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Abstrakt in Englisch

The basic concept of frequency modulated continuous-wave secondary radar systems using a switched injection-locked oscillator has been described in literature [1, 2, 3]. In the published work the phase-coherent start-up behavior of switched injection-locked oscillators has been studied. In this work, this behavior is analytically derived and validated with system simulations. It is shown, that a high quality factor of the resonator and a low negative resistance have a positive effect on the phase-coherent start-up. Therefore, design criteria for the optimization in terms of phase regeneration of switched injection-locked oscillators are derived for the first time. The phase-sampling theory is extended to account for noisy injection signals. It is shown, that the phase-coherent output power of switched injection-locked oscillators is substantially independent from the injection signal power at high injection power levels. For low injection power levels the phase-coherent output power decreases linearly with the injected signal power. The transition between those two regions depends on the source impedance of the injection signal source and on the ratio between the resonance frequency and the quality factor of the resonator. A high quality factor increases the sensitivity of switched oscillators with respect to the phase sampling behavior. Based on this theory, a characterization method for switched injection-locked oscillators is derived. In this work, the systematic design of switched injection-locked oscillator based transponders is shown for three different oscillator topologies. The designed transponders were implemented as integrated circuits in a SiGe-BiCMOS technology. The good agreement between simulation and measurement results validates the proposed design methodology. Furthermore, the theoretical predictions for the phase sampling behavior were validated by measurements. The measured input referred noise power of the implemented cross-coupled oscillator version is, with −66.5dBm, significantly better than any reported switched injection-locked oscillator implementation. Moreover, the power consumption of 52 mW is very low. The functionality of the transponder prototypes has been demonstrated in a secondary radar system in different environments. The presented transponder concept exceeds any reported backscatter transponder system with an accuracy of a few centimeter at a coverage range of more than 100 m and a precision in the millimeter range by at least one order of magnitude. In comparison to other frequency modulated continuous-wave secondary radar systems, the most outstanding improvement of the state-of-the-art is a factor of 20 reduction of power consumption.

Abstrakt in Deutsch

Das dieser Arbeit zugrundeliegende Konzept eines frequenzmodulierten Dauerstrich-Sekundärradarsystems mit geschalteten Oszillatoren wurde bereits in der Literatur beschrieben [1, 2, 3]. Die darin beobachtete Phasenkohärenz zwischen einem Injektionssignal und dem Ausgangssignal von geschalteten Oszillatoren wird hier analytisch hergeleitet und durch Systemsimulationen bestätigt. Es wird gezeigt, dass sich eine hohe Güte und eine niedrige Entdämpfung des Resonanzkreises positiv auf die Phasenkohärenz auswirken. Damit werden erstmals Entwurfskriterien für eine gezielte Optimierung von geschalteten Oszillatoren zur Phasenregeneration abgeleitet. Die Theorie der Phasenabtastung wird auf verrauschte Injektionssignale erweitert. Es wird gezeigt, dass die phasenkohärente Ausgangsleistung von geschalteten Oszillatoren für große Injektionsleistungen näherungsweise unabhängig von dieser ist. Für kleine Injektionsleistungen existiert ein linearer Zusammenhang zwischen der phasenkohärenten Ausgangsleistung und der Leistung des Injektionssignals. Die Grenze zwischen diesen beiden linearen Bereichen wird durch die Quellimpedanz der Injektionsquelle sowie dem Verhältnis von Resonanzfrequenz und Güte des Resonanzkreises bestimmt. Eine höhere Güte des Resonanzkreises erhöht die Sensitivität von geschalteten Oszillatoren in Bezug auf die Phasenabtastung. Auf der Grundlage dieser Theorie zur Phasenabtastung verrauschter Signale wird eine Charakterisierungsmethode für geschaltete Oszillatoren abgeleitet, die eine einfache messtechnische Erfassung des beschriebenen Effekts ermöglicht. In der vorliegenden Arbeit wird der systematische Entwurf von geschalteten Oszillatoren für Hochfrequenz-Entfernungsmesssysteme am Beispiel von drei verschiedenen Oszillatortopologien erläutert. Die auf diese Weise dimensionierten optimierten Schaltungen wurden als integrierte Schaltkreise in einer SiGe-BiCMOS Technologie gefertigt. Durch die grundsätzlich gute Übereinstimmung der Simulations- und Messergebnisse wurde die Eignung der dargestellten Entwurfsmethodik verifiziert. Außerdem wurden die theoretischen Vorhersagen zum Phasenabtastverhalten durch die Messungen belegt. Die gemessene eingangsbezogene Rauschleistung weist bei der implementierten Variante des kreuzgekoppelten Oszillators mit −66.5 dBm den besten Wert aller bekannten Transponderrealisierungen auf Basis von geschalteten injektionsgekoppelten Oszillatoren auf. Außerdem ist die Leistungsaufnahme dieser Variante mit 52 mW sehr niedrig. Die Funktionalität der entwickelten Transponderprototypen in einem frequenzmodulierten Dauerstrich-Sekundärradarsystem wurde in verschiedenen Umgebungen demonstriert. Das hier dargestellte Transponderkonzept übertrifft mit einer Ortungsgenauigkeit von wenigen Zentimetern bei einer Reichweite von über 100m und einer Präzision im Millimeterbereich alle bekannten Backscatter-Transpondersysteme um mindestens eine Größenordnung. Im Vergleich zu anderen Dauerstrich- Sekundärradarsystemen ist vor allem die um mehr als den Faktor 20 niedrigere Leistungsaufnahme hervorzuheben.