UWB Sampling Down Converter mit Transisterschaltung zur Abtastpulsgenerierung

Diplomarbeit von Rudolf Cihal

Einleitung:

In dieser Diplomarbeit wird ein bestehendes pulsbasiertes UWB Radarsystem, das im Zuge zweier Diplomarbeiten am Institut für Mikroelektronik an der Johannes Kepler Universität entstand, weiterentwickelt. Im Besonderen wird auf die Verbesserung des Sampling Down Converters Wert gelegt, da die bisher verwendete Variante mit einem Sampling Phase Detector einfach zu teuer ist und auch bezüglich Dynamik nicht die gewünschten Ergebnisse brachte.

Im folgenden werden insbesonders zwei Schaltungsvarianten genauer betrachtet. Zum einen wird eine Ansteuerung über ein differentielles Signal ausprobiert, wobei es nötig ist einen Breitband Balun hierfür einzusetzen. Das Design dieses Bauteils gestaltete sich äußerst anspruchsvoll, da eine Funktionstüchtigkeit im Bereich von 3 – 10 GHz garantiert werden musste. Die andere Möglichkeit ist der Übergang zu einer Single Ended Variante, die das differentielle Signal nicht benötigt.

Beide Schaltungsvarianten werden eingehend analysiert und auch Messergebnisse mit der dazugehörigen Interpretation geliefert.

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 6, Sampling Down Converter (SDC)-Single Ended:

Als zweite Möglichkeit für den Aufbau eines Sampling Down Converters ist, wie bereits erwähnt, ¨über eine Single Ended Variante nachgedacht worden. Diese Variante hätte den großen Vorteil, dass der Balun, der doch einige Probleme verursacht hat, nicht mehr benötigt würde. In der Literatur wurden einige Hinweise gefunden, wie eine solche Schaltung aufzubauen ist.

Simulation:

Es wurden einige Schaltungen mittels ADS 2005a simuliert. Die einzige Schwierigkeit bei der Simulation bestand darin, dass es in ADS nicht möglich war, die Verschiebung der einzelnen Pulse untereinander, auf der das sequentielle Abtasten beruht, zu modellieren. Deshalb war eine eigene Simulation für jede Zeitverschiebung nötig, wobei am Ausgang nur der Wert nach einer bestimmten Zeitspanne notiert wurde. Da immer der Wert zur selben Zeit notiert wurde, war es möglich auf die Funktionstüchtigkeit der Schaltung rückzuschließen. Wenn z. B. die beiden Pulse (empfangener und Abtastpuls) genau ¨übereinander liegen, muss der maximale Amplitudenwert am Ausgang erreicht werden. Bei einer zeitlichen Verschiebung der beiden Puls gegeneinander sollte dieser Wert immer mehr abnehmen und schließlich ein Minimum erreichen, wenn die beiden Puls sich nicht mehr ¨Überlappen. Dieses Minimum sollte dann bei zunehmender Verschiebung auch konstant sein, auch bei Erhöhung der Amplitude beider Pulse. Die simulierte Schaltung ist in Abbildung 6.1 zu sehen. Beide Eingänge (‚in’ für den UWB-Puls und ‚strobe’ für den Abtastpuls) sind mit Termination Widerständen von 50 abgeschlossen um Reflexionen zu verhindern.

Die Schottky Diode ist beim Eingang für den Abtastpuls in Durchlassrichtung geschaltet, um beim Anliegen eines positiven Abtastpulses ein Abtasten zu ermöglichen. ¨Über einen Widerstand und einen Kondensator wird der Puls zu einem integrierenden Operationsverstärker geführt. Dieser Kondensator wird durch die UWB-Pulse geladen, aber er entlädt sich auch gleich wieder und transportiert die Ladung zu dem integrierenden Kondensator in der Feedback-Schleife. Dort werden bis zu 10 000 dieser Stichproben integriert (das entspricht einer Mittelung), um möglichst große Empfindlichkeit und eine gute Unterdrückung von unkorrelierten Signalen zu gewährleisten. Die Schottky Diode wurde nach Angaben der Homepage des Herstellers (www.metelics.com) mit drei Dioden modelliert. Die dort angegebenen Spice Parameter (siehe Anhang D) können in ADS direkt integriert und sofort simuliert werden. Die Daten des Operationsverstärkers wurden aus dem Datenblatt entnommen und ebenfalls in die Simulation integriert.

Durch das Problem mit der nicht simulierbaren zeitlichen Verschiebung der Pulse, konnte leider kein sinnvolles simuliertes Ausgangssignal erzeugt werden. Dennoch war eine Linearitätssimulation möglich, die in Abbildung 6.2 zu sehen ist.

Das Ergebnis der Linearitätssimulation ist sehr vielversprechend. Alle Messpunkte liegen auf einer linearen Kennlinie und damit ergibt sich ein Dynamikbereich von ca. 58 dB. Durch die aufwändige Simulation und das nötige händische Einstellen der Amplitude des RF-Signals wurden aber nur zehn Messpunkte aufgenommen.

Aufbau der Schaltung:

Nach der erfolgreichen Simulation wurde die Schaltung auf Duroid 6010 mit der Dicke von 1,27 mm aufgebaut. Speziell wurde darauf geachtet, dass die Hochfrequenzleitungen so kurz wie möglich ausgeführt wurden, um eine zu große Dämpfung zu vermeiden. Als zusätzliches Bauteil ist in Abbildung 6.3 noch ein Subtrahierer (für Auslegung siehe [12]) mit vier identischen Widerständen dazugekommen. Dieser soll den Gleichanteil vom Ausgangssignal subtrahieren. Dazu ist es möglich eine Gleichspannung am V-DC Eingang anzulegen, von der dann das Signal subtrahiert wird. Die Werte der einzelnen Bauteile sind Tabelle 6.1 zu entnehmen. Die aufgebaute Schaltung ist in Abbildung 6.4 zu sehen. Der eigentliche Aufbau der Schaltung stellte sich als problematisch heraus, da diese Schaltung sehr empfindlich auf Potentialfehler reagiert. Besonders das Anlöten der SMA Stecker muss sehr sorgfältig durchgeführt werden, denn das schlampige Anlöten einer Verbindung kann schon zum Nichtfunktionieren der Schaltung führen. Im Zuge ausführlicher Umbaumaßnahmen der Schaltung wurde auch der erste OPV ausgetauscht. Der erste Aufbau erfolgte mit einem OPA 2227U, der aber dann durch einen OPA 2614 ersetzt wurde (beide werden von Texas Instruments hergestellt). Beide Operationsverstärker sind Dual Operational Amplifiers, bei dem der integrierte zweite Verstärker einfach als Spannungsfolger verwendet wurde. Dies war deshalb nötig, um den Ausgang der Schaltung belastbarer zu machen. Der Einsatz von Stützkondensatoren für die Vermeidung von Oszillationen bei den Operationsverstärkern versteht sich von selbst. Auch der häufige Einsatz von Durchkontaktierungen zur Vermeidung weiterer Masseproblemen, im Speziellen im Bereich der Hochfrequenzleitungen, ist unbedingt nötig. Die Versorgung der Schaltung erfolgt, wie bisher üblich, mit ±5 V, um eine spätere angedachte Versorgung mittels USB-Kabels zu gewährleisten. Der Pulser und die Pulseransteuerung sind noch nicht auf die Platine integriert, um eine bessere Messbarkeit der Signale zu gewährleisten. Die Eingänge der Schaltung benötigen einen UWB-Puls und einen Abtastpuls, die, wie erwähnt, zueinander verschoben sein müssen.