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Abstrakt in Englisch

This work presents a distance measurement system for the localization of passengers in the sea in case of a ship sinking emergency. By applying the radar principle together with a switched injection-locked oscillator (SILO) as an active reflector the distance to a passenger can be determined through continuous measurement of the roundtrip time of flight of a chirp signal. The system is based on a concept previously published in [Wie03, VG08, Str14] and for the first time is designed in the 2,45 GHz ISM frequency band. Criteria for the design of SILOs formulated in [Str14] were applied and verified for the first time at an operating frequency of 2,45 GHz. The designed circuits were manufactured in a SiGe BiCMOS technology. The SILOs are based on a commonbase Colpitts and cross-coupled topology and exhibit the lowest published input referred noise power of −79 dBm. The output power is 12,3 dBm and 12,6 dBm, respectively. The efficiency of the cross-coupled as well as Common-Base Colpitts SILO is 26 %. The theory of a SILO was extended towards the influence of interfering signals and the modulation signal. An interfering signal influences the starting behavior of a SILO in a way that a distance measurement leads to incorrect results. It was shown that interfering signals in the ISM frequency bands of 868 MHz, 2,4 GHz and 5,8 GHz don’t allow correct distance measurements due to their high output power. Therefore, it is recommended to use an operating frequency of the SILO that is not close to any possible interfering signal, like the ISM band at 24 GHz. This minimizes measurement errors and enables a more accurate distance measurement. Furthermore, it was shown that a phase coherent start of oscillation to any received signal is influenced by the modulation signal. For injection powers below −40 dBm the oscillator does not start its oscillation due to the injected signal, but to the modulation signal itself. This disables exact distance measurements. Through the use of a modulation capacitor at the base of the tail current source this effect can be minimized and the input referred noise power of the oscillator can be improved. The functionality of the distance measurement system was also verified for both SILO topologies. The range of the system in the best case scenario with a Common-Base Colpitts SILO was 120 m, at an accuracy of 53 cm and a precision of 42 cm. All results regarding accuracy and precision exceed the specification of the system.

Abstrakt in Deutsch

Im Rahmen dieser Arbeit wurde als Teil des von der Europäischen Union geförderten Forschungsprojektes Lynceus ein Entfernungsmesssystem zur Ortung von Passagieren im Falles eines Schiffsunglücks auf hoher See entwickelt. Durch Verwendung des Radarprinzips mit einem geschalteten Oszillator als preiswertem aktiven Reflektor wird mit kontinuierlicher Messung der Paketumlaufzeit die Distanz zu dem Passagier bestimmt. Das dem entworfenen System zugrundeliegende Konzept wurde bereits in der Literatur durch [Wie03, VG08, Str14] beschrieben und wird in dieser Arbeit erstmals in dem 2,45 GHz-Frequenzband realisiert. Die in [Str14] vorgestellten Entwurfskriterien für geschaltete Oszillatoren wurden bei einer Betriebsfrequenz von 2,45 GHz angewandt und verifiziert. Die entworfenen Schaltungen wurden in einer SiGe-BiCMOS-Technologie gefertigt. Dabei wurde die niedrigste bisher veröffentlichte eingangsbezogene Rauschleistung von −79 dBm für einen geschalteten Oszillator basierend auf der Topologie des Common-Base Colpitts sowie kreuzgekoppelten Oszillators mit einer Ausgangsleistung von 12,3 dBm bzw. 12,6 dBm gemessen. Die Effizienz betrug sowohl für den kreuzgekoppelten SILO als auch für den Common-Base Colpitts-SILO 26 %. Die Theorie des geschalteten Oszillators wurde hinsichtlich des Einflusses von Störsignalen und dem Modulationssignal erweitert. Ein Störsignal beeinflusst das Anschwingverhalten des geschalteten Oszillators derart, dass eine Distanzmessung fehlerhaft ist. Es wurde gezeigt, dass Störsignale im Bereich von 868 MHz, 2,4 GHz und 5,8 GHz aufgrund der hohen Signalleistung keine fehlerfreie Distanzmessung ermöglichen. Es wird daher empfohlen eine Betriebsfrequenz nicht in unmittelbarer Nähe von Störsignalen, wie beispielsweise das 24 GHz-Frequenzband, zu wählen, um den Messfehler zu minimieren und eine genaue Distanzmessung zu ermöglichen. Weiterhin wurde gezeigt, dass ein phasenkohärentes Anschwingen auf ein empfangenes Injektionssignal durch das Modulationssignal beeinflusst wird. Dabei erfolgt bei geringen Injektionsleistungen kein Anschwingen des Oszillators auf das injizierte Signal, sondern auf das Modulationssignal selbst, wodurch eine genaue Distanzmessung nicht möglich ist. Durch geeignete Beschaltung des Fußpunktstromspiegels mit einer Modulationskapazität wird dieser Effekt verhindert und auch die eingangsbezogene Rauschleistung des geschalteten Oszillators verbessert. Die Funktionalität des Distanzmesssystems wurde sowohl für den kreuzgekoppelten als auch den Common-Base Colpitts-SILO verifiziert. Die Reichweite des Systems beträgt im besten Fall für einen geschalteten Oszillator basierend auf der Common-Base Colpitts-Topologie 120 m, bei einer Genauigkeit von 53 cm sowie einer Präzision von 42 cm. Die Ergebnisse hinsichtlich Genauigkeit und Präzision übertreffen die Spezifikation des Projektes demnach bei weitem.