FMCW Radar-Transceiver und Verfahren zum Betreiben

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für ein Frontend eines FMCW Radar- Transceivers, einen FMCW Radar-Transceiver und ein Verfahren zum Betreiben.

Hintergrund der Erfindung

Aufgrund der geringeren Anforderungen für die Übertragungsenergie, der geringeren Hard- ware-Komplexität und der größeren Robustheit werden frequenzmodulierte Dauerstrich (FMCW -„Frequency Modulated Continous Wave ") Radarsysteme häufig als kompakte Ausführung für das Frontend des Radarsystems als integrierte Schaltung in Betracht gezogen. Sowohl in der Automobilindustrie als auch in der Telekommunikation werden solche Systeme in großer Zahl eingesetzt.

Eine Ausführungsform betrifft das FMCW-Radarsystem mit Einzelantenne mit Zeitsteuerung. Bekannte Radarsysteme mit Einzelantenne nutzen im Betrieb die zeitliche Aufteilung zwischen einer Sende- und einer Empfangsbetriebsart. Ein bekanntes FMCW-System (McGregor et al, Switching System for single antenna Operation of an S-band FMCW radar, Proc. Inst. Elect. Eng. - Radar, Sonar Navig., 1994, Vol. 141, Nr. 4, Seiten 241-248) nutzt eine kommerziell verfügbare PIN-Diode als Schaltelement, was eine hohe Isolation zwischen dem Sender und dem Empfänger liefert. Ein anderes bekanntes FMCW Radar-Modul (Saito et al., An FMCW Radar Module With Frontend Switching Heterodyne Receiver", International Microwave Symposium digest (MTT-S), 1.-5. Juni 1992, Vol.2, 1. Juni 1992, Seiten 713-716) basiert auf einem Überlagerungsempfänger.

Die Dokumente (US 6,720,912, US 6,972,711, US 7,714,772) beschäftigen sich mit einer Einzelantennenimplementierung des Überlagerungs-Frontendes basierend auf der Anwendung des Schaltelementes. Es wird ein Sende- / Empfangsschalter an der Antenne genutzt, um die Einzelantenne für die Sende- und die Empfangsbetriebsart zu nutzen. Im Dokument US 6,720,912 wird vorgeschlagen, eine zusätzliche Sende- und Empfangsverstärkerstufe nach dem Sende- / Empfangsschalter zu nutzen und diese synchron zu betreiben. Dieses erhöht die Isolation zwischen dem Sender und dem Empfänger. Dokument US 6,972,71 1 beschäftigt sich mit der Nutzung eines zusätzlichen Schalt- und Steuernetzwerks zum Schalten der Zwischenfrequenz (IF -„Intermediate Frequency ") als auch der Niedrigfrequenz-Oszillatorsignale, die auf einen zweiten Mischer gegeben werden.

Im Dokument US 7,714,772 wird eine Erweiterung zu dem Konzept im Dokument US 6,720,912 offenbart, die zusätzliche Verstärkungssteuerblöcke für die Verstärkerstufen vorsieht.

Das Dokument DE 60 305 674 T2 betrifft ein Nahbereichs-Pulskompressionsradarsystem. Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Technologien für einen FMCW Radar-Transceiver anzugeben, mit denen im Betrieb insbesondere eine verbesserte Isolation zwischen Sender und Empfänger erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltungsanordnung für ein Frontend eines FMCW Radar-Transceivers nach dem unabhängigen Anspruch 1, einen FMCW Radar- Transceiver nach dem unabhängigen Anspruch 7 sowie ein Verfahren zum Betreiben des Frontendes nach dem unabhängigen Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Er- findung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäßen Technologien sorgen für eine asymmetrische Isolierung der Schaltungskonfigurationen beim Senden und beim Empfangen. Insoweit sind dann Sender und Empfänger asymmetrisch isoliert. Diese Asymmetrie ist gebildet, indem im Schaltnetzwerk des RF-Schalters ein in der Sendeschaltungskonfiguration gebildeter Signalpfad einerseits und ein in der Empfangsschaltungskonfiguration gebildeter Signalpfad andererseits eine unterschiedliche Anzahl von Schaltstufen umfassen. Die mit der Schaltungsanordnung des Frontendes verbundene Signalfiltereinrichtung ist im Einsatz dann einer Antenneneinrichtung nachgeschaltet, über die Sendesignale abgegeben und Empfangssignale empfangen werden können. Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Schaltstufen als einstufige und / oder mehrstufige Schaltstufen ausgeführt sind.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Schalteinrichtung einen DC-Schalter aufweist, der zum Ausbilden des Empfangssignalweges und des Sendesignalwe- ges betätigt wird.

Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass der RF-Schalter und der DC- Schalter gekoppelt sind, derart, dass beide Schalter beim Umschalten zwischen der Empfangsschaltungskonfiguration und der Sendeschaltungskonfiguration zeitlich synchron schal- ten.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Signalfiltereinrichtung mit einem Bandpassfilter gebildet ist. Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der in dem RF-Schalter gebildete Signalweg in der Sendeschaltungskonfiguration von einem Sendesig- nalweg umfasst und als Teil eines Signalpfades vom weiteren Anschluss zu einer Verstärkereinrichtung gebildet ist, und in der Empfangsschaltungskonfiguration als Teil eines Signalpfades vom weiteren Anschluss zu einer Mischereinrichtung gebildet ist, die in einem Emp- fangssignalweg angeordnet ist. Bevorzugt ist der im RF-Schalter der in Sendeschaltungskonfiguration gebildete Signalpfad direkt mit einem in der Verstärkereinrichtung gebildeten Treiberverstärker verbunden, so dass in diesen die von der VCO-Einrichtung bereitgestellten Signale eingekoppelt werden. In der Empfangsschaltungskonfiguration ist der im RF-Schalter gebildet Signalpfad bevorzugt mit einem in dem Signalweg des empfangenen Signals (Emp- fangssignalweg) angeordneten Mischer verbunden, so dass die von der VCO-Einrichtung bereitgestellte Signale im Mischer zur Verarbeitung des empfangenen Signals nutzbar sind. In Verbindung mit den Fortbildungen des Verfahrens zum Betreiben des Frontendes gelten die im Zusammenhang mit zugehörigen Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung vorangehend gemachten Ausführungen entsprechend.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines FMCW Radar-Transceivers in Einzelantennenausführung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Schaltnetwerkes mit einem RF-Schalter in asymmetrischer Ausführung sowie einem DC-Schalter,

Fig. 3 eine schematische Darstellung des FMCW Radar-Transceivers aus Fig. 1 für die Sendebetriebsart und

Fig. 4 eine schematische Darstellung des FMCW Radar-Transceivers aus Fig. 1 in der Empfangsbetriebsart.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung mit einem Blockdiagramm eines FMCW Radar- Transceivers (FMCW -„Frequency Modulated Continous Wave ") mit einer Antenne 1, einem hieran angeschossenen Bandpassfilter (BPF - ,ßand Pass Filter") 2 und einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO -„Voltage Controlled Oscillator") 3. Zwischen dem Bandpassfilter 2 und dem spannungsgesteuerten Oszillator 3 ist eine Schaltungsanordnung 4 gebildet, die über einen Signalanschluss 5 zum Signalaustausch an den Bandpassfilter 2 und über einen weiteren Anschluss 6 zum Signalaustausch an den spannungsgesteuerten Oszillator 3 angeschossenen ist. Mit der Schaltungsanordnung 4 ist ein Frontend für den FMCW Radar- Transceiver in Einzelantennenausführung gebildet. Der FMCW Radar-Transceiver kann zum Senden von Signalen über die Antenne 1 in einer Sendebetriebsart betrieben werden. Über die Antenne 1 können in einer Empfangsbetriebsart Signale empfangen werden. Das Umschalten zwischen den zeitlich getrennt stattfindenden Betriebsarten erfolgt mit Hilfe der Schaltungsanordnung 4. Die Antenne 1 ist Teil eines RF-Systems (RF -„Radio Frequency "), welches zum Senden und Empfangen von Sende-RF- und Empfangs-RF- Signalen genutzt wird. Der Bandpassfilter 2 wird als ein Filter für außerhalb des jeweils gegebenen Signalbandes liegende Signale genutzt, sowohl während des Sendens als auch während des Empfangens. Der spannungsgesteu- erte Oszillator 3 dient zum Erzeugen der benötigten Hochfrequenzsignale bei einer gewünschten Ausgangsleistung bei den Sende- und den Empfangsbedingungen.

Das gebildete Frontend des Hochfrequenz tauglichen FMCW Radar-Transceivers umfasst ein Sender- und ein Empfänger-Teilsystem, die in der jeweiligen Betriebsart genutzt werden zur Signalhandhabung. Ein Leistungsverstärker 7 (PA- ,J ^> ower Amplifier") und ein Treiberverstärker 8 (DA - ,J)river Amplifier") sind Teil des Sender-Teilsystems. Der Leistungsverstärker 7 liefert die notwendige Ausgangsleistung am Bandpassfilter 2. Der Treiberverstärker 8 verbessert die Gesamtverstärkung des Senders, kompensiert Verluste entlang des Sendesig- nalweges und treibt den Leistungsverstärker 7 bei der Ausgangsleistung für eine maximale Effizienz.

Ein Verstärker niedrigen Rauschens 9 (LNA -„Low Noise Amplifier"), ein Mischer 10 („ - xer") sowie ein Zwischenfrequenzverstärker 11 (IF Amp. -„Intermediate Frequency Amplifier") sind Teil des Empfänger-Teilsystems des gebildeten Frontendes. Während des Emp- fangs werden die empfangenen Hochfrequenzsignale mittels des Verstärkers 9 bei minimalem Rauschbeitrag verstärkt und mittels des Mischers 10 auf die niedrigere Frequenz IF gewandelt. Der Zwischenfrequenzverstärker 11 verstärkt die IF-Signale des Mischers 10 und verbessert die Signalqualität für die weitere Signalverarbeitung. Ein DC-Schalter 12 (DC SW - ,J ⁾ C Switch") und ein RF-Schalter 13 (RF SW- ,JtF Switch") arbeiten sowohl in der Sende- als auch in der Empfangsbetriebsart und werden genutzt, um zwischen den Betriebsarten umzuschalten.

Die Anschlüsse Vctrl-Tx und Vctrl-Rx sind externe Sende- und Empfangssteueranschlüsse. Vdd bezeichnet in Fig. 1 die gemeinsame externe Spannungsversorgung des Frontendes. In Abhängigkeit von der Betriebsart sind Vctrl-Tx oder Vctrl-Rx ein- oder ausgeschaltet, was intern die Spannungsversorgung Vdd-Rx (folglich Vdd-LNA, Vdd-Mix, und Vdd-IFA) der Empfängerschaltung oder Vdd-Tx (folglich Vdd-DA, Vdd-PA) der Senderschaltung ein- oder ausschaltet. Dieses wird mithilfe des DC-Schalters 12 ausgeführt, bei dem es sich um ein Schaltnetwerk handelt. Der DC-Schalter 12 ist synchronisiert zum RF-Schalter 13, der als asymmetrisches Schaltnetzwerk ausgeführt ist.

Fig. 2 zeigt schematisch die Synchronisation zwischen DC-Schalter 12 und RF-Schalter 13. In Fig. 2 bezeichnen Ml und M2 zusammen eine einstufige Schaltstufe. Vergleichbar bilden M3 / M4, M5 / M6 sowie M7 / M8 jeweils eine einstufige Schaltstufe im RF-Schalter 13. Je nachdem, ob die Sende- oder die Empfangschaltungskonfiguration vom RF-Schalter 13 ein- genommen wird, befindet sich eine unterschiedliche Anzahl dieser Schaltstufen in dem Signalpfad, der im RF-Schalter 13 selbst gebildet ist. Der RF-Schalter 13 ist in der Sendeschal- tungskonfiguration mit Treiberverstärker 8 und in der Empfangschaltungskonfiguration mit dem Mischer 10 verbunden. In den beiden Schaltungskonfigurationen umfasst der im Schaltnetzwerk des RF-Schalters 13 jeweils gebildete Signalpfad eine unterschiedliche Anzahl der Schaltstufen, was einer asymmetrischen Ausbildung der Signalpfade entspricht.

Weil DC-Block-Kondensatoren entlang des RF-Signalweges als Teil des Abstimmnetzwerkes unabhängiger Transceiver-Schaltungen erachtet werden, sind sie im RF-Schalter 13 in Fig. 2 nicht gezeigt.

Der als asymmetrisches Schaltnetzwerk ausgeführte RF-Schalter 13 schaltet die Einführung der Signale vom spannungsgesteuerten Oszillator 3 in den Sendesignalweg und den Empfangssignalweg bei zwei unterschiedlichen Isolierungen, die insoweit asymmetrisch sind. Gemäß Fig. 2 ist entlang des Signalpfades, welcher in der Empfangsschaltungskonfiguration in dem RF-Schalter 13 gebildet ist, eine einzelne Stufe des Schaltnetzwerkes mittels der Elemente Ml und M2 gebildet. Demgegenüber ist der Signalpfad, welcher in der Sendeschal- tungskonfiguration in dem RF-Schalter 13 gebildet ist, mit drei kaskadierten Schaltstufen des Schaltnetzwerkes gebildet, die die Elemente M3 bis M8 umfassen. Die unterschiedliche Anzahl von Schaltstufen entlang des Signalpfades im RF-Schalter 13 beim Senden und beim Empfangen führen sowohl zu einer asymmetrischen, das heißt unterschiedlichen Isolierung, als auch zu unterschiedlichen (asymmetrischen) Verlustwerten für die Signale des spannungsgesteuerten Oszillators 3 an den Oszillatoreingängen für Sender / Empfänger. Im Folgenden wird auf die Fig. 3 und 4 Bezug genommen.

In der Sendebetriebsart liefert der RF-Schalter 13 die Signale des spannungsgesteuerten Oszillators 3 an den Sender (also an den Eingang des Treiberverstärkers 8), indem der Sende- steueranschluss Vctrl-Tx eingeschaltet wird, wohingegen der Empfängerschaltungsteil ausgeschaltet ist, indem der Empfangssteueranschluss Vctrl -Rx ausgeschaltet ist. Fig. 3 zeigt die Anordnung aus Fig. 1 in der Sendebetriebsart, in welcher ein Sendeempfangsweg gebildet ist. Verluste, die aufgrund des mehrstufigen Schaltnetzwerkes entlang des Sendesignalweges entstehen, werden mittels des Treiberverstärkers 8 kompensiert. Der Treiberverstärker 8 liefert die notwendige Verstärkung und treibt den Leistungsverstärker 7 auf einer gewünschten Signalhöhe, was zu der gewünschten Ausgangsleistung führt. In der Sendebetriebsart steht für die Signale des spannungsgesteuerten Oszillators 3 am Lokaloszillator (LO)-Eingang des Mischers 10 die Isolierung aufgrund der einstufigen Schaltstufen (Ml / M2) des Schaltnetzwerkes zur Verfügung. Aufgrund dieser Isolierung hält der sehr niedrige Pegel der Signale des spannungsgesteuerten Oszillators 3 an dem LO-Eingang des Mischers 10 den Mischer 10 vollständig außer Funktion. Dieses beendet darüber hinaus die Empfangsbetriebsart.

Aufgrund des synchronisierten Schaltens in den aktiven oder passiven Mischerfällen ist das Außerbetriebssetzen des Empfängers mittels eines Signalpegels der Signale des spannungsge- steuerten Oszillators 3 von weniger als -20dBm am LO-Eingang des Mischers 10 sichergestellt. Während der Sendebetriebsart wird aufgrund des Ausschaltens aller Empfängerschaltungselemente mittels des synchronisierten DC-Schalters 12 eine hohe Isolierung sichergestellt, wodurch jegliche ungewünschte Umwandlung des Sendesignals vermieden ist. Fig. 4 zeigt die Anordnung aus Fig. 1 in der Empfangsbetriebsart. Der RF-Schalter 13 liefert unter Einbeziehung des dann im RF-Schalter 13 gebildeten Signalpfades die Signale des spannungsgesteuerten Oszillators 3 an den LO-Eingang des Mischers 10, während der Treiberverstärker 8 und der Leistungsverstärker 7 als Teil des Senders ausgeschaltet sind, indem der Sendesteueranschluss Vctrl-Tx ausgeschaltet ist. Das Empfangsignal wird nach der Ver- arbeitung am Ende des Empfangssignalweges am Ausgang des IF-Verstärkers 1 1 bereitgestellt. Aufgrund des asymmetrischen RF- Schaltnetzwerkes erreicht der LO-Eingang des Mischers 10 eine niedrigere Signaldämpfung (infolge der Einzelstufenschaltung), was den gewünschten LO-Signalleistungspegel am Mischer 10 sichert. Die vorgeschlagene Technologie verbessert auch die LO-Signalisolierung im Senderbereich während des Empfangs. Eine hohe Isolierung der Signale des spannungsgesteuerten Oszillators 3 am Eingang des Treiberverstärkers 8 wird mittels der kaskadierten Isolierung der mehreren Schaltstufen entlang des Sendesignalwegs erreicht. Dieses ist von Bedeutung für den Dauerstrichbetrieb des spannungsgesteuerten Oszillators 3 in der Sende- und der Empfangs- betriebsart. Das große Signal, welches vom spannungsgesteuerten Oszillator 3 nach der hohen Isolierung aufgrund des RF-Schalters 13 erzeugt wird, erreicht den Eingang des Treiberverstärkers 8. Der synchronisierte DC-Schalter 12 schaltet den Leistungsverstärker 7 sowie den Treiberverstärker 8 aus, indem der Sendesteueranschluss Vctrl-Tx ausgeschaltet wird. Folglich wird das Signal auf der Sendeseite weiter gedämpft. All dieses führt zu einer sehr hohen Isolierung der Signale des spannungsgesteuerten Oszillators 3 am Sender. Ein stabiler und interferenzfreier Betrieb des gesamten Frontendes ist sichergestellt.

In einer Ausgestaltung sind der Eingang des Verstärkers 9 und der Ausgang des Leistungsverstärkers 7 auf 50Ω angepasst. Der Eingang des Verstärkers 9 und des Leistungsverstärkers 7 sind direkt an den Signalanschluss 5 (50Ω) gekoppelt über ein Einzelchip-Netzwerk. Aufgrund der 50Ü, der Breitbandanpassung des Eingangs des Verstärkers 9 und des Ausgangs des Leistungsverstärkers 7 tritt in der Empfangsbetriebsart insgesamt eine Verschlechterung von weniger als IdB auf. In der Empfangsbetriebsart sind der Verstärker 9 eingeschaltet und der Leistungsverstärker 7 ausgeschaltet, wobei der Leistungsverstärker 7 immer noch mit dem Signalanschluss 5 verbunden ist. In ähnlicher Weise wird eine Ausgangsleistungsverschlechterung von weniger als IdB in der Sendebetriebsart erreicht, in welcher der Leistungsverstärker 7 eingeschaltet und der Verstärker 9 ausgeschaltet sind, welcher aber immer noch mit dem Signalanschluss 5 verbunden ist. Die beschriebene Schaltungsanordnung für das Frontend kann zum Beispiel mittels CMOS- Technologie umgesetzt werden. Zu Testzwecken erfolgte eine Implementierung in einem 130nm-Siliziumchip. Die vorgesehene Asymmetrie der RF-Schaltung im Empfangssignalweg einerseits und dem Sendesignalweg andererseits führt zu mehreren Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik. Während des Empfangs werden geringer Verluste sichergestellt. Der LO-Eingang des Mischers 10 garantiert eine zuverlässige Mischung und folglich die Empfangsbetriebsart. Wäh- rend der Empfangsbetriebsart ist gleichzeitig eine hohe Isolierung der Senderseite erreicht. Dieses ist kritisch für den Dauerstrichbetrieb des spannungsgesteuerten Oszillators 3. Während der Sendebetriebsart kompensiert der Treiberverstärker 8 zusätzliche Verluste der asymmetrischen Schaltung und treibt den Leistungsverstärker 7 auf dem gewünschten Leistungsniveau.

Der DC-Schalter 12 und der RF-Schalter 13 werden zum Umschalten zeitlich synchron betrieben Zusammen mit der asymmetrischen Isolierung der Signale des spannungsgesteuerten Oszillators 3 sichert dies eine hohe Isolierung für die verschiedenen Anschlüsse des Frontendes. Die geringen Verluste der Signale des spannungsgesteuerten Oszillators 3 entlang des Empfängers (in der Empfangsbetriebsart) und die Verlustkompensation entlang des Senders (in der Sendebetriebsart) mittels des Treiberverstärkers 8 führen zu einer konstanten und hohen Leistung des Frontendes im Betrieb.

Die mit der Erfindung geschaffenen Technologien können in ihren verschiedenen Ausfüh- rungsformen in verschiedensten Anwendungen zum Einsatz kommen. Beispielhaft genannt werden können Anwendungen in der Automobilindustrie sowie beliebige drahtlose Datenübertragungen, wozu zum Beispiel drahtlos arbeitende Positioniersysteme in der industriellen Automatisierung oder andere Sensornetzwerke gehören. Allgemein können die Technologien in Hochfrequenz FMCW Radar-Transceivern verwendet werden. Eine Einzelchipimplemen- tierung für das Einzelantennen- FMCW- Radarsystem bildet eine kompakte Lösung.

Das vorgeschlagene Frontend wurde vorangehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit einem spannungsgesteuerten Oszillator und einem Bandpassfilter beschrieben. Für diese Einrichtungen, die an das Frontend koppeln, können beliebige Ausführungsformen in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Frontend zum Einsatz kommen. Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.