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EF 2017/2018

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Design Bild 5:

Design Bild 5: ZF-FMCW-Spektrum-Simulation tern repräsentieren. Das gesamte Blockdiagramm wurde auch in dem Sinne redesigned, dass die Kaffeedosen-Antennen durch Antennenelemente mit höherem Gewinn verbessert wurden. All diese Veränderungen sind mathematischer Natur, können aber innerhalb von VSS ausgeführt werden. Zusätzlich bietet die dort vorhandene Antenna Radar Library geeignete Nutzungsmöglichkeiten, sodass Funktionen wie das anzupeilende Zielmodell und die Basisbandverarbeitung vollständig ausgeführt werden konnten. All diese Fortschritte dienten der Senkung der BOM-Kosten und der Fläche für den Footprint, ohne Abstriche an der Performance machen zu müssen. Die System-Level- Analyse in VSS Der Vergleich der HF-Systeme bezüglich der Kosten und der Performance beim originalen System (blau in Bild 4) und dem überarbeiteten System (rot in Bild 4) fällt erfreulich aus. Das Original benötigt eine höhere Ausgangsleistung des VCOs, jedoch erzielt das neue Design, wie im Bereich zwischen VCO über PA und 3-dB-Koppler zur Antenne ersichtlich, eine höhere Sendeleistung infolge der besseren Bauteile, insbesondere bei der PA. Die EIRP liegt über 1 W und fällt noch ins FCC-Limit für Antennen mit hoher Richtwirkung wie die Vivaldi-Typen. Der Durchgangsverlust (Path Loss) wurde bezüglich des zu detektierenden Ziels modelliert und mit den VSS-Radar-Library- Komponenten rücküberprüft, wobei auch die Änderung der durch den Verkürzungsfaktor herbeigeführten Doppler-Shift Berücksichtigung fand, wenn das zu erfassende Ziel verändert wurde. Die empfangenen Signale kommen über die Vivaldi-Antenne auf den LNA und den Mischer. Während bei dem ursprünglichen System etwa -45 dBm ZF-Leistung entstanden, entstehen beim neuen System 20 dBm. Die HF-Budget- Berechnung und -Darstellung in Bild 4 macht deutlich, dass das neue System eine viel höhere ZF-Ausgangsleistung liefert, wodurch das Ziel einfacher zu detektieren ist als beim originalen System. Ein hilfreiches Feature in VSS ist, dass, sobald die HF-System- Blockdiagramme erstellt sind, Time- und Frequency-Domain- Simulationen erfolgen können und dass das frequenzmodu- Dieses neue Design ersetzt effektiv Mini-Circuit-Komponenten mit äquivalenten Surface-Mount-Bauteilen aus Katalogen in der Preisregion 1 bis 12 US-$. Auch für den Attenuator-Puffer und das Tiefpassfilter wurden Surface-Mount-Teile genutzt, während der 20-dB- Koppler durch Microstrip-Leitungen auf dem Board realisiert wurde. Schließlich wurden die Dosenantennen durch planare Vivaldi-Antennen ersetzt, welche zuvor mithilfe der AXIEM 3D EM Software entwickelt und mit der Analyst-Voll-3D-Finite- Element-Methode (FEM) des EM-Simulators validiert wurden. Bild 6: Time-Domain-Messergebnisse zu Zielentfernung und -geschwindigkeit, gebildet mit VSS 24 HF-Einkaufsführer 2017/2018

Design Bild 7: Das PCB Design in NI AWR Design Environment ist abgeschlossen lierte Continuous-Wave-Signal (FMCW) durch das entworfene System geschickt und dort verarbeitet werden kann. Bild 5 zeigt das Spektrum der ZF-Signale von altem und neuem System, wobei die positiven und negativen Frequenzspitzen (Peaks) infolge der Distanz und Doppler- Shift in dem FMCW-Radarsignal erkennbar sind. zum Ziel sowie dessen relative Geschwindigkeit zum Radarsystem grafisch darstellen, wie in Bild 6 gezeigt. Für beide Systeme wurde ein 1 qm großes Ziel vorgesehen, welches sich mit einer relativen Geschwindigkeit von 20 km/h über 100 m bewegte. Beide Systeme ermittelten die selbe Entfernung des Ziels mit wenigen Störungen. Die Geschwindigkeitsermittlung über die Doppler-Shift stellte die kompliziertere Messung dar. In Bild 6 variiert dieses Ergebnis bei dem neuen System (grün) um plus oder minus 4 km/h um den Mitttelwert 20 km/h bzw. -20 km/h (Wegbewegung). Mit dem Origi nalsystem (blau) ist die Genauigkeit wesentlich geringer. Hohe Abweichungen können über eine lange Zeit bestehen bleiben. Die Time-Domain- Simulation muss hier sehr lange erfolgen, bis sich das Ergebnis dem Mittelwert 20 km/h nähert. Was in dieser Darstellung am wichtigsten ist, das ist die Tatsache, dass es beim überarbeiteten System nicht notwendig ist, das Signal im Zeitbereich mehr als einmal innerhalb einer langen Zeitspanne zu mitteln, da sich dieses System im ZF-Bereich als deutlich überlegen erweist. Das PCB Design in Microwave Office und AXIEM Nachdem das Systemdiagramm fertiggestellt war, wurde das Surface-Mount-Radarsystem physikalisch in NI AWR Design Environment auf einem doppellagigen FR4-Board entworfen (Bild 7). VCO, PA und LNA wurden direkt mit den empfohlenen Layouts lt. Datenblatt ausgestattet. Der 1-dB-Attentuator, das Tiefpassfilter und der Board-Koppler wurden mit der Microwave-Office-Schaltungsdesign-Software entworfen, und AXIEM wurde genutzt, um den diskreten Koppler zu entwerfen. Die gesamten BOM-Kosten für diese 3 x 3 Zoll messende Karte lagen unter 60 US-$ und waren somit wesentlich geringer als die von 250 US-$ beim Originaldesign. Benötigt wurden: • 4 SMT-HF-Komponenten • 23 SMT-Widerstände • 39 SMT-Kondensatoren • 9 SMT-Induktivitäten • 3 SMA-Verbinder • 1 integrierter Board-Koppler Das Antennendesign in AXIEM und Analyst Bild 8 informiert näher über die neu eingesetzten Vivaldi- Planarantennen. Im Grunde gibt es hier auf der Frontseite Während die ZF aus der Simulation herausgenommen wurde, kam die Fourier-Transformation zur Anwendung, um die Verarbeitung des Signals im Frequenzbereich vorzunehmen und darzustellen. Die Orte, an denen die genannten zwei Peaks auftraten, wurden genutzt, um die Entfernung zum Ziel zu ermitteln sowie die Doppler-Verschiebung infolge Laufzeitverzögerung. Der Abstand zwischen den beiden Peaks und der Grad, wie weit sie von Null verschoben sind, bilden die Grundlage für die Informationen zu Geschwindigkeit und Abstand des Ziels. Die VSS-Signalverarbeitungsblocks lassen sich nutzen, um diese Ergebnisse zu extrahieren. Anwender erhalten dann nicht nur das Spektrum, sondern können auch die Distanz Bild 8: Grafische Informationen zu Vivaldi-Planarantennen HF-Einkaufsführer 2017/2018 25

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© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel