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Autor
Rudolf Cihal
UWB Sampling Down Converter mit Transisterschaltung zur Abtastpulsgenerierung
ISBN: 978-3-8366-2558-6
Herstellung: Diplomica® Verlag GmbH, Hamburg, 2009
Zugl. Johannes Kepler Universität Linz, Linz, Österreich, Diplomarbeit, 2006
Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte,
insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von
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verbliebene fehlerhafte Angaben und deren Folgen.
© Diplomica Verlag GmbH
http://www.diplomica.de, Hamburg 2009
Danksagung
II
Danksagung
Bedanken m¨
ochte ich mich zuerst bei den Leuten, die mir diese Ausbildung erm¨
oglicht
haben. Das sind nat¨
urlich vor allem mein Vater Rudolf und meine Mutter Christine,
die besonders in j¨
ungeren Jahren schon daf¨
ur gesorgt haben, dass ich jetzt meine Aus-
bildung mit einem Hochschulabschluss beenden konnte. Auch w¨
are es mir ohne ihre
finanzielle Unterst¨
utzung nicht m¨
oglich gewesen, das Studium so rasch zu beenden.
Aber auch meine Großeltern Alfred und Hildegard m¨
ochte ich erw¨
ahnen, die mich vor
allem kulinarisch immer bestens betreut haben. Besonders gedenke ich hier meiner ver-
storbenen Großeltern Rudolf und Katharina. Zuletzt m¨
ochte ich auch die große Geduld
meiner Freundin Elisabeth hervorheben, die immer hinter mir stand, auch wenn ich vor
lauter Lernen f¨
ur Pr¨
ufungen manchmal wenig Zeit f¨
ur sie hatte.
Auf fachlicher Seite gilt mein besonderer Dank nat¨
urlich meinem Ansprechpartner am
Institut f¨
ur Mikroelektronik Herrn DI Alexander Reisenzahn, der mir immer wieder
mit rettenden Vorschl¨
agen und Tipps zu Hilfe kam und an den ich mich immer wenden
konnte. Generell m¨
ochte ich mich beim gesamten Institut f¨
ur das nette und angenehme
Klima bedanken, das daf¨
ur gesorgt hat, dass ich mich beim Anfertigen der Diplomarbeit
am Institut sehr wohl gef¨
uhlt habe. Herrn Bernhard Mayrhofer gilt ebenfalls besonderer
Dank f¨
ur das prompte ¨
Atzen so mancher Platine und bei der L¨
othilfe f¨
ur besonders
knifflige Angelegenheiten.
Kurzfassung
III
Kurzfassung
In dieser Diplomarbeit wird ein bestehendes pulsbasiertes UWB Radarsystem, das im
Zuge zweier Diplomarbeiten am Institut f¨
ur Mikroelektronik an der Johannes Kepler
Universit¨
at 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 bez¨
uglich Dynamik nicht die
gew¨
unschten Ergebnisse brachte.
Im folgenden werden insbesonders zwei Schaltungsvarianten genauer betrachtet. Zum
einen wird eine Ansteuerung ¨
uber ein differentielles Signal ausprobiert, wobei es n¨
otig
ist einen Breitband Balun hierf¨
ur einzusetzen. Das Design dieses Bauteils gestaltete
sich ¨
außerst anspruchsvoll, da eine Funktionst¨
uchtigkeit im Bereich von 3 10 GHz
garantiert werden musste. Die andere M¨
oglichkeit ist der ¨
Ubergang zu einer Single
Ended Variante, die das differentielle Signal nicht ben¨
otigt.
Beide Schaltungsvarianten werden eingehend analysiert und auch Messergebnisse mit
der dazugeh¨
origen Interpretation geliefert.
Abstract
IV
Abstract
The aim of this master thesis is to improve a pulse-based UWB radar system that was
developed in the course of two previous master thesises at the institute of microelec-
tronics at the Johannes Kepler university in Linz. Particularly the poor performance
in the area of dynamic range and the high cost of the present system are an important
part of the improvement of the present system.
In this thesis a new version of the sampling down converter is developed. The former
SDC used a sampling phase detector for down-converting signals which is a very expen-
sive part. There are two approaches to avoid the SPD. On the one hand a differential
SDC which requires a broadband balun to split up the differential signal, could be an
alternative. On the other hand there is a single ended version that should be easier to
be built because it doesn't require the balun.
Both types of SDC will be discussed in this thesis and the results of measurements will
be analyzed accordingly.
Inhaltsverzeichnis
V
Inhaltsverzeichnis
1
Einleitung
1
1.1
Grundlagen UWB
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.2
Definition von UWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.3
Bisherige Arbeiten am Institut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.3.1
Pulser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.3.2
Prototyp des UWB-Radars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
1.4
Aufgabenstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2
Leitungen
8
2.1
Wellenwiderstand, Reflexionsfaktor, Anpassung . . . . . . . . . . . . . .
8
2.1.1
Wellenwiderstand Z
0
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.1.2
Reflexionsfaktor r
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
2.1.3
Anpassung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
2.2
Stripline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
2.3
Microstrip Leitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
2.4
Koplanarleitung (CPW, GCPW) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
2.5
Schlitzleitung (Slotline)
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
3
Verwendete Bauteile
15
3.1
HF-Transistor (HBT - heterostructure bipolar transistor)
. . . . . . . .
15
3.2
Schottky Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
4
Balun
18
4.1
Simulation von Baluns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
4.2
Praktischer Aufbau eines Baluns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
4.3
Messung verschiedener Baluns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
4.4
Multilayer Chip Balun CHM1608U . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
5
Sampling Down Converter (SDC) mit Balun
29
5.1
Prinzip des Sampling Down Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
5.2
Sampling Theorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
5.3
Bisherige L¨
osung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
5.4
Der erste Prototyp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
5.4.1
Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
Inhaltsverzeichnis
VI
5.4.2
Dynamik
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
5.5
Verbesserte Variante des SDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
5.6
Neuaufbau des SDC mit verschiedener Diodenbest¨
uckung . . . . . . . .
40
5.6.1
Dynamik
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
5.7
SDC mit Balun CHM1608U . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
5.7.1
Dynamik
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
5.7.2
Conversion Loss
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
6
Sampling Down Converter (SDC)- Single Ended
50
6.1
Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
6.2
Aufbau der Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
6.3
Dynamik
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
7
Varianten zur Ansteuerung des SDC
56
7.1
Ansteuerung mittels DDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
7.2
Ansteuerung mittels Rampen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
57
8
Zusammenfassung
59
Literaturverzeichnis
60
A Verwendete Ger¨
ate
62
B Schaltpl¨
ane und Layouts
63
B.1 Pulser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
63
B.2 Balun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
64
B.2.1
Selbstkonstruierte Baluns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
64
B.2.2
Testplatine f¨
ur gekaufte Baluns . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
64
B.3 Erster Prototyp des SDC
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
65
B.4 Verbesserte Variante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
B.5 Balun mit CHM1608 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
69
C Matlab Befehle
70
C.1 Zeichnen von Diagrammen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
C.2 Dynamik
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
D Spice Parameter der Dioden
71
E Lebenslauf
73
Abk¨
urzungsverzeichnis
VII
Abk¨
urzungsverzeichnis
AD analog digital
ADS Advanced Design System (Simulationssoftware)
BJT bipolar junction transistor
CPW coplanar waveguide (Koplanarleitung)
DDS direct digital synthesizer
EIRP Equivalent Isotropically Radiated Power
FCC Federal Communications Commission
GCPW grounded coplanar waveguide (Koplanarleitung mit Massefl¨
ache)
HBT heterostructure bipolar transistor
ISM Industrial, Scientific, Medical
OPV Operationsverst¨
arker
RF radio frequency
SDC Sampling Down Converter
SE single ended
SPD Sampling Phase Detector
SRD Step Recovery Diode
TEM Mode transversalelektromagnetischer Mode (transverse electromagnetic mode)
TE-TM Mode transversalelektrischer - transversalmagnetischer Mode (transverse elec-
tric - transverse magnetic mode)
TTL Transistor-Transistor-Logik
UWB Ultra Wide Band
Abbildungsverzeichnis
VIII
Abbildungsverzeichnis
1.1
Frequenzmaske f¨
ur UWB Indoor Signale . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1.2
Grundschema des Pulsers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.3
Puls am Pulserausgang nach Differentiation . . . . . . . . . . . . . . . .
4
1.4
Neuaufbau des Pulsers mit Stubverl¨
angerung und neuem HF-Transistor
4
1.5
Aufbau des entwickelten Prototyps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
1.6
Eingangs- und Ausgangssignal des Prototyps
. . . . . . . . . . . . . . .
6
2.1
Modell eines Leitungsst¨
ucks x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
2.2
verschiedene Leitungsabschl¨
usse im ¨
Uberblick . . . . . . . . . . . . . . .
11
2.3
Stripline mit Feldlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
2.4
Microstrip Leitung mit Feldverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
2.5
Koplanarleitung mit Massefl¨
ache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
3.1
Querschnitt durch einen HBT Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
3.2
Aufbau einer Schottky Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
3.3
Aufnahme einer MSS40-248B20 unter dem Mikroskop . . . . . . . . . .
17
4.1
Balun mit zu großem Platzverbrauch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
4.2
simulierte Balun Variante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
4.3
Ergebnis der s-Parameter Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
4.4
Designvorschlag f¨
ur einen Balun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
4.5
Ergebnis der Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
4.6
verschiedene getestete Baluns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
4.7
Ausgangskurvenform des Baluns 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
4.8
Testplatine f¨
ur Baluns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
4.9
ETC1.6-4-2-3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
4.10 CHM1608 als kompakter SMD-Balun
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
4.11 Phasenlage des CHM1608U . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
4.12 Eingangspuls und Ausgangspulse aus Balun gemessen direkt im SDC . .
27
5.1
Prinzip des sequentiellen Abtastens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
5.2
Abtasttheorem im Frequenzbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
5.3
Aufbau eines Sampling Phase Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
5.4
Prinzipieller Aufbau des SDC mit Balun . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
5.5
innerer Aufbau des SDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
Abbildungsverzeichnis
IX
5.6
Foto der aufgebauten Platine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
5.7
Fliegender Aufbau der Messung des SDC mit Balun . . . . . . . . . . .
36
5.8
links: RF-Eingangssignal, rechts: Ausgangssignal aus SDC . . . . . . . .
37
5.9
Linearit¨
atsmessung des SDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
5.10 Foto des aufgebauten SDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
5.11 Aufbau der Gesamtplatine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
5.12 Puls aus aufgeschnittenem Pulser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
5.13 Ausgangspuls aus Gesamtplatine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
5.14 Mikroskopaufnahme des SDC mit T-Bridge Diode, rechts: Detailaufnah-
me der Leitungsverengung bei der Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
5.15 Mikroskopaufnahme des SDC mit zwei Einzeldioden, rechts: Detailauf-
nahme der durchgehenden RF-Leitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
5.16 Ausgangspulse aus beiden SDC im Vergleich . . . . . . . . . . . . . . . .
43
5.17 Vergleich der Dynamik beider Platinen, links: T-Bridge, rechts: zwei Ein-
zeldioden
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
5.18 Ausgangspulse aus SDC mit CHM1608 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
5.19 Dynamikmessung mit C
3
=7 pF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
5.20 Dynamikmessung mit C
3
=100 pF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
5.21 Dynamikmessung mit C
3
=2 pF (links) und C
3
=0,5 pF (rechts) . . . . .
48
5.22 Conversion Loss des SDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
6.1
Simulation der Single Ended Variante in ADS 2005a . . . . . . . . . . .
51
6.2
Dynamik Simulation in ADS 2005a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
6.3
Schaltbild des Single Ended SDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
6.4
Foto des aufgebauten Single Ended SDC
. . . . . . . . . . . . . . . . .
55
6.5
Dynamik Messung des SE-SDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
7.1
Ergebnis einer Jitter Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
57
7.2
Ansteuerung mittels zweier verschiedener Rampen . . . . . . . . . . . .
58
B.1 Layout des Pulsers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
63
B.2 Layout der aufgebauten Baluns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
64
B.3 Layout der Testschaltung f¨
ur Baluns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
65
B.4 Layout des ersten Prototyps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
65
B.5 Best¨
uckung des 1. Prototyps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66
B.6 Layout des SDC mit T-Bridge Schottky . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
B.7 Layout des SDC mit 2 Einzeldioden
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
B.8 Layout des SDC mit CHM1608 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
69
D.1 Ersatzschaltbild einer Schottky Diode
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71
Tabellenverzeichnis
X
Tabellenverzeichnis
1.1
ISM B¨
ander und zugeh¨
orige Aufl¨
osung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
4.1
Aufgebaute Baluns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
5.1
Bauteilwerte des SDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
5.2
Bauteile der Gesamtplatine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
5.3
Ergebnisse der Dynamikmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
6.1
Bauteilwerte des Single Ended SDC
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54
B.1 Best¨
uckung Pulser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
63
B.2 Best¨
uckung 1. Prototyp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66
B.3 Bauteile des SDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
68
B.4 Bauteile des SDC mit CHM 1608U . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
69
D.1 Spice Parameter der Schottky Diode MSS40-148B10B . . . . . . . . . .
72
Einleitung
1
Kapitel 1
Einleitung
Ziel dieser Diplomarbeit ist es, ein bereits bestehendes pulsbasiertes UWB-
Radarsystem, das von Stefan Matzinger [6] und David Scherrer [9] entwickelt wurde,
weiter zu verbessern. Im Besonderen ist das Augenmerk auf den Sampling-Down
Converter (SDC) gelegt worden, wobei vor allem im Bereich der geringen Dynamik
und des hohen Preises des bestehenden Systems große Verbesserungsm¨
oglichkeiten
liegen.
1.1 Grundlagen UWB
Bei einem Radar ist die Bandbreite ausschlaggebend f¨
ur die Aufl¨
osung. Die beste Aufl¨
o-
sung wird bei der Aussendung eines Dirac-Impulses erzielt, dessen Bandbreite bekannt-
lich unendlich ist. Um St¨
orungen der bereits bestehenden Funkdienste zu vermeiden,
wurden von der Federal Communications Commission (FCC) bestimmte Frequenzb¨
an-
der definiert, in denen Ger¨
ate ohne spezielle Genehmigungen senden d¨
urfen [2]. Es sind
dies die sogenannten ISM (Industrial, Scientific, Medical) B¨
ander , siehe Tabelle 1.1,
die aber eine nur eine sehr begrenzte Bandbreite aufweisen und deshalb f¨
ur eine Ra-
daranwendung wenig geeignet sind. Aus diesem Grund hat sich die FCC entschlossen
einen Frequenzbereich mit einer h¨
oheren Bandbreite zur Verf¨
ugung zu stellen.
1.2 Definition von UWB
Im Jahr 2002 wurde UWB von der FCC wie folgt definiert:
B
f
= 2
f
H
- f
L
f
H
+ f
L
0, 2
(1.1)
Einleitung
2
Frequenz
Bandbreite
Aufl¨
osung
26,957 MHz - 27,283 MHz
326 kHz
460 m
40,660 MHz - 40,700 MHz
40 kHz
3750 m
433,050 MHz - 434,790 MHz
1,74 MHz
86 m
868,000 MHz - 870,000 MHz
2 MHz
75 m
2,400 GHz - 2,483 GHz
83 MHz
1,8 m
5,725 GHz - 5,875 GHz
150 MHz
1 m
24,000 GHz - 24,250 GHz
250 MHz
600 mm
61,000 GHz - 61,500 GHz
500 MHz
300 mm
122,000 GHz - 123,000 GHz
1 GHz
150 mm
244,000 GHz - 246,000 GHz
2 GHz
75 mm
Tabelle 1.1: ISM B¨
ander und zugeh¨
orige Aufl¨
osung
Diese Formel bedeutet, dass UWB Signale mindestens eine Bandbreite von 500 MHz
aufweisen m¨
ussen. Um die Funktionst¨
uchtigkeit anderer Funkdienste auch bei Verwen-
dung eines breitbandigen Signals zu gew¨
ahrleisten, wurden von der FCC Grenzwerte
f¨
ur die Emission festgelegt und die Leistung von UWB Signalen in Frequenzmasken
genau definiert.
Abbildung 1.1: Frequenzmaske f¨
ur UWB Indoor Signale
Aus Abbildung 1.1 ist ersichtlich, dass der Bereich zwischen 3,1 GHz und 10,6 GHz
f¨
ur die Nutzung von UWB Signalen freigegeben wurde, falls die Leistung dieser Signale
bzw. deren EIRP (Equivalent Isotropically Radiated Power) unter -41.3 dBm/Hz bleibt.
Durch die erlaubte hohe Bandbreite ist UWB sehr interessant f¨
ur Radaranwendungen
und wurde in den letzten Jahren ein Bereich sehr intensiver Forschung.
Einleitung
3
1.3 Bisherige Arbeiten am Institut
Wie schon in der Einleitung erw¨
ahnt, war diese Radaranwendung schon Inhalt zweier
Diplomarbeiten und eines Projektseminars. Die bisherigen Ergebnisse m¨
ochte ich an
dieser Stelle in aller K¨
urze zusammenfassen.
1.3.1 Pulser
Abbildung 1.2: Grundschema des Pulsers
In einem Projektseminar wurde von Clemens Hofbauer ein Pulser entwickelt, der es
erm¨
oglicht Pulse mit einer Dauer von ca. 150 ps zu senden. Als Ansteuerung wird ein
D-Flip Flop der AHCT Serie von Texas Instruments (74AHCT74) verwendet, welches
so geschaltet ist, dass es sich selbst zur¨
ucksetzt. Das ca. 2,4 ns lange Signal wird an
die Basis eines Transistors, der ¨
uber einen Kollektorwiderstand gegen Masse durch-
schaltet, angelegt. Dadurch wird der Transistor aus der S¨
attigung ausgeschaltet und
erzeugt eine sehr steile Flanke. Durch nachfolgendes Differenzieren wird ein Puls im
Picosekundenbereich erzeugt (siehe Abbildung 1.2).
Die ben¨
otigte Differentiation wird durch eine kurzgeschlossene Stubleitung realisiert.
Da diese Leitung einen Reflexionsfaktor von -1 aufweist (siehe 2.1.2) wird ein um 180
phasenverschobener Puls reflektiert und am Knotenpunkt dem Signal ¨
uberlagert. Das
Endergebnis ist eine Differentiation und das gew¨
unschte Pulsersignal. Eine Besonderheit
bez¨
uglich Stub ist noch zu erw¨
ahnen: Die Spannungsamplitude und die Dauer des
Pulses sind bez¨
uglich der Stubl¨
ange zueinander direkt proportional, d. h. je gr¨
oßer die
Stubl¨
ange desto gr¨
oßer auch die Amplitude und die Dauer. Da man aber sehr kurze
Pulse erzeugen will, ist man gezwungen einen Kompromiss zwischen hoher Amplitude
und kurzem Puls einzugehen.
In Abbildung 1.3 kann man den gew¨
unschten kurzen Puls im Bereich von ca. 0,8 V
sehen, wobei nat¨
urlich der vorangehende negative Puls und die Nachschwingungen un-
erw¨
unscht sind. Zur Verbesserung des Pulsers wird auch am Ausgang eine Schottky
Einleitung
4
Abbildung 1.3: Puls am Pulserausgang nach Differentiation
Diode (siehe Kapitel 3.2) in Durchlassrichtung angebracht, die den gesamten negati-
ven Anteil des Pulses wegschneidet. Weitere positive Effekte bei der Verwendung der
Schottky Diode sind auch eine Verringerung der Dauer des Pulses, sowie ein Abnehmen
des Nachschwingens. Negativ anzumerken ist, dass die Amplitude um die Durchlass-
spannung der Diode verringert wird und die Diode durch die fehlende Anpassung auch
selbst Nachschwingungen verursacht, die jedoch geringer ausfallen als die bisherigen.
Abbildung 1.4: Neuaufbau des Pulsers mit Stubverl¨
angerung und neuem HF-Transistor
Diese Idee des Pulsers wurde f¨
ur meine Diplomarbeit ¨
ubernommen, wobei aber der
vorgeschlagene Transistor durch einen HF-Transistor (BFR740L3 siehe dazu Kapi-
tel 3.1) ersetzt wurde und auch die Stubl¨
ange verl¨
angert wurde, um eine gr¨
oßere
Spannungsamplitude zu erzielen. Das Ergebnis kann man in Abbildung 1.4 sehen. Am
auff¨
alligsten ist sicherlich die Spannungserh¨
ohung auf ca. 2,5 V, die sp¨
ater vor allem
Einleitung
5
wegen des Baluns ben¨
otigt wird. Durch den neuen Transistor ist es auch m¨
oglich die
Dauer des Pulses kurz genug zu halten. Da bei diesem Puls ebenfalls noch keine Schott-
ky Diode nachgeschaltet ist, ist auch der negative Teil noch nicht weggeschnitten. Auch
die geringen Nachschwingungen des Pulsers sind erw¨
ahnenswert.
1.3.2 Prototyp des UWB-Radars
Der in Zusammenarbeit des Instituts f¨
ur Mikroelektronik und des Instituts f¨
ur Nach-
richtentechnik entwickelte Prototyp des UWB Radars war bereits Bestandteil von zwei
Diplomarbeiten. David Scherrer war f¨
ur die Weiterentwicklung des Pulsers und den
Aufbau eines Senders zust¨
andig (siehe [9]), w¨
ahrend Stefan Matzinger am Aufbau eines
Empf¨
angers arbeitete [6]. Abschließend entstand dann durch Zusammenarbeit beider
Institute eine gemeinsame Prototyp Platine, die ein vollst¨
andiges Radarsystem dar-
stellt.
Abbildung 1.5: Aufbau des entwickelten Prototyps
Der bisherige Aufbau ist in Abbildung 1.5 zu sehen. Zur Synchronisation zwischen Sen-
der und Empf¨
anger wird ein TTL Oszillator mit 50 MHz verwendet, wobei die Frequenz
dann noch auf 12,5 MHz geteilt wird. Mit diesem Signal wird dann die Pulsereinheit
angeregt und es werden UWB Pulse mit der Wiederholungsrate von 12,5 MHz gesendet.
Im Empf¨
anger wird das 50 MHz Signal von einem Direct Digital Synthesizer (DDS)
in einen digitalen Sinus mit der Frequenz von 12,5 MHz umgewandelt. Im Ausgangs-
filter wird das Signal tiefpassgefiltert und so ein analoger Sinus erzeugt. Durch einen
Einleitung
6
differentiellen Verst¨
arker wird der Sampling Phase Detector (SPD) angesteuert. In die-
sem wird der kurze Abtastpuls erzeugt und das empfangene RF-Signal downconvertiert.
Dieser Schritt ist unbedingt n¨
otig, da ein Signal im Gigahertz-Bereich noch nicht direkt
AD gewandelt werden kann. Das downconvertierte Signal wird dann nochmals tiefpass-
gefiltert, um eine Mittelung zu erreichen, und wird dann ¨
uber einen Mikrocontroller
(TUSB3210) auf einen PC ¨
ubertragen. Die Ansteuerung des DDS erfolgt ebenfalls ¨
uber
den erw¨
ahnten Mikrocontroller.
Abbildung 1.6: Eingangs- und Ausgangssignal des Prototyps
Erste Tests lieferten recht vielversprechende Ergebnisse (siehe Abbildung 1.6). Man
sieht die ¨
Ahnlichkeit zwischen den beiden Pulsen, wobei zu beachten ist, dass man den
downconvertierten Puls von rechts beginnend betrachten muss. Dies hat den Grund,
dass das Signal in dieser Darstellung f¨
ur den Mikrocontroller leichter und schneller zu
verarbeiten ist. Es muss auch erw¨
ahnt werden, dass die Sendeeinheit direkt an den
Empf¨
anger ¨
uber ein D¨
ampfungsglied, das die Zield¨
ampfung modellieren sollte, ange-
schlossen war. Das erkl¨
art auch die geringe Amplitude des downconvertierten Pulses.
Zu beachten ist auch, dass auf dem linken Bild die Zeitachse in Nanosekunden (10
-9
s)
skaliert ist.
Die Nachteile des entwickelten Prototyps sind folgende:
· Der Sampling Phase Detector, der die Abtastung und die Down-Convertierung
¨
ubernimmt ist eine sehr teures Bauelement (ca. 11 USD). Im Vergleich zu den
¨
ubrigen Kosten der Gesamtplatine betragen die Kosten des SPD fast 25 % der Ge-
samtkosten. Aus diesem Grund soll nach einer g¨
unstigeren Alternative Ausschau
gehalten werden.
· Mit diesem Aufbau wurde nicht die gew¨
unschte Dynamik von 60 dB erreicht.
· Eine Jitter Messung beim DDS brachte zutage, dass ein Jitter von ca. 25 ps auf-
tritt. Dieser Jitter kann jedoch durch Mittelung behoben werden, aber trotzdem
Einleitung
7
wurde eine weitere Diplomarbeit am Institut ausgeschrieben, die eine Alternative
zur Ansteuerung des SDC finden soll.
1.4 Aufgabenstellung
Aus den zuvor erw¨
ahnten Nachteilen der bestehenden Schaltung, lassen sich auch ganz
klar die Vorgaben f¨
ur diese Arbeit ableiten. Es soll eine funktionst¨
uchtige Alternative
zum teuren SPD entwickelt werden, die sich nur auf Standardbauteile beschr¨
ankt und
deshalb kosteng¨
unstiger ist. Weiters soll auf eine einfache Herstellbarkeit geachtet wer-
den, sodass der gesamte Aufbau am Institut gefertigt werden kann. Das stellte mich
insbesondere beim Aufbau von diversen Baluns vor gr¨
oßere Probleme, da der minimale
Abstand von Leiterbahnen mindestens 0,15 mm betragen musste, um noch fertigbar zu
sein, aber von verschiedenen Balunvarianten kleinere Leitungsabst¨
ande ben¨
otigt wur-
den. Ebenfalls zu vermeiden sind Multilayer-Prints, was aber keine große Einschr¨
ankung
f¨
ur meine Arbeit darstellte. Ein weiterer wichtiger Punkt ist auch die Verbesserung der
Dynamik.
Die Vermeidung des Sampling Phase Detectors bringt eine Reihe von Problemen mit
sich: Da der Abtastpuls f¨
ur den Sampling Down Converter bis jetzt intern im SPD
erzeugt wurde, muss nun eine L¨
osung gefunden werden, diese Pulse selbst zu erzeugen.
Zu diesem Zweck wird der bereits entwickelte Pulser eingesetzt, der Pulse im UWB
Bereich erzeugt. Nun m¨
ussen aber diese Pulse auf ein differentielles Signal umgewandelt
werden, was mit dem eingesetzten differentiellen Verst¨
arker nicht m¨
oglich ist. Bisher
hatten die Signale Frequenzanteile im Megahertz Bereich, aber jetzt haben diese Pulse
Anteile bis zu zehn Gigahertz. Um diese Aufgabe erf¨
ullen zu k¨
onnen, wird ein Balun
ben¨
otigt, der auch Signale von so hohen Frequenzen verzerrungsfrei in differentielle
Signale umwandeln kann. Eine zweite Variante w¨
are der ¨
Ubergang auf ein Single-Ended
System, da hier der Balun nicht mehr ben¨
otigt werden w¨
urde und man sich somit diese
Komponente ersparen w¨
urde.
Leitungen
8
Kapitel 2
Leitungen
In diesem Kapitel m¨
ochte ich nur kurz auf die wichtigsten Grundlagen der Leitungstheo-
rie eingehen, die dann auch bei der Erstellung meiner Diplomarbeit verwendet wurden.
Auf langwierige Herleitungen und Beweise wird an dieser Stelle verzichtet, hier erlaube
ich mir auf die weiterf¨
uhrende Literatur zu verweisen. Den Abschluss dieses Kapitels
stellt ein kurzer (nicht vollst¨
andiger) ¨
Uberblick ¨
uber die verwendeten planaren Leitun-
gen dar, die bei der Erstellung meiner Prototypen Verwendung fanden.
2.1 Wellenwiderstand, Reflexionsfaktor, Anpassung
Die Leitungstheorie dient zur Beschreibung der Ausbreitung von elektromagnetischen
Wellen auf Leitungen. Die Ber¨
ucksichtigung dieser Theorie ist immer dann wichtig,
wenn ein Signalanteil hochfrequent ist im Vergleich zur Signallaufzeit auf der Leitung,
d. h. bei sehr hohen Frequenzen oder sehr langen Leitungen.
Abbildung 2.1: Modell eines Leitungsst¨
ucks x
Die Modellierung eines Leitungsst¨
ucks x (siehe Abbildung 2.1) erfolgt durch den
Widerstandsbelag R', den Querleitwertsbelag G', den Induktivit¨
atsbelag L' und den
Kapazit¨
atsbelag C'. Aus diesen Gr¨
oßen lassen sich nun die Gleichungen f¨
ur eine in der
Leitung laufende Welle herleiten (siehe auch [1]).
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Details
- Arbeit zitieren
- , 2006, UWB Sampling Down Converter mit Transisterschaltung zur Abtastpulsgenerierung, Hamburg, Bedey Media GmbH, https://www.diplom.de/document/226525
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