Low-Cost Sampling Down Converter für UWB-Sensor Anwendungen

Transkript

1 JOHANNES KEPLER UNIVERSITY LINZ Research and teaching network Low-Cost Sampling Down Converter für UWB-Sensor Anwendungen Alexander Reisenzahn Rudolf Cihal Sebastian Hantscher Christian G. Diskus

2 Outline Motivation Sequentielles Abtasten Sampling Down Converter mit Sampling Phase Detector Diskret aufgebaute Sampling Down Converter Zusammenfassung und Ausblick

3 Motivation Vielseitige Anwendbarkeit von Low Cost UWB Radar Sensoren: Abstandsmessung, Detektion von Einschlüssen in Wänden, Erkennung von Fahrbahnschäden Kommerziell nicht erhältlich Suche nach Lösungen unter Verwendung von Standardbauteilen; kein Biasing von Bauteilen mit variierenden Parametern

4 Sequentielle Abtastung Zielinformation befindet sich in Form des reflektierten Pulses Einhaltung des Nyquist Kriteriums f Sample 2 f max = GHz = 21.2 GHz Direkte A/D Wandlung ist nicht möglich! Sequentielle Abtastung

5 Sequentielle Abtastung amplitude t Sample t PL t PR time Nyquist Kriterium t Shift = t Sample t PR 1 2 f max = 1 = 47.2 ps GHz

6 Sampling Down Converter mit Sampling Phase Detector R 3 C 1 SPD R 5 LO-IN + - Q Q L I Bias1 I Bias2 RF-IN C 3 R OUT R 6 R 1 R 2 R 4 C 2

7 Sampling Phase Detector IF-OUT LO-IN SPD RF-IN Step Recovery Diode generiert Sprung Funktionen Kapazitäten differenzieren die Sprungfunktionen zu Pulsen und wirken als Filter für niederfrequente Signalanteile Schottky Dioden werden durch Pulse eingeschaltet

8 Sampling Phase Detector Metelics MSPD2018 Step Recovery Diode: C J = 0.35 pf T L = 5 ns T T = 55 ps Schottky Dioden f max = 22 GHz V f = 350 mv Kapazitäten C = 0.5 pf

9 Down Converter Bandbreite Bandbreite ist abhängig von der Abtastpulsdauer: 350 f max = GHz t in ps Pulsdauer entspricht ungefähr der Transit Zeit der SRD t T 55 ps f max 6,4 GHz

10 Messungen Sampling Down Converter mit SPD, Ausgangssignal Pulsdauer Eingangspuls 150 ps Amplitude Eingangspuls 200 mv Prototyp, Sampling Down Converter mit SPD Rogers Duroid RT6010, 1,64mm

11 Messungen Sampling Down Converter mit SPD, Conversion gain 3 db Grenzfrequenz 6.4 GHz Glatter Frequenzgang Sampling Down Converter mit SPD, 1-dB Kompressionspunkt 1 db Kompressionspunkt 5 dbm Dynamik Bereich > 35 db

12 Versuchsmessung mit einem UWB Radar Sensor mit SPD Down Converter TX Antenne PC USB Controller Transistor Puls Generator Ziel Direct Digital Synthesizer Verst. Down Converter LNA ADC RX Antenne Radar Sensor Prototyp Messanordnung

13 Versuchsmessung mit einem UWB Radar Sensor mit SPD Down Converter Messung an einer schräg stehenden Metallplatte 35cm x 35 cm Darstellung der Wellenfront und Kontur mittels IBST Messung an einem Metallzylinder Durchmesser 30 cm Darstellung der Wellenfront und Kontur mittels IBST

14 Diskret aufgebaute Sampling Down Converter +3.3V +3.3V R 1 IF-Out D PR Q C 1 Stub Balun RF-In CLK In CLK CLR Q

15 Abtastpuls-Generierung mit D-Latch und Bipolartransistor +3.3V +3.3V TTL-Ausgangssignal treibt Transistor in Sättigung D PR Q R 1 C 1 Stub Pulse Out Step Recovery Effekt bewirkt steile ansteigende Flanke CLK In CLK CLR Q Differenzieren zu Puls mittels kurzgeschlossenem Stub Pulsgenerator Schaltung Elimination der negativen Anteile durch Schottky Diode

16 Abtastpuls-Generierung mit D-Latch und Bipolartransistor Ausgangspuls Pulsdauer 120 ps Amplitude 0,55 V Trasistor Pulsgenerator Prototyp Rogers Duroid RT6010, 1,64mm

17 Streifenleiter Balun Eingeschränkte Breitbandigkeit Auslegung auf Mittenfrequenz 3 GHz Simulationsergebnis Messung, Einganspulsdauer 200 ps, Amplitude 2 V

18 SMD Balun CHM1608U-F2R4BD Multlayer Chip Balun von Toko 1,6 mm x 0,8 mm x 0,8 mm Gehäuse Untere Grenzfrequenz 2,4 GHz, obere Grenzfrequenz 2,5 GHz Keine wesentliche zeitliche Streckung des Signals Messung, Einganspulsdauer 150 ps, Amplitude 2 V

19 Prototyp mit Streifenleiter Balun Abtastpulsgenerierung mit Transistor Pulsgenerator Schottky Dioden: Metelics MSS40-148B10B Einzeldioden, Flussspannung 350 mv bis 450 mv Prototyp, Sampling Down Converter mit Streifenleiter Balun Rogers Duroid RT6010, 1,64mm Detail, Sampling Dioden

20 Messungen Sampling Down Converter mit Streifenleiter Balun, RF-Eingangssignal Pulsdauer 200 ps Amplitude 230 mv Sampling Down Converter mit Streifenleiter Balun, Ausgangssignal

21 Messungen 1 db Kompressionspunkt -28 dbm Noch keine Sättigung, jedoch Nichtlinearität Dynamik Bereich 24 db Sampling Down Converter mit Streifenleiter Balun, 1-dB Kompressionspunkt

22 Prototyp mit SMD Balun Abtastpulsgenerierung mit Transistor Pulsgenerator Schottky Dioden: Metelics MSS40-248B20, Series T, Flussspannung 350 mv bis 450 mv Prototyp, Sampling Down Converter mit SMD Balun Rogers Duroid RT6010, 1,64mm Detail, Sampling Dioden

23 Messungen Sampling Down Converter mit SMD Balun, Eingangssignal Sampling Down Converter mit SMD Balun, Ausgangssignal Pulsdauer 200 ps Amplitude 175 mv

24 Messungen Sampling Down Converter mit SMD Balun, 1-dB Kompressionspunkt 1 db Kompressionspunkt 1 dbm Dynamik Bereich > 34 db Sampling Down Converter mit SMD Balun. Conversion Gain 3 db Grenzfrequenz 4,6 GHz Resonanz bei 5,7 GHz

25 Zusammenfassung und Ausblick Low-cost Down Converter aus Standardbauteilen Bandbreiten zwischen 4,6 GHz und 6,4 GHz Dynamikbereiche zwischen 24 db und >34 db, ohne Mittelung Erhöhung der Bandbreite und des Dynamikbereichs durch Biasing, jedoch komplexerer Aufbau Verwendung von FR4 Leiterplattenmaterial

26 Danke für Ihre Aufmerksamkeit!