Sende-/Empfangsvorrichtung zum simultanen Senden und Empfangen und Verwendung der Sende-/Empfangsvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Sende-/Empfangsvoπichtung zum simultanen Senden und Empfangen von Hochfrequenzsignalen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Außerdem betrifft die Erfindung eine Verwendung dieser Sende-/Empfangsvorrichtung.

Eine derartige Sende-/Empfangsvorrichtung ist beispielsweise aus der EP 0 685 930 Al bekannt. Sie kommt in einem Kraftfahrzeug-Radarsystem zum Einsatz, das zur Ermittlung des Abstands, der seitlichen Position und der relativen Geschwindigkeit in Nähe befindlicher Kraftfahrzeuge dient.

Bei Radarverfahren, die frequenzmodulierte Dauerstrich- Signale verwenden, wird eine im Hochfrequenzbereich arbeitende Sende-/Empfangsvor- richtung benötigt, die einen simultanen Betrieb eines Sende- und eines Empfangszweiges an einer einzigen Antenne ermöglicht. Oft wird dies mittels eines Zirkulators gelöst, der jedoch bei den in einem Kraftfahrzeug- Radarsystem verwendeten hohen Frequenzen zwischen 70 und 90 GHz sehr kostenintensiv, kritisch zu handhaben und schwierig zu integrieren sowie u. U. gar nicht verfugbar ist.

Zur Vermeidung des Zirkulators wird in der EP 0 685 930 A1 eine Sende-/ Empfangsvorrichtung aus zwei Ringübertragungswegen beschrieben. Der erste Ringübertragungsweg fungiert als Sende-/Empfangsweiche zwischen der Signalquelle, dem Mischer und der Antenne, wohingegen der zweite Ringübertragungsweg einen an sich bekannten einfach balancierten Mischer mit zwei Mischerdioden bildet. Diese Sende-/Empfangsvomchtung hat im Empfangszweig relativ große Verluste, da außer den Verlusten des

bekannten balancierten Mischers noch die Verluste der vorgeschalteten Sende-/Empfangsweiche vorliegen.

Eine andere ohne Zirkulator realisierte Sende-/Empfangsvorrichtung ist in der WO 2004/015445 Al veröffentlicht. Die Signalquelle und die einzige Mischerdiode sind über eine 3-armige Verzweigungsschaltung mit der Antenne und dem Zwischenfrequenzausgang verbunden. Allerdings ist die Leistungsfähigkeit dieser Sende-/Empfangsvorrichtung aufgrund der Verwendung nur einer einzigen Mischerdiode und aufgrund deren spezieller Anordnung in der Verzweigungsschaltung begrenzt.

Die angegebenen bekannten Sende-/Empfangsvorrichtungen haben eine nur eingeschränkte Funktionalität, da z.B. keine Variation der Sendeleistung der Signalquelle vorgenommen werden kann, ohne die Wirkung des Mischers zu reduzieren oder gar aufzuheben. Ferner ist die Leistungsfähigkeit des Mischers stark von der durch die Antenne vorgegebenen Ab- schluss-Impedanz der Architektur abhängig, die insbesondere bei einem Kraftfahrzeug-Radarsystem signifikant von der Umgebung abhängen kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Sende-/Empfangsvorrich- tung der eingangs bezeichneten Art anzugeben, die eine gute Leistungsfähigkeit aufweist und trotzdem preiswert realisiert werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Sende-/Empfangsvorrichtung ent- sprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 angegeben. Die erfindungsgemäße Sende-/Empfangsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen jeden der dritten Anschlüsse und die jeweils daran angeschlossene Mischereinheit eine Anpasseinheit zwischengeschaltet ist und die beiden Anpasseinheiten oder die beiden Kombinationen aus einer der Anpass-

einheiten und einer der Mischereinheiten jeweils zur Reflektion des Abfrage-Hochfrequenzsignals mit einem Anteil von mehr als 50 % ausgelegt sind. Die erfindungsgemäße Sende-/Empfangsvorrichtung kommt mit einem einzigen übertragungsweg aus. Aufgrund der Anpasseinheiten sind zugleich die Funktion der Sende-/Empfangsweiche und die des Mischers gegeben. Der Realisierungsaufwand ist vergleichsweise niedrig, da nur ein übertragungsweg und insbesondere kein Zirkulator benötigt werden. Wegen der Verwendung nur eines übertragungswegs treten außerdem niedrige Verluste auf und das Transmissionsverhalten hängt von weniger Einfluss- großen ab. Damit steigt die insgesamt erreichte Leistungsfähigkeit.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Sende-/Empfangs- vorrichtung ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.

Die Variante nach Anspruch 2 lässt sich einfach und kostengünstig herstellen. I80°-Ringhybrid-Koppler sind verfügbare Standardkomponenten. Derartige Ringübertragungswege können insbesondere auch in der kosten- und platzsparenden Mikrostreifen-Leitungstechnik realisiert sein.

Wenn, wie insbesondere gemäß Anspruch 3 vorgesehen, von den beiden Kombinationen aus einer der Anpasseinheiten und einer der Mischereinheiten oder auch insbesondere nur von den beiden Anpasseinheiten eine zusätzliche Gesamtphasenverschiebung von 180° hervorgerufen wird, ergibt sich eine besonders gute Transmissionsrate des Abfrage-Hochfrequenzsignals vom ersten zum zweiten Anschluss.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 4 ist der Aufwand gering, da nur in einer der beiden Anpasseinheiten eine Phasenverschiebung vorzusehen ist.

Anhand einer Phasenumkehr in der einen Anpasseinheit und einer konstanten Phase in der anderen Anpasseinheit lässt sich die erwünschte Gesamtphasenverschiebung um 180° besonders einfach realisieren.

Auch die Variante gemäß Anspruch 5 ist günstig in der Umsetzung. Dioden sind als Mischerelemente gut geeignet und außerdem preiswert.

Mittels der weiteren günstigen Ausgestaltung nach Anspruch 6 lässt sich das Reflexionsverhalten an den dritten Anschlüssen gezielt und vor allem auch variabel einstellen.

Die außerdem gemäß Anspruch 7 vorgesehene Ausgestaltung kann, vorzugsweise bei Anwendungen mit differentieller, d. h. symmetrischer, Signalführung eingesetzt werden. Sie eignet sich also besonders gut für SiGe- basierte Anwendungen.

Die Ausgestaltung der Signalquelle gemäß Anspruch 8 ist besonders platzsparend. Ein solcher MMIC (= Monolithic Microwave Integrated Circuit) hat sehr kleine Abmessungen. Dies ist insbesondere bei einem Einsatz in einem Kraftfahrzeug-Radarsystem von Vorteil, da in einem Kraftfahrzeug nur ein begrenztes Einbauvolumen zur Verfügung steht.

Besonders günstige Werte oder Wertebereiche für das Reflexionsverhalten der beiden Anpasseinheiten oder der beiden Kombinationen aus einer der Anpasseinheiten und einer der Mischereinheiten sind in Anspruch 9 angegeben.

Die erfmdungsgemäße Sende-/Empfangsvorrichtung kann mit besonderem Vorteil in einem Radarsystem eingesetzt werden, vorzugsweise in einem

Kraftfahrzeug-Radarsystem. Die erfindungsgemäße Sende-/Empfangsvor- richtung erfüllt die insbesondere in der Kfz-Technik gestellten Forderungen nach geringer Größe, geringen Kosten und hoher Effizienz.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Sende-/Empfangsvorrichtung mit einem Ringübertragungsweg, an den zwei Mischerdioden mittels Anpasseinheiten angeschlossen sind,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Sende-/Empfangsvorrich- tung mit differentiellem Ausgangssignal und

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Sende-/Empfangsvorrichtung mit an Spannungsquellen angeschlossenen Mischerdioden.

Einander entsprechende Teile sind in den Fig. 1 bis 3 mit denselben Be- zugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Sende-/Empfangsvorrichtung 1 gezeigt, das zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug-Radarsystem bestimmt ist. Sie umfasst eine als MMIC in GaAs-Technologie ausgeführte Signal- quelle 2, eine Antenne 3, zwei Mischereinheiten in Form von Mischerdioden 4 und 5 sowie einen als 180°-Ringhybrid ausgeführten Ringübertragungsweg 6. Die Sende-/Empfangsvorrichtung 1 ist für eine einfache, d. h. unsymmetrische Signalführung ausgelegt.

Der insbesondere in Mikrostreifen-Leitungstechnik realisierte Ringübertragungsweg 6 hat einen ersten Anschluss 7, einen zweiten Anschluss 8 und zwei dritte Anschlüsse 9 und 10, die, wie bei einem 180°-Ringhybrid üblich, über den Umfang verteilt angeordnet sind. Der erste Anschluss 7 und der dritte Anschluss 9 sind ebenso wie der dritte Anschluss 9 und der zweite Anschluss 8 sowie der zweite Anschluss 8 und der dritte Anschluss 10 um ein Viertel einer Nennwellenlänge λ voneinander beabstandet. Dagegen liegen der erste Anschluss 7 und der dritte Anschluss 10 Dreiviertel der Nennwellenlänge λ auseinander. Insgesamt hat der Ringübertragungsweg 6 also eine Umfangslänge von dem 1,5-fachen der Nennwellenlänge λ.

Die Signalquelle 2 ist insbesondere unmittelbar an den ersten Anschluss 7 angeschlossen. Die Antenne 3 ist insbesondere unmittelbar an den zweiten Anschluss 8 angeschlossen. Dagegen sind die Mischerdioden 4 und 5 je- weils mittels einer Anpasseinheit 11 bzw. 12 an einen der dritten Anschlüsse 9 und 10 angekoppelt. Die Anpasseinheit 11 ist zwischen den dritten Anschluss 9 und die Mischerdiode 4 geschaltet, die Anpasseinheit 12 zwischen den dritten Anschluss 10 und die Mischerdiode 5. Außerdem ist am Anschluss 7 ein Abgriff für eine Verbindung zu einer Auswerteeinheit 13 vorgesehen. Alternativ könnte dieser Abgriff aber auch am Anschluss 8 oder an einer beliebigen Stelle des Ringübertragungswegs 6 erfolgen.

Im Folgenden werden die Funktionsweise und besondere Vorteile der Sen- de-/Empfangsvorrichtung 1 näher beschrieben.

Die Signalquelle 2 erzeugt ein frequenzmoduliertes Abfrage-Hochfre- quenzsignal Sl insbesondere in Form eines frequenzmodulierten Dauerstrich-Signals (= FMCW(frequency modulated continuous wave)-Signal). Alternativ könnte die Signalquelle 2 aber ebenso ein für ein Pulskompres-

sionsverfahren benötigtes frequenzmoduliertes Abfrage-Hochfrequenzsignal Sl erzeugen. Eine Mitten- oder Nennfrequenz f des Abfrage- Hochfrequenzsignals Sl liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 70 und 90 GHz. Die Nennwellenlänge λ bewegt sich bei der Mitten- oder Nenn- frequenz f insbesondere im Milli- oder Mikrometerbereich.

Das Abfrage-Hochfrequenzsignal Sl wird am ersten Anschluss 7 in den Ringübertragungsweg 6 eingespeist. Letzterer dient zugleich als Sende-/ Empfangsweiche und als Mischer für Empfangssignale. Aufgrund der an die beiden dritten Anschlüsse 9 und 10 angeschlossenen Anpasseinheiten 11 bzw. 12, die im Ausführungsbeispiel als Leitungselemente realisiert sind, gelangt ein Hauptanteil des Abfrage-Hochfrequenzsignals Sl als abzustrahlendes Abfrage-Hochfrequenzsignal Si l zum zweiten Anschluss 8 und damit zur Antenne 3.

Die beiden Anpasseinheiten 11 und 12 sind teilreflektiv, d.h. sie reflektieren einen größeren Anteil — z.B. 80% — des über die dritten Anschlüsse 9 bzw. 10 zugeführten Abfrage-Hochfrequenzsignals Sl. Der verbleibende kleinere Anteil passiert dagegen die Anpasseinheiten 11 und 12 und ge- langt zu den Mischerdioden 4 bzw. 5, so dass diese in der gewünschten Weise ausgesteuert werden. Die Anpasseinheiten 11 und 12 haben also auch die Funktion eines Leistungsteilers. Außerdem hat der an der Kombination aus der Anpasseinheit 11 und der Mischerdiode 4 reflektierte Anteil eine Phasenverschiebung von 180° gegenüber dem an der Kombination aus der Anpasseinheit 12 und der Mischerdiode 5 reflektierten Anteil. Die reflektierten Anteile sind also phasengegengleich. Deshalb sind die in Fig. 1 zur Kennzeichnung der Anpasseinheiten 11 und 12 verwendeten Symbole mit einer unterschiedlichen Phasenangabe von 0° bzw. 180° versehen. Dies ist aber lediglich beispielhaft und keineswegs einschränkend zu verstehen.

Ausschlaggebend ist die insgesamt bewirkte relative Phasendifferenz von 180°.

Aufgrund dieses Reflexionsverhaltens mit der genannten gezielten Phasen- beeinflussung wird erreicht, dass der Großteil der Leistung des Abfrage- Hochfrequenzsignals Sl auf dem Sendeweg bei Einspeisung in den ersten Anschluss 7 an den zweiten Anschluss 8 durchgereicht wird. Demgegenüber wird bei konventionellen auf einem 180°-Ringhybrid basierenden Mischeranordnungen stets darauf geachtet, dass zwischen diesen beiden An- Schlüssen eine maximale Isolation besteht.

Das über die Antenne 3 abgestrahlte Abfrage-Hochfrequenzsignal Si l wird zu einem Teil an einem in Fig. 1 nicht näher gezeigten Objekt, beispielsweise an einem anderen Kraftfahrzeug, reflektiert und als Antwort- Hochfrequenzsignal S2 von der Antenne 3 empfangen. Letzteres wird am zweiten Anschluss 8 wieder in den Ringübertragungsweg 6 eingespeist und gelangt von dort in etwa zu gleichen Teilen in die beiden an die dritten Anschlüsse 9 und 10 angeschlossenen Empfangszweige mit den Mischerdioden 4 bzw. 5. Die Kombinationen aus der Anpasseinheit 11 bzw. 12 und der Mischerdiode 4 bzw. 5 stellen jeweils nichtlineare Teilschaltungen mit nicht-reziprokem übertragungsverhalten dar, so dass die vorstehend beschriebene Aufteilung des Antwort-Hochfrequenzsignals S2 resultiert.

An den Mischerdioden 4 und 5 erfolgt eine Mischung des Antwort-Hoch- frequenzsignals S2 mit dem hier gerade ebenfalls anstehenden Anteil des aktuellen Abfrage-Hochfrequenzsignals Sl. Diese beiden zu mischenden Signale haben einen Frequenzunterschied, der von der Laufzeit des Antwort-Hochfrequenzsignals S2 und damit auch vom Abstand und der ReIa- tivgeschwindigkeit des Objekts, an dem die Reflektion erfolgt ist, abhängt.

Aufgrund dieser Mischungen in den beiden jeweils als Abwärts-Mischer arbeitenden Mischerdioden 4 und 5 ergibt sich ein Mischproduktsignal M, das am Anschluss 7 abgegriffen und zur weiteren Bearbeitung und Auswertung der Auswerteeinheit 13 zugeführt wird. Das Mischproduktsignal M hat eine Zwischenfrequenz entsprechend der Differenz zwischen den Frequenzen der beiden jeweils gemischten Signale.

In Fig. 2 und 3 werden weitere Ausführungsbeispiele von Sende-/Emp- fangsvorrichtungen 14 bzw. 15 gezeigt, die Abwandlungen der Sende-/ Empfangsvorrichtung 1 gemäß Fig. 1 sind. Dabei ist die Sende-/Empfangs- vorrichtung 14 für eine differentielle, d. h. symmetrische und die Sende-/ Empfangsvorrichtung 15 wie die Sende-/Empfangsvorrichtung 1 für eine einfache, d. h. unsymmetrische Signalführung ausgelegt.

Bei der Sende-/Empfangsvorrichtung 14 erfolgt der Abgriff von Mischpro- dukteinzelsignalen Ml und M2 an den Ausgängen der Mischerdioden 4 und 5, die hierzu ausgangsseitig an eine Kombinationseinheit 16 angeschlossen sind. Die als geeignetes Netzwerk ausgebildete Kombinationseinheit 16 fasst die Mischprodukteinzelsignale Ml und M2 der Mischerdi- öden 4 bzw. 5 zu einem differentiellen Mischproduktsignal D zusammen, das einer Auswerteeinheit 17 zur weiteren Bearbeitung und Auswertung zugeführt wird. Im Unterschied zur Auswerteeinheit 13, die mit einfacher, d. h. unsymmetrischer Signalführung arbeitet, ist die Auswerteeinheit 17 mit differentieller, d. h. symmetrischer Signalführung ausgebildet.

Die einfache Signalführung wird unter Einsatz der klassischen GaAs- Halbleitertechnologie derzeit auch bei vielen nicht erfmdungsgemäßen Sende-/Empfangsmodulen von Kraftfahrzeug-Radarsystemen verwendet. Vermehrt werden zukünftig jedoch auch Halbleiterkomponenten auf SiGe-

Basis zum Einsatz kommen. Aufgrund der verwendeten bipolaren Transistor-Technik haben derartige SiGe-Halbleiterkomponenten differentielle Leitungssysteme an den Schnittstellen zum Höchstfrequenzbereich. Folglich ist es günstig, entweder die gesamte Sende-/Empfangsarchitektur eben- falls in differentieller Leitungstechnik auszuführen oder Balun(balanced- to-unbalanced)-übergänge zum Anschluss an eine Sende~/Empfangsarchi- tektur mit unsymmetrischer Leitungsstruktur zu verwenden. Insofern können solche Balun-übergänge auch in die Sende-/Empfangsvorrichtungen 1, 14 und 15 an geeigneter Stelle integriert werden. Insbesondere kann außer- dem die Signalquelle 2 in SiGe-Technologie und damit mit einer differen- tiellen Leitungsschnittstelle realisiert sein.

Bei der Sende-/Empfangsvorrichtung 15 gemäß Fig. 3 sind die Mischerdioden 4 und 5 zusätzlich an Spannungsquellen 18 bzw. 19 angeschlossen, mittels derer die Mischerdioden 4 und 5 mit weitgehend beliebig einstellbaren Spannungen Ul bzw. U2 beaufschlagt werden können. Dies dient zum einen der Arbeitspunkteinstellung an den Mischerdioden 4 und 5. Zum anderen lässt sich so eine übertragungsrate des Abfrage-Hochfrequenzsignals Sl vom ersten Anschluss 7 zum zweiten Anschluss 8 gezielt und auch veränderbar einstellen. Auf diese Weise kann das Reflexionsverhalten der Kombinationen aus der Anpasseinheit 11 bzw. 12 und der Mischerdiode 4 bzw. 5 variiert werden. Mittels einer entsprechenden Spannungsbeaufschlagung an den Mischerdioden 4 und 5 kann also auch auf veränderte Betriebsbedingungen, wie z.B. eine geänderte Sendeleistung reagiert wer- den. Ebenso lassen sich so geringfügige Unsymmetrien im Aufbau, wie z.B. toleranzbedingte Abweichungen der Leitungsstrukturen oder Unterschiede zwischen den Mischerdioden 4 und 5, ausgleichen.