Die Analyse der Verkopplungen in einem bistatischen Radar identifiziert die dominanten Ausbreitungswege der Störsignale für dieses System. Im Fokus steht dabei die Möglichkeit einer strukturellen Änderung der ermittelten Koppelpfade zur Erhöhung der Isolation zwischen Sender und Empfänger. Eine Beseitigung dominanter Störpfade und eine damit verbundene Verringerung der Störleistungen sind die Folge. Nach Optimierung der HF-Strukturen auf der Leiterplatte besitzen alle Störpegel die gleiche, geringe Größenordnung und führen lediglich zu einer marginalen Beeinträchtigung der Mischerfunktionalität innerhalb des bistatischen Radarsystems. Ein weiteres Hauptaugenmerk liegt auf der Darstellung des Zusammenhangs zwischen DC-Offset und der Demodulation des Transmitterrauschens ins Basisband in Abhängigkeit von der Phasenlage zwischen Störsignal und dem Referenzsignal des Mischers. Neben der Bestimmung der dominierenden Rauschart in einem FMCW-Radarsystem werden Einflussfaktoren für die Generierung von DC-Offset und Rauschen ermittelt. Als Konsequenz entsteht die Definition einer neuen Eingriffsmöglichkeit zur Reduzierung der Auswirkungen der DC-Offset-Problematik. Diese verfolgt die Beeinflussung der LO-AF-Phasenbeziehung des Empfangsmischers und ist universell einsetzbar. In einem monostatischen Radar bietet sie die Möglichkeit zur Verringerung der Degradation der HF-Eigenschaften der Mischerzelle. Hingegen kann in einem bistatischen System der DC-Offset eliminiert werden. Eine erste prototypische Untersuchung zeigt die Wirksamkeit der LO-AF-Phasenregelung. Zudem wird eine mögliche, kostengünstige Systemauslegung für die Regelung präsentiert.

    The worldwide traffic density has increased steadily for decades now, causing countless traffic accidents. As a result, improvements in the field of road safety are given high priority during the development of new vehicle generations. Radar sensors play a major role in order to achieve an accident-free driving as their primary concern is collision avoidance. In this way, automotive radars will go from only providing a comfortable driving experience through features such as adaptive cruise control (ACC) to offering a wide range of safety focused functions, such as autonomous emergency braking, with more demanding requirements than those of comfort functions. The number of possible applications, however, is limited by the performance of current radar systems. One of the major issues affecting the performance in FMCW-radars is the so-called DC-offset, caused by unwanted crosstalk between the transmitter and the receiver. This leads to interfering power being transferred to the receiving mixer, thus degrading its RF-performance and a DC-voltage is generated at the mixer output due to the mixing of two signals with identical frequencies. In turn, the DC-offset affects the low frequency components of the radar, in particular, the dynamic range of the analog-digital-converter, and the following signal processing. In this work, a fundamental understanding of the DC-offset is given. The cause for the generation of the DC-offset is demonstrated, as well as the used FMCW-radar principle and the coupling between transmit and receive paths. Furthermore, the influence of the radar architecture is shown and the interference reduction for a bistatic architecture with respect to a monostatic one is illustrated. After detailed examination of existing compensation approaches and their drawbacks, a systematic investigation of alternative solutions is also made. Hereby focus is given to changing certain coupling paths in order to increase the isolation between the transmitter and the receiver. As a result, an elimination of the dominant coupling paths in conjunction with a reduction of the interfering power is achieved. In this way, the optimization of the RF-structures on the printed circuit board leads to equally low interference levels and a marginal disturbance of the mixer functionality within a bistatic radar system. In addition, this work also focused on the relationship between DC-offset and the demodulation of transmitter noise into baseband as a function of the phase difference between the interference and reference signal of the mixer. Besides the identification of the dominant noise type in a FMCW-radar, determining factors for the generation of DC-offset and demodulated noise are identified. As a consequence, a novel approach to reduce the impact of the DC-offset problem is shown, which adjusts the LO-RF-phase relation of the receiver mixer and which can be used universally. In a monostatic radar this minimize the performance degradation of the mixer cell, whereas in a bistatic system it can even eliminate the DC-offset completely. A first prototype study shows the effectiveness of the LO-RF-phase control. Furthermore, a possible, cost-effective system design is presented.


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    Titel :

    Analyse der Sende-Empfangsverkopplung in einem homodynen, bistatischen 77GHz-Automobilradar


    Beteiligte:

    Erscheinungsdatum :

    2013


    Format / Umfang :

    123 Seiten, Bilder, Tabellen, 117 Quellen


    Medientyp :

    Hochschulschrift


    Format :

    Print


    Sprache :

    Deutsch






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