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EF 2017/2018

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Design eine

Design eine Microstrip-Leitung, welche auf einen Schlitz auf der Rückseite koppelt. Über diesen Schlitz entsteht dann eine elektromagnetische Welle, die in eine hornähnliche Struktur geführt wird, die auf der Rückseite eingebracht wurde. Dies ist ein gebräuchlicher Antennentyp in Radarsystemen, und diese spezielle Ausführung wurde vollständig mit der AXIEM-Software entworfen. Die blaue Linie im Diagramm betrifft die Simulation, die pinkfarbene beruht auf einer Messung mit einem Vektorsignalanalysator. Die Übereinstimmung zwischen Theorie und Praxis kann als gut bezeichnet werden. Eine vollständige Musteranalyse der selben Struktur erfolgte mit Analyst, und dieses gesamte Muster wurde als VSS- Diagramm eingelesen, was dem Designer erlaubte, das Systemdiagramm mit verschiedenen präzisen Angaben für das zu erfassende Ziel zu versehen. Das Aufmacherfoto zeigt das komplette System, bestehend aus der 3 x 3 Zoll großen Testplatine, den Vivaldi-Antennen für das Senden und Empfangen, der Versuchsplatine und der dort rückseitig vorgesehenen Stromversorgung. Das gesamte System findet Platz auf der Fläche einer Hand. Die Antennen wurden so entworfen, dass sie zusammen mit einem Paar Holzstifte montiert werden konnten, ohne dass die Sendeantenne auf die Empfangsantenne koppelt. Schluss Abschließend lag ein sehr gut funktionierendes End-to-End- FMCW-Radarsystem vor, welches vollständig in NI-AWR- Design-Umgebung entwickelt wurde. Dieses gewissermaßen entkoffeinierte Design hat eine höhere Leistungsfähigkeit, lässt sich kostengünstiger herstellen und benötigt weniger Platz als das Original. NI AWR Software, insbesondere VSS, besitzt die Fähigkeit, auf einfache Weise die Performance der beiden Systeme zu vergleichen, sowohl durch HF- Link- und Time-Domain-Simulationen. Die in der Bibliothek bereits vorhandenen Radarelemente erleichterten die Einbeziehung des Zielmodells und die Basisband-Signalverarbeitung. Ein vollständiges Radar-Testboard-Layout wurde geschaffen einschließlich EM-Analyse der planaren Antennen, und das vollständige System wurde gebaut und montiert. Danach erfolgte eine Co-Simulation der Radarelemente einschließlich der Antennen, des Board- Kopplers, des Attenuators und des Tiefpassfilters sowie der Schaltungselemente, und zwar gleichzeitig. Beschreibung des Beispielprojekts: CoffeeCanRadar_SMT_ Redesign Video zum Beispielprojekt: https://youtu.be/ DB5TkXgpaW4 Quelle: OCW Coffee-Can Radar Optimized in NI AWR Design Environment übersetzt von FS Quellen [1] D. Schneider, „Coffee-can Radar: How to Build a Synthetic Aperture Imaging System with Tin Cans and AA Batteries,“ IEEE Spectrum, Nov. 1, 2012, http://spectrum.ieee.org/geeklife/hands-on/coffeecan-radar [2] G. Charvat, J. H. Williams, A. Fenn, S. Kogon, J. S. Herd, „Build a Small Radar System Capable of Sensing Range, Doppler, and Synthetic Aperture Radar Imaging,“ MIT Open- CourseWare, http://ocw.mit.edu/resources/res-ll-003-build-asmall-radar-system-capable-of-sensing-range-doppler-andsynthetic-aperture-radar-imaging-january-iap-2011/ 26 HF-Einkaufsführer 2017/2018

Design Frequenzmoduliertes Dauerstrich-Radar (FMCW Radar) Die Radartechnik ist ein komplexes Fachgebiet mit vielfältigen, teils recht unterschiedlichen Anwendungen. Zu den bekanntesten Verfahren zählen Dauerstrichradar (Continuous Wave, CW) und frequenzmoduliertes Dauerstrichradar (Frequency-Modulated Continuous Wave, FMCW). CW-Radargeräte strahlen ununterbrochen ein Signal ab und empfangen sowie verarbeiten das Echo ständig. Dabei gibt es zwei Schwierigkeiten: Entkopplung der Empfangsantenne von der Sendeantenne und richtige zeitliche Zuordnung des Echos, um die Laufzeit und somit die Entfernung des Ziels zu bestimmen. Dosenantennen, aber auch Planar antennen bieten gute Voraussetzungen für eine hohe Entkopplung. Die moderne Digitaltechnik erlaubt es, das Echo auf vielfältige Weise auszuwerten und durch Vergleich mit dem Sendesignal nicht nur Schlüsse auf die Entfernung zu ziehen, sondern auch auf eine eventuelle Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit des Ziel sowie auf dessen Größe und Beschaffenheit. So ist eine Veränderung im Frequenzspektrums ein sichereres Merkmal für bestimmte Eigenschaften des Zielobjekts. Einfache Dauerstrichradargeräte haben den Nachteil des fehlenden Zeitbezugs, daher müssen zur Entfernungsmessung definierte Einund Ausschaltungen erfolgen, was auf ein gepulstes Signal hinausläuft. Im Gegensatz zum einfachen Dauerstrichradar ändert ein FMCW-Radar seine Arbeitsfrequenz während der Messung; das Sendesignal ist frequenzmoduliert. Dies ermöglicht die einfache Entfernungsbestimmung und zusätzliche Messmöglichkeiten bei der Laufzeit. Der Zeitbezug zur Messung der Entfernung unbewegter Objekte beruht auf der Frequenzänderung des Echos, aus dem eine HF-Einkaufsführer 2017/2018 Bei der sägezahnförmigen linearen Frequenzänderung wird durch die Laufzeit das Echosignal zeitlich (im Bild also nach rechts) verschoben. Dadurch ergibt sich ein Frequenzunterschied zwischen aktueller Sendefrequenz und verzögertem Echo, welcher der Entfernung des Ziels entspricht. Eine Dopplerfrequenz verschiebt das gesamte Echosignal in der Frequenz nach oben (Bewegung in Richtung Radar) oder unten (Bewegung vom Radar weg). Da keine Möglichkeit besteht, beide Frequenzen zu trennen, wirkt die Dopplerfrequenz als Messfehler (Quelle: radartutorial.eu) Laufzeitverschiebung wie bei einem Pulsradar abgeleitet werden kann. Die Kennzeichen eines FMCW- Radars sind: • Entfernungsmessung durch Frequenzvergleich des empfangenen Signals mit einer Referenz (meist Sendesignal) • Dauer der Modulationsperiode ist wesentlich größer als die benötigte Zeit (Laufzeit) für den vorgesehenen Entfernungsmessbereich • einfache Entfernungsberechnung (halbe Lichtgeschwindigkeit x gemessene Frequenzdifferenz / Frequenzhub pro Zeiteinheit) Ist die Frequenzänderung weitläufig linear, so kann innerhalb dieses linearen Bereichs bereits durch einen einfachen Frequenzvergleich die Entfernung ermittelt werden. Wenn sich das angepeilte Objekt bezüglich des Radargeräts bewegt, so weist das Echo zusätzlich zur Frequenzdifferenz eine Dopplerfrequenz auf: • Differenzfrequenz: Träger der Entfernungsinformation • Dopplerfrequenz: Träger der Geschwindigkeitsinformation Das Radar misst dann je nach Bewegungsrichtung und Richtung der linearen Modulation nur die Summe oder die Differenz zwischen diesen Frequenzen. Wenn sich das reflektierende Objekt vom Radargerät weg bewegt, dann verringert sich die Frequenz des Echosignals durch die Dopplerfrequenz. Wenn das Ziel sich auf das Radargerät zu bewegt, dann vergrößert sich die Frequenz des Echos infolge der Dopplerfrequenz. Wenn die Messung mit einem Sägezahnsignal gemäß Bild erfolgt, dann ist das Empfangssignal nicht nur durch die Laufzeit nach rechts, sondern auch durch die Doppler frequenz nach unten verschoben. Die gemessene Differenzfrequenz Δf ist um die Dopplerfrequenz fD größer als es gemäß der Laufzeit sein müsste. Der gewählte Frequenzhub pro Zeiteinheit und die Steilheit des linearen Anstiegs bestimmen das Auflösungsvermögen und somit und die Genauigkeit der Entfernungsmessung. Die Dauer des linearen Frequenzanstiegs bestimmt die maximal mögliche eindeutige Messentfernung. Bereits bei 1 ms sind jedoch theoretisch 150 km möglich (halbe Zeit x Lichtgeschwindigkeit). „Wenn der maximale Frequenzhub bei der Sendermodulation 250 MHz beträgt, ergibt das bei diesem Frequenzanstieg 4 ns Laufzeitdifferenz für 1 kHz Frequenzdifferenz. Das entspricht dann einer Entfernungsauflösung von 0,6 m. Dieses Beispiel zeigt eindrucksvoll den Vorteil des FMCW-Radars: Ein Impulsradar muss diese 4 ns Laufzeitunterschied messen, was einen erheblichen technischen Aufwand bedeutet. Ein Frequenzunterschied von 1 kHz ist dagegen im Audiobereich wesentlich einfacher zu messen.“ (Quelle: radartutorial.eu) Beim FMCW-Radar sind mehrere Modulationsmuster möglich, die zu unterschiedlichen Messzwecken eingesetzt werden können: • Sägezahn bei relativ großem Messbereich und vernachlässigbarem Einfluss einer Dopplerfrequenz • Dreieck zwecks einfacher Trennung der Differenzfrequenz von der Dopplerfrequenz • Frequenzumtastung (Frequency Shift Keying, FSK) zur sehr genauen Entfernungsmessung im Nahbereich • Sinus für einfache Lösungen ◄ 27

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