ISBN 978-3-8439-4098-6

978-3-8439-4098-6, Reihe Elektrotechnik

Matthias Völkel
Design und Aufbau von integrierten adaptiven Millimeterwellen-Sechstor-Systemen zur Distanzmessung

162 Seiten, Dissertation Universität Erlangen-Nürnberg (2019), Softcover, B5

Zusammenfassung / Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Design und Aufbau von integrierten adaptiven Sechstor-Systemen zur Distanzmessung. Dieses Messverfahren hat in den letzten dreißig Jahren eine rasante Entwicklung genommen. Die Sechstor-Struktur hat sich im diskreten Schaltungsbereich vor allem durch geringen Energieverbrauch, geringen Bauteilaufwand und hohe Bandbreite ausgezeichnet. Sechstor-Radarsysteme eignen sich, um relative Abstände zu messen wie es beispielsweise für Schichtdicken-, Oberflächen- oder Vibrationsmessungen nötig ist. Als Empfängerklasse der Direktumsetzer wird dabei das empfangene Hochfrequenzsignal mit der Referenzfrequenz additiv überlagert und mit Hilfe von Detektorschaltungen heruntergemischt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden vollständig integrierte, digital einstellbare Sechstor-Transceiver bei 60 GHz und 120 GHz entworfen. Im ersten Entwicklungsschritt wurden alle benötigten Komponenten konstruiert. Die Zusammensetzung zu Teilsystemen wie Transmitter und Receiver stellte die zweite bedeutende Stufe dar. Das Gesamtsystem wurde im letzten Schritt aufgebaut. Vier unterschiedliche Sechstor-Transceiver sind entstanden und erfolgreich vermessen worden. Eine monostatische und bistatische Architektur wurden realisiert. Weiterhin wurden eine kaskadierbare Variante und ein System mit integrierter On-Chip-Antenne des Sechstor-Transceivers umgesetzt. Für den Betrieb der Schaltungen ist ein portabler Signalgenerator entwickelt worden. Dieser ermöglicht es, Frequenzen von 3,5-34 GHz zu erzeugen und kann direkt per USB an jeden herkömmlichen PC angeschlossen werden. Die implementierte C++-Software erlaubt eine komfortable Bedienung. Für die Signalkonditionierung und Digitalisierung der Sechstor-Spannungen wurde ein Basisband, bestehend aus einem field-programmable-gate array (FPGA) Board und einer analog-to-digital-converter (ADC) Platine, aufgebaut. Dieses modulare System ermöglicht es bis zu acht Sechstorspannungen synchron mit 24 Bit und einer maximalen Abtastrate von 105 kSa/s abzutasten. Alle Einstellungen und die Darstellung der Daten wurden durch die zugehörige entwickelte Basisband-Software durchgeführt. Weiterhin wurde das System zum Radardemonstrator erweitert, indem ein Front-End aufgebaut wurde, das einen entwickelten Sechstor-Receiver-Chip und kommerzielle Komponenten umfasst. Dabei erreicht die Phasenmessung des Sechstores eine hohe Auflösung bei einer hohen Aktualisierungsrate.