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EF 2017/2018

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Design

Design Dosenantennen-Radarsystem - optimiert mit NI AWR Design Environment Bild 1: Blockschaltung und Ansicht des originalen Radarsystems mit anschlussfertigen Komponenten Im Jahre 2012 publizierte die Zeitschrift IEEE Spectrum einen Artikel unter dem Titel „Kaffeedosen-Radar: Wie baut man ein synthetisches Blenden- Bilderfassungssystem (Aperture Imaging System) mit dünnwandigen Dosen und AA-Batterien?” Genutzt wurde dabei ein Laptop/Kaffeedosen-Radarsystem, welches auf die frei online verfügbaren Kursmaterialien OpenCourseWare2 (OCW) des MIT zugeschnitten war. Einige Jahre später entschlossen sich Dr. Jim Carroll und Dr. Gent Paparisto von der AWR Group, NI, zu einem Redesign dieses Kaffee dosen-Radarsystems unter Nutzung der Schaltungs- und System-Entwurfsfähigkeiten der Software NI AWR Design Environment. Dieser Applikationsbericht beschreibt, wie das originale Kaffeedosen-Radarsystem mithilfe von NI AWR Design Environment, speziell mit der Microwave-Office-Schaltungsdesign-Software, der Systemdesign-Software Visual System Simulator (VSS) sowie den EM-Simulatoren AXIEM und Analyst neu entworfen wurde, sodass es eine höhere Leistungsfähigkeit erlangte, weniger Kosten in der Herstellung benötigte und mit einem geringeren Flächenbedarf auskam als das originale System. Das Original-OCW- Design Das ursprüngliche Kaffeedosen-Radarsystem basierte auf dem offenen ISM-Band bei 2,4 GHz, in dem auch die meisten WiFi-Systeme arbeiten, sodass entsprechende Bauteile leicht erhältlich waren. Bereits anschlussfertige Mini-Circuits- Komponenten konnten einfach und schnell zusammengefügt werden. Das Basisbandsignal von der Radarstufe wurde durch Stufen mit Teilen für einen Versuchsaufbau verstärkt und gefiltert. Ein Laptop diente dazu, das durch Herabmischung gebildete ZF-Signal abzutasten, und MATLAB wurde genutzt, um das Basisband zu bilden und zu verarbeiten. Die Design-Parameter waren 2,4 GHz Signalfrequenz mit einer kontinuierlichen (Continuous Wave, CW) 80-MHz- Bild 2: Das originale Radarsystem, implementiert in NI AWR Design Environment VSS 22 HF-Einkaufsführer 2017/2018

Design Bild 3: Das “entkoffeinierte” Radardesign in VSS (Nutzung von Surface-Mount-Bauteilen) Rampen-Form, weniger als 1W DC-Versorgungsleistung und weniger als 1 W effektiver Strahlungsleistung (Equivalent Isotropic Radiated Power, EIRP). Bild 1 zeigt den Blockaufbau des originalen Systems und eine Ansicht des Funktionsmusters dieses Radarsystems. Man kann erkennen, dass das originale Design einen spannungsgesteuerten Oszillator (Voltage Controlled Oscillator, VCO), einen dämpfenden Puffer zwischen Leistungsverstärker (Power Amplifier, PA) und VCO sowie einen 3-dB-Koppler enthält, welcher sowohl das Signal zur Sendeantenne als auch das vom anvisierten Ziel reflektierte Empfangssignal transportiert. Dem rauscharmen Verstärker (Low-Noise Amplifier, LNA) folgt ein Mischer. An dieser Stelle extrahiert der Anwender die Basisbandinformation mit dem Laptop über dessen Soundcard und nimmt dann die Informationsverarbeitung mit MAT- LAB vor. Die gesamten Materialkosten betrugen 360 US-$, wobei etwa 240 US-$ auf die HF-Bausteine entfielen. Die Kosten für die kleinen Antennensysteme wurden hauptsächlich durch Kabel HF-Einkaufsführer 2017/2018 und Steckverbinder bestimmt und betrugen 54 US-$. Die neue Herausforderung Der Neuentwurf baute auf die Simulationsfähigkeiten der Software NI AWR im Hochfrequenzbereich. Der erste Schritt bestand Bild 4: System-Budget-Vergleich in der Implementierung des originalen Entwurfs auf Basis des OCW-Materials unter Nutzung der Software VSS. Dieses System zeigt Bild 2 auf Grundlage der VSS-Radar-Library- Target-Modell-Simulation. Der nächste Schritt basierte dann essentiell auf genau der selben Topologie, allerdings unter Einführung von Surface-Mount- Bauteilen, wie in Bild 3 gezeigt. Die VSS-Simulationsblocks, sowohl in Bild 2 als auch Bild 3 zu erkennen, sind mathematische Modelle, welche die Performance der aktuellen Komponenten laut der Informationen in den entsprechenden Datenblät- 23

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