Details
| Autor: | Tom Drechsel |
| Titel: | Analysis and Design of an Imaging Ultra-Wideband Frequency Modulated Continuous Wave Primary Radar System operating in S, C, X and Ku Band |
| Typ: | Dissertation |
| Fachgebiet: | Elektrotechnik |
| Auflage: | 1 |
| Sprache: | Englisch |
| Erscheinungsdatum: | 25.11.2023 |
| Lieferstatus: | lieferbar |
| Umfang: | 272 Seiten |
| Bindung: | Soft |
| Preis: | 79,00 EUR |
| ISBN: | 9783959470698 |
| Umschlag: | (vorn) |
| Inhaltsverzeichnis: | (pdf) |
Abstrakt in Englisch
Research and development of modern radar systems has recently become the center of attention through the rise of various new applications. This results in more demanding requirements for radar systems such as high frequency agility, high range resolution and high radar range at the same time while generating low-noise radar images with a high amount of details. This multi dimensional optimization problem can be translated to specific research challenges. Accord- ingly, future radar systems require a high system bandwidth, high frequency chirp bandwidth while transmitting a frequency chirp at a low center frequency, high linearity and with low phase noise.
The presented work discusses the research and design process, from a custom signal generator ASIC to the final UWB FMCW imaging primary radar system. This is achieved from the ground up and does not use any previously available radar-specific components.
First, a novel consideration of non-linearities within an UWB FMCW primary radar transceiver is derived. This analysis identifies the critical spurious attenuation components of the down-conversion mixer to avoid ghost targets in the distance spectrum.
The commonly known topology of a cross-coupled LC tank oscillator is im- proved regarding its tuning range capability. Based on this research, a state-of- the-art UWB VCO ASIC achieving a record relative continuous frequency chirp bandwidth at a low center frequency combined with a very low phase noise is presented.
Furthermore, existing tuning range expansion techniques are studied and an innovative tuning range expansion concept is derived. Based on this concept a novel signal generator ASIC is presented, greatly increasing the tuning range of the single oscillator covering a frequency range from 3.1 GHz to 22.5 GHz while maintaining superior frequency chirp bandwidth and phase noise performance. The record figures of merit for both systems, the single VCO ASIC with 215 dB and the expanded signal generator ASIC with 217 dB confirm the validity of the derived concepts.
The signal generator ASIC is then employed in a closed-loop UWB frequency synthesizer. The analysis and design of the required loop filter is emphasized con- sidering the targeted high bandwidth. A UWB receiver and further supporting systems like the transmit power amplifier, digital control system and power supply system are presented. A power supply noise filtering system is adapted and designed for the noise sensitive RF components and its influence on the resulting phase noise is investigated. Finally, a compact and low weight FMCW primary radar is built. The typical EIRP of the designed system is 30.2 dBm and the typical power consumption amounts to 6.7 W while transmitting and receiving. This researched and designed novel imaging UWB FMCW primary radar sys- tem operates in the S, C, X and Ku frequency bands. Guided by the identified research challenges, the presented radar achieves a superior combination of a very high relative system bandwidth of 143 %, a very high relative frequency chirp bandwidth of 79 %, a low center frequency of 10.85 GHz and a low typical phase noise of −105 dBc/Hz at 1 MHz offset. Non-imaging radar measurements show the achieved very high range resolution of 2 cm for distant radar targets. Subsequently, the radar is expanded to an imaging SAR measuring various radar images of complex open field measure- ment scenarios illuminating a downrange of more than 100 m and a crossrange of 50 m. The SAR is further expanded towards a PolSAR system utilizing polarime- try. This system is deployed for a measurement series to monitor the effects of environmental factors on vegetation in a forest. The superior performance enables the radar system to dissolve the existing compromise between a high range resolution and a high radar range. Both desired performance parameters are achieved at the same time without degrading the resulting phase noise and therefore allows low-noise radar images. Furthermore, the presented primary radar offers an extremely high frequency flexibility allowing it to adapt to respective frequency restrictions and to operate as multi band, multi application system. Consequently, the presented concept can replace several narrowband and application specific radar systems with only one single radar front end. This reduces the overall cost, size, complexity and power consumption of future radar systems while enabling new fields of applications.
Abstrakt in Deutsch
Aufgrund zunehmender Anwendungsfelder ist die Forschung und der Entwurf moderner Radarsysteme in den Mittelpunkt der Aufmerksamkeit gerückt. Daraus ergeben sich umfassende Anforderungen an neuartige Radarsysteme wie hohe Frequenzflexibilität, hohe Entfernungsauflösung und eine hohe Radarreichweite bei gleichzeitiger Erzeugung rauscharmer Radarbilder mit hohem Detailgrad. Dieses mehrdimensionale Optimierungsproblem lässt sich in konkrete Forschungsschwerpunkte übersetzen. So benötigen zukünftige Radarsysteme eine hohe Systembandbreite, eine hohe Frequenzrampenbandbreite bei gleichzeitiger übertragung einer Frequenzrampe mit niedriger Mittenfrequenz, einer hohen Linearität und geringem Phasenrauschen.
Die vorgestellte Arbeit beschreibt den Forschungs- und Entwurfsprozess von einem Signalgenerator-ASIC bis hin zu einem fertigen bildgebenden UWB-FMCW-Primärradarsystem. Das System wurde von Grund auf neu entworfen und verwendet keine zuvor verfügbaren radarspezifischen Komponenten. Zunächst wird eine neuartige Untersuchung von Nichtlinearitäten in einem UWB-FMCW-Primärradar Sender-Empfänger vorgestellt. Diese Analyse identifiziert die kritische Nebenwellenunterdrückungen des Mischers, um Geisterziele im Entfernungsspektrum zu unterdrücken.
Die bekannte Topologie eines kreuzgekoppelten LC-Oszillators wird im Hinblick auf seine Abstimmbereichsbandbreite verbessert. Basierend auf dieser Forschung wird ein hochmoderner UWB-VCO-ASIC entworfen, der eine rekordhohe relative Frequenzrampenbandbreite bei einer niedrigen Mittenfrequenz in Kombination mit einem sehr geringen Phasenrauschen erreicht.
Darüber hinaus werden etablierte Techniken zur Erweiterung des Abstimmbereichs untersucht und ein innovatives Konzept zur Erweiterung des Abstimmbereichs abgeleitet. Auf der Grundlage dieses Konzepts wird ein neuartiger Signalgenerator-ASIC vorgestellt, der den Abstimmbereich des Einzeloszillators erheblich vergrößert und einen Frequenzbereich von 3,1 GHz bis 22,5 GHz abdeckt, wobei die hervorragende Frequenzrampenbandbreite und das niedrige Phasenrauschen beibehalten wird. Die figure of merit Rekordwerte für beide Systeme, den VCO-ASIC mit 215 dB und den erweiterten Signalgenerator-ASIC mit 217 dB, bestätigen die Gültigkeit der abgeleiteten Konzepte.
Der Signalgenerator-ASIC wird anschließend in einem UWB-Frequenzsynthesizer mit geschlossenem Regelkreis implementiert. Die Analyse und das Design des erforderlichen Schleifenfilters werden unter Berücksichtigung der angestrebten hohen Bandbreite besonders vertieft. Ein UWB-Empfänger und weitere Systeme wie der Sendeleistungsverstärker, das digitale Steuerungssystem und das Stromversorgungssystem werden vorgestellt. Für die rauschempfindlichen HF-Komponenten wird ein Rauschfiltersystem für die Stromversorgung angepasst sowie entworfen und dessen Einfluss auf das resultierende Phasenrauschen wird untersucht.
Schließlich wird ein kompaktes und leichtes FMCW-Primärradar gebaut. Das typische EIRP des entworfenen Systems beträgt 30,2 dBm und die typische Leistungsaufnahme beträgt 6,7 W beim Senden und Empfangen.
Dieses erforschte und entworfene neuartige bildgebende UWB-FMCW-Primärradarsystem arbeitet in den S, C, X und Ku Frequenzbändern. Geführt von den identifizierten Forschungsschwerpunkten, erreicht das vorgestellte Radar eine ausgezeichnete Kombination mit einer sehr hohen relativen Systembandbreite von 143 %, einer sehr hohen relativen Frequenzrampenbandbreite von 79 %, einer niedrigen Mittenfrequenz von 10,85 GHz und einem niedrigen typischen Phasenrauschen von -105 dBc/Hz bei 1 MHz Offset.
Die nicht-bildgebenden Radarmessungen zeigen die erreichte sehr hohe Entfernungsauflösung von 2 cm für weit entfernte Radarziele. Anschließend wird das Radar zu einem bildgebenden SAR erweitert, das verschiedene Radarbilder von komplexen Messszenarien im offenen Feld mit einer Reichweite von mehr als 100 m und einer Breite von 50 m misst. Das SAR wird weiter zu einem PolSAR-System ausgebaut, das Polarimetrie verwendet. Dieses System wird für eine Messreihe zur überwachung der Auswirkungen von Umweltfaktoren auf die Vegetation in einem Wald eingesetzt.
Die neuartige und herausragende Leistung ermöglicht es dem Radarsystem, den bestehenden Kompromiss zwischen einer hohen Entfernungsauflösung und einer hohen Radarreichweite aufzulösen. Beide gewünschte Leistungsparameter werden gleichzeitig erreicht, ohne das resultierende Phasenrauschen zu verschlechtern und rauscharme Radarbilder beizubehalten.
Darüber hinaus bietet das vorgestellte Primärradar eine extrem hohe Frequenzflexibilität, die es erlaubt, sich den jeweiligen Frequenzbandregulierungen anzupassen und als Multi-Band- und Multi-Applikations-System eingesetzt zu werden. Folglich kann das vorgestellte Konzept mehrere schmalbandige und anwendungsspezifische Radarsysteme mit nur einem einzigen Radar-Frontend ersetzen. Dies reduziert die Gesamtkosten, Größe, Komplexität und den Stromverbrauch zukünftiger Radarsysteme und ermöglicht gleichzeitig neue Anwendungsbereiche.