Ein modularer Radar-Chipsatz für 77 GHz MIMO Anwendungen

Abstract:
Radarsensoren sind zu einem unverzichtbaren Sensor in modernen Fahrzeugen geworden. Sie warnen nicht nur vor Objekten im toten Winkel, regeln den Abstand zum vorrausfahrenden Fahrzeug oder initiieren Notbremsungen, sondern zukünftig ist das autonome Fahren ohne diese robuste Art der Sensorik undenkbar. In den letzten Jahren haben sich hierfür Sensoren auf Basis von Silizium-Chips nach dem FMCW-Verfahren im 77 GHz Frequenzband etabliert (siehe [1], [2], [3]). In zukünftigen Verkehrssituationen ist davon auszugehen, dass jedes einzelne Auto über mehrere solcher Sensoren verfügt, so dass es im dichten Stadtverkehr zu einer enormen Sensordichte kommt. Aufgrund dieser Sensordichte kann man leicht abschätzen das die Störungen aufgrund von gleichzeitigen FMCW-Rampen zunehmen werden. Gleichzeitig verlangt das autonome Fahren nach einer deutlich erhöhten Verlässlichkeit der Radarmessungen. Im Rahmen dieser Forschungsarbeiten wurde für diesen Zweck ein Transceiver-Chipsatz entworfen, welcher über FMCW hinaus beliebige Radar-Modulationen (z.B. OFDM, Rauschsequenz o.ä.) erlaubt, in dem die breitbandige Generierung und Dekodierung im Basisband ermöglicht werden. Die Schaltungen wurden in Infineon aktueller B11HFC-Technologie realisiert, welche durch die gleichzeitige Integration hoch performanter SiGe-Bipolartransistoren zusammen mit einer 130 nm-CMOS-Technolgie komplexe Radarchips mit besten Eigenschaften ermöglicht. Der Chipsatz besteht zum einen aus einem Synthesizer-Chip (VCO MMIC), welche ein stabiles Referenzsignal auf der halben Frequenz (38 GHz) erzeugt und bereitstellt und zum anderen aus einem Transceiverchip, welcher das Referenzsignal zunächst in der Frequenz verdoppelt und es anschließend einem Sendepfad und/oder Empfangspfad zuführt (siehe Abb 1, vgl. [4]). In der hier präsentierten Version besteht der Transceiverchip aus einem Sender und Empfänger, aber für andere Systempartitionierungen sind auch Chips mit zwei Sendekanälen oder zwei Empfangskanälen möglich. Der Referenzoszillator besteht aus einem voll-integrierten Colpitts-Oszillator (siehe Abb 2, vgl. [5], [6]) und erreicht damit einen breiten Abstimmbereich von über 6 GHz (siehe Abb 5), so dass das volle Radarband von 76 GHz bis 81 GHz sicher abgedeckt wird. Die gemessene Ausgangsleistung des Sendepfades ist mit rund 11 dBm ausreichend groß und hinreichend flach über der Frequenz. Der Chipsatz wurde zusammen mit den planaren Antennen in ein Hochfrequenzmodul aus einem Teflon-Substrat (Rogers 5880) integriert und kann somit zur Evaluation eingesetzt werden.