WO2013050032A1 - Schaltungsanordnung für ein frontend eines fmcw radar-transceivers, fmcw radar-transceiver und verfahren zum betreiben - Google Patents

Schaltungsanordnung für ein frontend eines fmcw radar-transceivers, fmcw radar-transceiver und verfahren zum betreiben Download PDF

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Tao Zhang
Georg Boeck
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Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for a front end of an FMCW radar transceiver, an FMCW radar transceiver and a method for operating.
  • FMCW modulated continuous wave
  • One embodiment relates to the single-time FMCW radar system with timing.
  • Known radar systems with single antenna use in operation the temporal distribution between a transmitting and a receiving mode.
  • a known FMCW system (McGregor et al., Switching System for Single Antenna Operation of an S-band FMCW radar, Proc. Inst. Elect. Eng. Radar, Sonar Navig., 1994, Vol. 141, No. 4, p 241-248) uses a commercially available PIN diode as the switching element, providing high isolation between the transmitter and the receiver.
  • FMCW radar module (Saito et al., An FMCW Radar Module With Frontend Switching Heterodyne Receiver, International Microwave Symposium Digest (MTT-S), 1-5 June 1992, Vol.2, June 1, 1992 , Pages 713-716) is based on a heterodyne receiver.
  • the documents (US 6,720,912, US 6,972,711, US 7,714,772) are concerned with a single antenna implementation of the overlay front end based on the application of the switching element.
  • a transmit / receive switch on the antenna is used to use the single antenna for the transmit and receive modes.
  • the document US 6,720,912 proposes to use an additional transmitting and receiving amplifier stage after the transmitting / receiving switch and to operate them synchronously. This increases the isolation between the transmitter and the receiver.
  • Document US 6,972,711 1 deals with the use of an additional switch and control network for switching the intermediate frequency (IF) as well as the low frequency oscillator signals which are applied to a second mixer.
  • IF intermediate frequency
  • the object of the invention is to provide improved technologies for an FMCW radar transceiver, with which in particular an improved isolation between transmitter and receiver is achieved during operation.
  • the inventive technologies provide for asymmetric isolation of the circuit configurations during transmission and reception.
  • transmitter and receiver are asymmetrically isolated.
  • This asymmetry is formed by the fact that in the switching network of the RF switch, a signal path formed in the transmission circuit configuration, on the one hand, and a signal path formed in the reception circuit configuration, on the other hand, comprise a different number of switching stages.
  • the signal filter device connected to the circuit arrangement of the front end is then connected downstream of an antenna device, via which transmission signals can be emitted and reception signals can be received.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the switching stages are designed as single-stage and / or multi-stage switching stages.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that the switching device has a DC switch, which is actuated to form the received signal path and the Sendesignalwe- ges.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the RF switch and the DC switch are coupled such that both switches switch in time synchronously when switching between the receive circuit configuration and the transmit circuit configuration.
  • the signal filter device is formed with a bandpass filter.
  • the signal path formed in the RF switch in the transmission circuit configuration comprises a transmission signal path and is formed as part of a signal path from the further connection to an amplifier device, and in the reception circuit configuration as part of a signal path from the further connection to a mixer device, which is arranged in a receive signal path.
  • the signal path formed in the transmission circuit configuration in the RF switch is preferably connected directly to a driver amplifier formed in the amplifier device, so that the signals provided by the VCO device are coupled thereto.
  • the signal path formed in the RF switch is preferably connected to a mixer arranged in the signal path of the received signal (receive signal path), so that the signals provided by the VCO device can be used in the mixer to process the received signal.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a FMCW radar transceiver in single antenna design
  • FIG. 2 is a schematic representation of a switching network with an RF switch in asymmetric design and a DC switch
  • Fig. 3 is a schematic representation of the FMCW radar transceiver of FIG. 1 for the transmission mode
  • Fig. 4 is a schematic representation of the FMCW radar transceiver of Fig. 1 in the receive mode.
  • FIG. 1 shows a schematic representation with a block diagram of an FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) radar transceiver with an antenna 1, a bandpass filter (BPF, bandpass filter) 2 applied thereto and a voltage-controlled oscillator (VCO) - "Voltage Controlled Oscillator”) 3.
  • BPF Bandpass filter
  • VCO voltage-controlled oscillator
  • a front end is formed for the FMCW radar transceiver in a single antenna design with the circuit arrangement 4.
  • the FMCW radar transceiver can be operated to transmit signals in a transmission mode via the antenna 1.
  • Signals can be received via the antenna 1 in a reception mode. Switching between timed nt operating modes takes place with the aid of the circuit arrangement 4.
  • the antenna 1 is part of an RF system (RF - "Radio Frequency") which is used to transmit and receive transmit RF and receive RF signals
  • the band pass filter 2 is used as a filter for out of the given signal band
  • the voltage-controlled oscillator 3 is used to generate the required high-frequency signals at a desired output power at the transmission and the reception conditions.
  • the formed front end of the radio frequency capable FMCW radar transceiver includes a transmitter and a receiver subsystem that are utilized in the respective mode for signal handling.
  • a power amplifier 7 (PA, J > ower Amplifier ") and a driver amplifier 8 (DA, J) river Amplifier”) are part of the transmitter subsystem.
  • the power amplifier 7 provides the necessary output power at the bandpass filter 2.
  • the driver amplifier 8 improves the overall gain of the transmitter, compensates for losses along the transmit signal path and drives the power amplifier 7 at the output power for maximum efficiency.
  • a Low Noise Amplifier 9 (LNA), a Mixer 10 ("xer”), and an Intermediate Frequency Amplifier (IF Amp) 11 are part of the receiver subsystem of the formed front end
  • the received radio-frequency signals are amplified by means of the amplifier 9 with minimal noise contribution and converted to the lower frequency IF by means of the mixer 10.
  • the intermediate-frequency amplifier 11 amplifies the IF signals of the mixer 10 and improves the signal quality for further signal processing Switch 12 (DC SW, J ) C Switch ”) and an RF switch 13 (RF SW, JtF Switch”) operate in both transmit and receive modes and are used to switch between modes.
  • Vctrl-Tx and Vctrl-Rx connections are external transmit and receive control ports.
  • Vdd in Fig. 1 denotes the common external power supply of the front end.
  • Vctrl-Tx or Vctrl-Rx are turned on or off, internally providing the power supply Vdd-Rx (hence Vdd-LNA, Vdd-Mix, and Vdd-IFA)
  • Receiver circuit or Vdd-Tx (hence Vdd-DA, Vdd-PA) of the transmitter circuit on or off. This is done by means of the DC switch 12, which is a switching network.
  • the DC switch 12 is synchronized with the RF switch 13, which is implemented as an asymmetrical switching network.
  • Fig. 2 schematically shows the synchronization between DC switch 12 and RF switch 13.
  • Ml and M2 together designate a one-stage switching stage.
  • M3 / M4, M5 / M6 and M7 / M8 each form a single-stage switching stage in the RF switch 13.
  • the RF switch 13 is connected to the drive amplifier 8 in the transmit circuit configuration and to the mixer 10 in the receive circuit configuration.
  • the signal path respectively formed in the switching network of the RF switch 13 comprises a different number of switching stages, which corresponds to an asymmetrical design of the signal paths.
  • DC block capacitors along the RF signal path are considered part of the tuning network of independent transceiver circuits, they are not shown in RF switch 13 in FIG.
  • the asymmetrical switching network implemented RF switch 13 switches the introduction of the signals from the voltage controlled oscillator 3 in the transmission signal path and the reception signal path at two different isolations, which are so far asymmetric.
  • a single stage of the switching network is formed by the elements Ml and M2.
  • the signal path formed in the transmission circuit configuration in the RF switch 13 is formed with three cascaded switching circuits of the switching network including the elements M3 to M8.
  • the RF switch 13 supplies the signals of the voltage-controlled oscillator 3 to the transmitter (ie to the input of the driver amplifier 8) by turning on the transmit control terminal Vctrl-Tx, whereas the receiver circuit part is turned off by the receive control terminal Vctrl - Rx is off.
  • Fig. 3 shows the arrangement of Fig. 1 in the transmission mode in which a transmission reception path is formed. Losses that arise due to the multi-stage switching network along the Sendesignalweges be compensated by means of the driver amplifier 8.
  • the driver amplifier 8 provides the necessary gain and drives the power amplifier 7 at a desired signal level, resulting in the desired output power.
  • the transmission mode is for the signals of the voltage controlled oscillator 3 at the local oscillator (LO) input of the mixer 10, the isolation due to the single-stage switching stages (Ml / M2) of the switching network available. Due to this isolation, the very low level of the signals of the voltage controlled oscillator 3 at the LO input of the mixer 10 keeps the mixer 10 completely inoperative. This also stops the reception mode.
  • Fig. 4 shows the arrangement of Fig. 1 in the receiving mode.
  • the RF switch 13, including the signal path then formed in the RF switch 13, provides the signals of the voltage controlled oscillator 3 to the LO input of the mixer 10, while the driver amplifier 8 and the power amplifier 7 are turned off as part of the transmitter by the transmit control port Vctrl-Tx is off.
  • the receive signal is provided after processing at the end of the receive signal path at the output of IF amplifier 11. Due to the asymmetric RF switching network, the LO input of the mixer 10 achieves lower signal attenuation (due to the single-stage circuit), ensuring the desired LO signal power level at the mixer 10.
  • the proposed technology also improves the LO signal isolation in the transmitter area during reception.
  • a high isolation of the signals of the voltage controlled oscillator 3 at the input of the driver amplifier 8 is achieved by means of the cascaded isolation of the plurality of switching stages along the transmission signal path. This is important for the continuous-wave operation of the voltage-controlled oscillator 3 in the transmission and the reception mode.
  • the synchronized DC switch 12 turns off the power amplifier 7 and the driver amplifier 8 by the transmitter control terminal Vctrl- Tx is switched off. As a result, the signal on the transmitting side is further attenuated. All this leads to a very high isolation of the signals of the voltage controlled oscillator 3 at the transmitter. A stable and interference-free operation of the entire front end is ensured.
  • the input of the amplifier 9 and the output of the power amplifier 7 are adjusted to 50 ⁇ .
  • the input of the amplifier 9 and the power amplifier 7 are directly coupled to the signal terminal 5 (50 ⁇ ) via a single-chip network. Due to the 50Ü, the broadband matching of the input of the amplifier 9 and the output of the power amplifier 7 occurs in the receive mode overall, a deterioration of less than IdB.
  • the amplifier 9 is turned on and the power amplifier 7 is turned off, with the power amplifier 7 still connected to the signal terminal 5.
  • an output power degradation of less than IdB is achieved in the transmit mode in which the power amplifier 7 is turned on and the amplifier 9 is off, but which is still connected to the signal terminal 5.
  • the described circuit arrangement for the front end can be implemented for example by means of CMOS technology.
  • CMOS technology For test purposes, an implementation was made in a 130nm silicon chip.
  • the LO input of the mixer 10 guarantees a reliable mix and hence the receive mode.
  • a high isolation of the transmitter side is achieved at the same time. This is critical to the CW operation of the voltage controlled oscillator 3.
  • the drive amplifier 8 compensates for additional losses of the unbalanced circuit and drives the power amplifier 7 at the desired power level.
  • the DC switch 12 and the RF switch 13 are operated synchronously for switching. Together with the asymmetric isolation of the signals of the voltage controlled oscillator 3, this ensures high isolation for the various terminals of the front end.
  • the low losses of the signals of the voltage controlled oscillator 3 along the receiver (in the receive mode) and the loss compensation along the transmitter (in the transmit mode) by means of the driver amplifier 8 lead to a constant and high power of the front end in operation.
  • the technologies created by the invention can be used in their various embodiments in a wide variety of applications. Examples include applications in the automotive industry as well as any wireless communications, including, for example, wireless industrial positioning or other sensor network positioning systems. In general, the technologies can be used in high frequency FMCW radar transceivers. A single-chip implementation for the single-antenna FMCW radar system provides a compact solution.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für ein Frontend eines FMCW Radar-Transceivers, mit einem Signalanschluss (5), der konfiguriert ist, zum Signalaustausch an eine Signalfiltereinrichtung (2) zu koppeln, einem weiteren Signalanschluss (6), der konfiguriert ist, zum Signalaustausch an eine VCO-Einrichtung (3) zu koppeln, und einer elektronischen Schaltung (4), die mit Hilfe einer von der elektronischen Schaltung umfassten Schalteinrichtung (12, 13) zwischen einer Empfangsschaltungskonfiguration und einer Sendeschaltungskonfiguration umschaltbar ist, wobei die Schalteinrichtung (12, 13) einen RF-Schalter (13) aufweist, bei dem ein in dem RF-Schalter (13) jeweils gebildeter Signalweg in der Empfangsschaltungskonfiguration einerseits und der Sendeschaltungskonfiguration andererseits asymmetrisch ausgeführt ist, indem der Signalweg in der Empfangsschaltungskonfiguration und der Signalweg in der Sendeschaltungskonfiguration eine unterschiedlichen Anzahl von Schaltstufen aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung einen FMCW Radar-Transceiver und ein Verfahren zum Betreiben eines Frontendes.

Description

Schaltungsanordnung für ein Frontend eines FMCW Radar-Transceivers,
FMCW Radar-Transceiver und Verfahren zum Betreiben
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für ein Frontend eines FMCW Radar- Transceivers, einen FMCW Radar-Transceiver und ein Verfahren zum Betreiben.
Hintergrund der Erfindung
Aufgrund der geringeren Anforderungen für die Übertragungsenergie, der geringeren Hard- ware-Komplexität und der größeren Robustheit werden frequenzmodulierte Dauerstrich (FMCW -„Frequency Modulated Continous Wave ") Radarsysteme häufig als kompakte Ausführung für das Frontend des Radarsystems als integrierte Schaltung in Betracht gezogen. Sowohl in der Automobilindustrie als auch in der Telekommunikation werden solche Systeme in großer Zahl eingesetzt.
Eine Ausführungsform betrifft das FMCW-Radarsystem mit Einzelantenne mit Zeitsteuerung. Bekannte Radarsysteme mit Einzelantenne nutzen im Betrieb die zeitliche Aufteilung zwischen einer Sende- und einer Empfangsbetriebsart. Ein bekanntes FMCW-System (McGregor et al, Switching System for single antenna Operation of an S-band FMCW radar, Proc. Inst. Elect. Eng. - Radar, Sonar Navig., 1994, Vol. 141, Nr. 4, Seiten 241-248) nutzt eine kommerziell verfügbare PIN-Diode als Schaltelement, was eine hohe Isolation zwischen dem Sender und dem Empfänger liefert. Ein anderes bekanntes FMCW Radar-Modul (Saito et al., An FMCW Radar Module With Frontend Switching Heterodyne Receiver", International Microwave Symposium digest (MTT-S), 1.-5. Juni 1992, Vol.2, 1. Juni 1992, Seiten 713-716) basiert auf einem Überlagerungsempfänger.
Die Dokumente (US 6,720,912, US 6,972,711, US 7,714,772) beschäftigen sich mit einer Einzelantennenimplementierung des Überlagerungs-Frontendes basierend auf der Anwendung des Schaltelementes. Es wird ein Sende- / Empfangsschalter an der Antenne genutzt, um die Einzelantenne für die Sende- und die Empfangsbetriebsart zu nutzen. Im Dokument US 6,720,912 wird vorgeschlagen, eine zusätzliche Sende- und Empfangsverstärkerstufe nach dem Sende- / Empfangsschalter zu nutzen und diese synchron zu betreiben. Dieses erhöht die Isolation zwischen dem Sender und dem Empfänger. Dokument US 6,972,71 1 beschäftigt sich mit der Nutzung eines zusätzlichen Schalt- und Steuernetzwerks zum Schalten der Zwischenfrequenz (IF -„Intermediate Frequency ") als auch der Niedrigfrequenz-Oszillatorsignale, die auf einen zweiten Mischer gegeben werden.
Im Dokument US 7,714,772 wird eine Erweiterung zu dem Konzept im Dokument US 6,720,912 offenbart, die zusätzliche Verstärkungssteuerblöcke für die Verstärkerstufen vorsieht.
Das Dokument DE 60 305 674 T2 betrifft ein Nahbereichs-Pulskompressionsradarsystem. Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Technologien für einen FMCW Radar-Transceiver anzugeben, mit denen im Betrieb insbesondere eine verbesserte Isolation zwischen Sender und Empfänger erreicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltungsanordnung für ein Frontend eines FMCW Radar-Transceivers nach dem unabhängigen Anspruch 1, einen FMCW Radar- Transceiver nach dem unabhängigen Anspruch 7 sowie ein Verfahren zum Betreiben des Frontendes nach dem unabhängigen Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Er- findung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäßen Technologien sorgen für eine asymmetrische Isolierung der Schaltungskonfigurationen beim Senden und beim Empfangen. Insoweit sind dann Sender und Empfänger asymmetrisch isoliert. Diese Asymmetrie ist gebildet, indem im Schaltnetzwerk des RF-Schalters ein in der Sendeschaltungskonfiguration gebildeter Signalpfad einerseits und ein in der Empfangsschaltungskonfiguration gebildeter Signalpfad andererseits eine unterschiedliche Anzahl von Schaltstufen umfassen. Die mit der Schaltungsanordnung des Frontendes verbundene Signalfiltereinrichtung ist im Einsatz dann einer Antenneneinrichtung nachgeschaltet, über die Sendesignale abgegeben und Empfangssignale empfangen werden können. Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Schaltstufen als einstufige und / oder mehrstufige Schaltstufen ausgeführt sind.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Schalteinrichtung einen DC-Schalter aufweist, der zum Ausbilden des Empfangssignalweges und des Sendesignalwe- ges betätigt wird.
Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass der RF-Schalter und der DC- Schalter gekoppelt sind, derart, dass beide Schalter beim Umschalten zwischen der Empfangsschaltungskonfiguration und der Sendeschaltungskonfiguration zeitlich synchron schal- ten.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Signalfiltereinrichtung mit einem Bandpassfilter gebildet ist. Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der in dem RF-Schalter gebildete Signalweg in der Sendeschaltungskonfiguration von einem Sendesig- nalweg umfasst und als Teil eines Signalpfades vom weiteren Anschluss zu einer Verstärkereinrichtung gebildet ist, und in der Empfangsschaltungskonfiguration als Teil eines Signalpfades vom weiteren Anschluss zu einer Mischereinrichtung gebildet ist, die in einem Emp- fangssignalweg angeordnet ist. Bevorzugt ist der im RF-Schalter der in Sendeschaltungskonfiguration gebildete Signalpfad direkt mit einem in der Verstärkereinrichtung gebildeten Treiberverstärker verbunden, so dass in diesen die von der VCO-Einrichtung bereitgestellten Signale eingekoppelt werden. In der Empfangsschaltungskonfiguration ist der im RF-Schalter gebildet Signalpfad bevorzugt mit einem in dem Signalweg des empfangenen Signals (Emp- fangssignalweg) angeordneten Mischer verbunden, so dass die von der VCO-Einrichtung bereitgestellte Signale im Mischer zur Verarbeitung des empfangenen Signals nutzbar sind. In Verbindung mit den Fortbildungen des Verfahrens zum Betreiben des Frontendes gelten die im Zusammenhang mit zugehörigen Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung vorangehend gemachten Ausführungen entsprechend.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines FMCW Radar-Transceivers in Einzelantennenausführung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Schaltnetwerkes mit einem RF-Schalter in asymmetrischer Ausführung sowie einem DC-Schalter,
Fig. 3 eine schematische Darstellung des FMCW Radar-Transceivers aus Fig. 1 für die Sendebetriebsart und
Fig. 4 eine schematische Darstellung des FMCW Radar-Transceivers aus Fig. 1 in der Empfangsbetriebsart.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung mit einem Blockdiagramm eines FMCW Radar- Transceivers (FMCW -„Frequency Modulated Continous Wave ") mit einer Antenne 1, einem hieran angeschossenen Bandpassfilter (BPF - ,ßand Pass Filter") 2 und einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO -„Voltage Controlled Oscillator") 3. Zwischen dem Bandpassfilter 2 und dem spannungsgesteuerten Oszillator 3 ist eine Schaltungsanordnung 4 gebildet, die über einen Signalanschluss 5 zum Signalaustausch an den Bandpassfilter 2 und über einen weiteren Anschluss 6 zum Signalaustausch an den spannungsgesteuerten Oszillator 3 angeschossenen ist. Mit der Schaltungsanordnung 4 ist ein Frontend für den FMCW Radar- Transceiver in Einzelantennenausführung gebildet. Der FMCW Radar-Transceiver kann zum Senden von Signalen über die Antenne 1 in einer Sendebetriebsart betrieben werden. Über die Antenne 1 können in einer Empfangsbetriebsart Signale empfangen werden. Das Umschalten zwischen den zeitlich getrennt stattfindenden Betriebsarten erfolgt mit Hilfe der Schaltungsanordnung 4. Die Antenne 1 ist Teil eines RF-Systems (RF -„Radio Frequency "), welches zum Senden und Empfangen von Sende-RF- und Empfangs-RF- Signalen genutzt wird. Der Bandpassfilter 2 wird als ein Filter für außerhalb des jeweils gegebenen Signalbandes liegende Signale genutzt, sowohl während des Sendens als auch während des Empfangens. Der spannungsgesteu- erte Oszillator 3 dient zum Erzeugen der benötigten Hochfrequenzsignale bei einer gewünschten Ausgangsleistung bei den Sende- und den Empfangsbedingungen.
Das gebildete Frontend des Hochfrequenz tauglichen FMCW Radar-Transceivers umfasst ein Sender- und ein Empfänger-Teilsystem, die in der jeweiligen Betriebsart genutzt werden zur Signalhandhabung. Ein Leistungsverstärker 7 (PA- ,J>ower Amplifier") und ein Treiberverstärker 8 (DA - ,J)river Amplifier") sind Teil des Sender-Teilsystems. Der Leistungsverstärker 7 liefert die notwendige Ausgangsleistung am Bandpassfilter 2. Der Treiberverstärker 8 verbessert die Gesamtverstärkung des Senders, kompensiert Verluste entlang des Sendesig- nalweges und treibt den Leistungsverstärker 7 bei der Ausgangsleistung für eine maximale Effizienz.
Ein Verstärker niedrigen Rauschens 9 (LNA -„Low Noise Amplifier"), ein Mischer 10 („ - xer") sowie ein Zwischenfrequenzverstärker 11 (IF Amp. -„Intermediate Frequency Amplifier") sind Teil des Empfänger-Teilsystems des gebildeten Frontendes. Während des Emp- fangs werden die empfangenen Hochfrequenzsignale mittels des Verstärkers 9 bei minimalem Rauschbeitrag verstärkt und mittels des Mischers 10 auf die niedrigere Frequenz IF gewandelt. Der Zwischenfrequenzverstärker 11 verstärkt die IF-Signale des Mischers 10 und verbessert die Signalqualität für die weitere Signalverarbeitung. Ein DC-Schalter 12 (DC SW - ,J)C Switch") und ein RF-Schalter 13 (RF SW- ,JtF Switch") arbeiten sowohl in der Sende- als auch in der Empfangsbetriebsart und werden genutzt, um zwischen den Betriebsarten umzuschalten.
Die Anschlüsse Vctrl-Tx und Vctrl-Rx sind externe Sende- und Empfangssteueranschlüsse. Vdd bezeichnet in Fig. 1 die gemeinsame externe Spannungsversorgung des Frontendes. In Abhängigkeit von der Betriebsart sind Vctrl-Tx oder Vctrl-Rx ein- oder ausgeschaltet, was intern die Spannungsversorgung Vdd-Rx (folglich Vdd-LNA, Vdd-Mix, und Vdd-IFA) der Empfängerschaltung oder Vdd-Tx (folglich Vdd-DA, Vdd-PA) der Senderschaltung ein- oder ausschaltet. Dieses wird mithilfe des DC-Schalters 12 ausgeführt, bei dem es sich um ein Schaltnetwerk handelt. Der DC-Schalter 12 ist synchronisiert zum RF-Schalter 13, der als asymmetrisches Schaltnetzwerk ausgeführt ist.
Fig. 2 zeigt schematisch die Synchronisation zwischen DC-Schalter 12 und RF-Schalter 13. In Fig. 2 bezeichnen Ml und M2 zusammen eine einstufige Schaltstufe. Vergleichbar bilden M3 / M4, M5 / M6 sowie M7 / M8 jeweils eine einstufige Schaltstufe im RF-Schalter 13. Je nachdem, ob die Sende- oder die Empfangschaltungskonfiguration vom RF-Schalter 13 ein- genommen wird, befindet sich eine unterschiedliche Anzahl dieser Schaltstufen in dem Signalpfad, der im RF-Schalter 13 selbst gebildet ist. Der RF-Schalter 13 ist in der Sendeschal- tungskonfiguration mit Treiberverstärker 8 und in der Empfangschaltungskonfiguration mit dem Mischer 10 verbunden. In den beiden Schaltungskonfigurationen umfasst der im Schaltnetzwerk des RF-Schalters 13 jeweils gebildete Signalpfad eine unterschiedliche Anzahl der Schaltstufen, was einer asymmetrischen Ausbildung der Signalpfade entspricht.
Weil DC-Block-Kondensatoren entlang des RF-Signalweges als Teil des Abstimmnetzwerkes unabhängiger Transceiver-Schaltungen erachtet werden, sind sie im RF-Schalter 13 in Fig. 2 nicht gezeigt.
Der als asymmetrisches Schaltnetzwerk ausgeführte RF-Schalter 13 schaltet die Einführung der Signale vom spannungsgesteuerten Oszillator 3 in den Sendesignalweg und den Empfangssignalweg bei zwei unterschiedlichen Isolierungen, die insoweit asymmetrisch sind. Gemäß Fig. 2 ist entlang des Signalpfades, welcher in der Empfangsschaltungskonfiguration in dem RF-Schalter 13 gebildet ist, eine einzelne Stufe des Schaltnetzwerkes mittels der Elemente Ml und M2 gebildet. Demgegenüber ist der Signalpfad, welcher in der Sendeschal- tungskonfiguration in dem RF-Schalter 13 gebildet ist, mit drei kaskadierten Schaltstufen des Schaltnetzwerkes gebildet, die die Elemente M3 bis M8 umfassen. Die unterschiedliche Anzahl von Schaltstufen entlang des Signalpfades im RF-Schalter 13 beim Senden und beim Empfangen führen sowohl zu einer asymmetrischen, das heißt unterschiedlichen Isolierung, als auch zu unterschiedlichen (asymmetrischen) Verlustwerten für die Signale des spannungsgesteuerten Oszillators 3 an den Oszillatoreingängen für Sender / Empfänger. Im Folgenden wird auf die Fig. 3 und 4 Bezug genommen.
In der Sendebetriebsart liefert der RF-Schalter 13 die Signale des spannungsgesteuerten Oszillators 3 an den Sender (also an den Eingang des Treiberverstärkers 8), indem der Sende- steueranschluss Vctrl-Tx eingeschaltet wird, wohingegen der Empfängerschaltungsteil ausgeschaltet ist, indem der Empfangssteueranschluss Vctrl -Rx ausgeschaltet ist. Fig. 3 zeigt die Anordnung aus Fig. 1 in der Sendebetriebsart, in welcher ein Sendeempfangsweg gebildet ist. Verluste, die aufgrund des mehrstufigen Schaltnetzwerkes entlang des Sendesignalweges entstehen, werden mittels des Treiberverstärkers 8 kompensiert. Der Treiberverstärker 8 liefert die notwendige Verstärkung und treibt den Leistungsverstärker 7 auf einer gewünschten Signalhöhe, was zu der gewünschten Ausgangsleistung führt. In der Sendebetriebsart steht für die Signale des spannungsgesteuerten Oszillators 3 am Lokaloszillator (LO)-Eingang des Mischers 10 die Isolierung aufgrund der einstufigen Schaltstufen (Ml / M2) des Schaltnetzwerkes zur Verfügung. Aufgrund dieser Isolierung hält der sehr niedrige Pegel der Signale des spannungsgesteuerten Oszillators 3 an dem LO-Eingang des Mischers 10 den Mischer 10 vollständig außer Funktion. Dieses beendet darüber hinaus die Empfangsbetriebsart.
Aufgrund des synchronisierten Schaltens in den aktiven oder passiven Mischerfällen ist das Außerbetriebssetzen des Empfängers mittels eines Signalpegels der Signale des spannungsge- steuerten Oszillators 3 von weniger als -20dBm am LO-Eingang des Mischers 10 sichergestellt. Während der Sendebetriebsart wird aufgrund des Ausschaltens aller Empfängerschaltungselemente mittels des synchronisierten DC-Schalters 12 eine hohe Isolierung sichergestellt, wodurch jegliche ungewünschte Umwandlung des Sendesignals vermieden ist. Fig. 4 zeigt die Anordnung aus Fig. 1 in der Empfangsbetriebsart. Der RF-Schalter 13 liefert unter Einbeziehung des dann im RF-Schalter 13 gebildeten Signalpfades die Signale des spannungsgesteuerten Oszillators 3 an den LO-Eingang des Mischers 10, während der Treiberverstärker 8 und der Leistungsverstärker 7 als Teil des Senders ausgeschaltet sind, indem der Sendesteueranschluss Vctrl-Tx ausgeschaltet ist. Das Empfangsignal wird nach der Ver- arbeitung am Ende des Empfangssignalweges am Ausgang des IF-Verstärkers 1 1 bereitgestellt. Aufgrund des asymmetrischen RF- Schaltnetzwerkes erreicht der LO-Eingang des Mischers 10 eine niedrigere Signaldämpfung (infolge der Einzelstufenschaltung), was den gewünschten LO-Signalleistungspegel am Mischer 10 sichert. Die vorgeschlagene Technologie verbessert auch die LO-Signalisolierung im Senderbereich während des Empfangs. Eine hohe Isolierung der Signale des spannungsgesteuerten Oszillators 3 am Eingang des Treiberverstärkers 8 wird mittels der kaskadierten Isolierung der mehreren Schaltstufen entlang des Sendesignalwegs erreicht. Dieses ist von Bedeutung für den Dauerstrichbetrieb des spannungsgesteuerten Oszillators 3 in der Sende- und der Empfangs- betriebsart. Das große Signal, welches vom spannungsgesteuerten Oszillator 3 nach der hohen Isolierung aufgrund des RF-Schalters 13 erzeugt wird, erreicht den Eingang des Treiberverstärkers 8. Der synchronisierte DC-Schalter 12 schaltet den Leistungsverstärker 7 sowie den Treiberverstärker 8 aus, indem der Sendesteueranschluss Vctrl-Tx ausgeschaltet wird. Folglich wird das Signal auf der Sendeseite weiter gedämpft. All dieses führt zu einer sehr hohen Isolierung der Signale des spannungsgesteuerten Oszillators 3 am Sender. Ein stabiler und interferenzfreier Betrieb des gesamten Frontendes ist sichergestellt.
In einer Ausgestaltung sind der Eingang des Verstärkers 9 und der Ausgang des Leistungsverstärkers 7 auf 50Ω angepasst. Der Eingang des Verstärkers 9 und des Leistungsverstärkers 7 sind direkt an den Signalanschluss 5 (50Ω) gekoppelt über ein Einzelchip-Netzwerk. Aufgrund der 50Ü, der Breitbandanpassung des Eingangs des Verstärkers 9 und des Ausgangs des Leistungsverstärkers 7 tritt in der Empfangsbetriebsart insgesamt eine Verschlechterung von weniger als IdB auf. In der Empfangsbetriebsart sind der Verstärker 9 eingeschaltet und der Leistungsverstärker 7 ausgeschaltet, wobei der Leistungsverstärker 7 immer noch mit dem Signalanschluss 5 verbunden ist. In ähnlicher Weise wird eine Ausgangsleistungsverschlechterung von weniger als IdB in der Sendebetriebsart erreicht, in welcher der Leistungsverstärker 7 eingeschaltet und der Verstärker 9 ausgeschaltet sind, welcher aber immer noch mit dem Signalanschluss 5 verbunden ist. Die beschriebene Schaltungsanordnung für das Frontend kann zum Beispiel mittels CMOS- Technologie umgesetzt werden. Zu Testzwecken erfolgte eine Implementierung in einem 130nm-Siliziumchip. Die vorgesehene Asymmetrie der RF-Schaltung im Empfangssignalweg einerseits und dem Sendesignalweg andererseits führt zu mehreren Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik. Während des Empfangs werden geringer Verluste sichergestellt. Der LO-Eingang des Mischers 10 garantiert eine zuverlässige Mischung und folglich die Empfangsbetriebsart. Wäh- rend der Empfangsbetriebsart ist gleichzeitig eine hohe Isolierung der Senderseite erreicht. Dieses ist kritisch für den Dauerstrichbetrieb des spannungsgesteuerten Oszillators 3. Während der Sendebetriebsart kompensiert der Treiberverstärker 8 zusätzliche Verluste der asymmetrischen Schaltung und treibt den Leistungsverstärker 7 auf dem gewünschten Leistungsniveau.
Der DC-Schalter 12 und der RF-Schalter 13 werden zum Umschalten zeitlich synchron betrieben Zusammen mit der asymmetrischen Isolierung der Signale des spannungsgesteuerten Oszillators 3 sichert dies eine hohe Isolierung für die verschiedenen Anschlüsse des Frontendes. Die geringen Verluste der Signale des spannungsgesteuerten Oszillators 3 entlang des Empfängers (in der Empfangsbetriebsart) und die Verlustkompensation entlang des Senders (in der Sendebetriebsart) mittels des Treiberverstärkers 8 führen zu einer konstanten und hohen Leistung des Frontendes im Betrieb.
Die mit der Erfindung geschaffenen Technologien können in ihren verschiedenen Ausfüh- rungsformen in verschiedensten Anwendungen zum Einsatz kommen. Beispielhaft genannt werden können Anwendungen in der Automobilindustrie sowie beliebige drahtlose Datenübertragungen, wozu zum Beispiel drahtlos arbeitende Positioniersysteme in der industriellen Automatisierung oder andere Sensornetzwerke gehören. Allgemein können die Technologien in Hochfrequenz FMCW Radar-Transceivern verwendet werden. Eine Einzelchipimplemen- tierung für das Einzelantennen- FMCW- Radarsystem bildet eine kompakte Lösung.
Das vorgeschlagene Frontend wurde vorangehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit einem spannungsgesteuerten Oszillator und einem Bandpassfilter beschrieben. Für diese Einrichtungen, die an das Frontend koppeln, können beliebige Ausführungsformen in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Frontend zum Einsatz kommen. Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.

Claims

Ansprüche
Schaltungsanordnung für ein Frontend eines FMCW Radar-Transceivers, mit:
- einem Signalanschluss (5), der konfiguriert ist, zum Signalaustausch an eine Signalfiltereinrichtung (2) zu koppeln,
- einem weiteren Signalanschluss (6), der konfiguriert ist, zum Signalaustausch an eine VCO-Einrichtung (3) zu koppeln, und
- einer elektronischen Schaltung (4), die
- zwischen dem Signalanschluss (5) und dem weiteren Signalanschluss (6) gebildet ist und
- mit Hilfe einer von der elektronischen Schaltung (4) umfassten Schalteinrichtung (12, 13) zwischen einer Empfangsschaltungskonfiguration und einer von der Empfangsschaltungskonfiguration verschiedenen Sendeschaltungskonfiguration umschaltbar ist, derart, dass in der Empfangsschaltungskonfiguration über den Signalanschluss (5) ein empfangenes Signal und in der Sendeschaltungskonfiguration über den weiteren Signalanschluss (6) ein zu sendendes Signal empfangbar und in der elektronischen Schaltung (4) verarbeitbar sind,
wobei die Schalteinrichtung (12, 13) einen RF-Schalter (13) aufweist, bei dem ein in dem RF-Schalter (13) jeweils gebildeter Signalweg in der Empfangsschaltungskonfiguration einerseits und der Sendeschaltungskonfiguration andererseits asymmetrisch ausgeführt ist, indem der Signalweg in der Empfangsschaltungskonfiguration und der Signalweg in der Sendeschaltungskonfiguration eine unterschiedlichen Anzahl von Schaltstufen aufweist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Schaltstufen als einstufige und / oder mehrstufige Schaltstufen ausgeführt sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Schalteinrichtung einen DC-Schalter (12) aufweist, der zum Ausbilden des Empfangssignalweges und des Sendesignalweges betätigt wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der RF- Schalter (13) und der DC-Schalter (12) gekoppelt sind, derart, dass beide Schalter (12, 13) beim Umschalten zwischen der Empfangsschaltungskonfiguration und der Sende- schaltungskonfiguration synchron schalten.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Signalfiltereinrichtung (2) mit einem Bandpassfilter gebildet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der in dem RF-Schalter (13) gebildete Signalweg
- in der Sendeschaltungskonfiguration von einem Sendesignalweg umfasst und als Teil eines Signalpfades vom weiteren Anschluss (6) zu einer Verstärkereinrichtung (7, 8) gebildet ist, und
- in der Empfangsschaltungskonfiguration als Teil eines Signalpfades vom weiteren Anschluss (6) zu einer Mischereinrichtung (10) gebildet ist, die in einem Empfangssignalweg angeordnet ist.
FMCW Radar-Transceiver, mit:
- einer Antenneneinrichtung ( 1 ) ,
- einer Filtereinrichtung (2), die zum Signalaustausch mit der Antenneneinrichtung (1) verbunden ist,
- einem Frontend, das mit einer Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche gebildet ist und zum Signalaustausch mit der Filtereinrichtung (2) verbunden ist, und
- einer VCO-Einrichtung (3), die zum Signalaustausch mit dem Frontend verbunden ist.
Verfahren zum Betreiben eines Frontendes eines FMCW Radar-Transceivers für einen kombinierten Sende- / Empfangsbetrieb, wobei das Frontend mit einer Schaltungsanordnung gebildet ist und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- Verbinden eines Signalanschlusses (5) der Schaltungsanordnung zum Signalaustausch mit einer Signalfiltereinrichtung (2), und
- Verbinden eines weiteren Signalanschluss (6) der Schaltungsanordnung zum Signalaustausch mit einer VCO-Einrichtung (3),
- Umschalten einer elektronischen Schaltung (4), die in der Schaltungsanordnung des Frontendes zwischen dem Signalanschluss (5) und dem weiteren Signalanschluss (6) gebildet ist, mit Hilfe einer von der elektronischen Schaltung (4) umfassten Schalteinrichtung (12, 13) zwischen einer Empfangsschaltungskonfiguration und einer Sende- schaltungskonfiguration, wobei
- das Umschalten mit Hilfe der Schalteinrichtung (12, 13) ausgeführt wird, derart, dass in der Empfangsschaltungskonfiguration über den Signalanschluss (5) ein empfangenes Signal und in der Sendeschaltungskonfiguration über den weiteren Signalanschluss (6) ein zu sendendes Signal empfangbar und in der elektronischen Schaltung (4) verarbeitbar sind, und
- die Schalteinrichtung (12, 13) einen RF-Schalter (13) aufweist, bei dem ein in dem RF-S chalter (13) jeweils gebildeter Signalweg in der Empfangsschaltungskonfiguration einerseits und der Sendeschaltungskonfiguration andererseits asymmetrisch ausgeführt ist, indem der Signalweg in der Empfangsschaltungskonfiguration und der Signalweg in der Sendeschaltungskonfiguration eine unterschiedlichen Anzahl von Schaltstufen aufweist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass beim Umschalten zwischen der Empfangsschaltungskonfiguration und der Sendeschaltungskonfiguration ein DC-Schalter (12) betätigt wird, der in der Schalteinrichtung gebildet ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch g ek e nnz e i c hn et, dass beim Umschalten zwischen der Empfangsschaltungskonfiguration und der Sendeschaltungskonfiguration der RF-Schalter (13) und der DC-Schalter (12) zeitlich synchron geschaltet werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem RF-Schalter gebildete Signalweg
- in der Sendeschaltungskonfiguration von einem Sendesignalweg umfasst und als Teil eines Signalpfades vom weiteren Anschluss (6) zu einer Verstärkereinrichtung (7, 8) gebildet wird, und
- in der Empfangsschaltungskonfiguration als Teil eines Signalpfades vom weiteren Anschluss (6) zu einer Mischereinrichtung (10) gebildet wird, die in einem Empfangssignalweg angeordnet ist.
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