Schriftenreihe des Instituts für Mikrowellentechnik

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Flexible Wellenleitermesssonde für MMIC-basierte Radarsysteme bis 300 GHz Die hohe Auflösung, der sehr kompakte Aufbau und die kostengünstige Herstellung von Radarsystemen im oberen Millimeterwellenbereich zwischen 150 GHz und 300 GHz erweiteren das bekannte Anwendungsspektrum von Radarsensoren enorm. Zusätzliche Komponenten wie sperrige Linsen und Gehäuse zum Schutz bei rauen Umgebungsbedingungen beschränken allerdings die Einsatzmöglichkeiten. In dieser Arbeit wird daher ein Radarsystem mit Messsonde basierend auf einem flexiblen dielektrischen Wellenleiter vorgestellt, das beinahe unabhängig von räumlichen Anforderungen und ohne aufwendiges Gehäuse eingesetzt werden kann. Hierbei werden die einzelnen passiven Komponenten ausführlich betrachtet und ihre Auswirkungen auf die gewonnen Radarinformationen analysiert sowie Kompensationsmöglichkeiten für Nichtidealitäten präsentiert. Im Nahbereich unter 50 cm ergibt sich für die Messsonde selbst bei Wellenleitern von bis zu 4 m Länge eine höhere Empfangsleistung als für ein herkömmliches Radar. Durch die geringen Verluste und die hohe mechanische Flexibilität ergeben sich somit völlig neue Anwendungsgebiete für Radarsysteme, wie anhand von Beispielen verdeutlicht wird.
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Signalverarbeitungskonzepte zur Minendetektion mittels drohnengestütztem Ground Penetrating Synthetic Aperture Radar Die humanitäre Minenräumung ist langsam, teuer und gefährlich. Das am häufigsten eingesetzte technische Hilfsmittel ist ein Metalldetektor, der in unmittelbarer Nähe der Mine eingesetzt werden muss. Ziel dieser Arbeit war die Erforschung und Entwicklung der Signalverarbeitungskette für ein Ground Penetrating Synthetic Aperture Radar, das an einer autonom fliegenden Plattform befestigt und zur gefahrlosen Detektion von Stolperdrähten, vergrabenen Antipersonenminen und anderer Sprengkörper eingesetzt werden kann. Das entwickelte Messsystem besteht aus einem Hexacopter, einem 2x2-Radar, das im Frequenzbereich 1GHz–4GHz arbeitet, und einer hochgenauen Lokalisierungseinheit. Für die Detektion von Stolperdrähten wird in dieser Arbeit eine lineare Bewegung mit dem seitlich zur Flugrichtung ausgerichteten Radar genutzt, um einen hohen Flächendurchsatz zu erzielen. Neben dem Einfluss des Einfallswinkels der elektromagnetischen Welle wurde auch der Einfluss der Drahtlänge und Vegetation messtechnisch untersucht. Diese Ergebnisse bildeten den Ausgangspunkt für die Entwicklung eines Algorithmus auf Basis einer modifizierter Radon-Transformation, der zur automatischen Detektion von Stolperdrähten angewandt werden kann. Zur Erhöhung der Detektionswahrscheinlichkeit vergrabener Objekte wird die Flexibilität der Drohne ausgenutzt, beliebige Trajektorien abfliegen zu können. Durch kreisförmige Überflüge in unterschiedlichen Höhen wird die Winkeldiversität und anschließend durch die kohärente Überlagerung der Daten das Signal-zu-Clutter-Verhältnis erhöht, sodass vergrabene Landminen als auch Bestandteile von improvisierten Sprengkörpern detektiert werden können. Die ersten Messergebnisse verifizieren den Systemansatz und demonstrieren, dass Sprengkörper und deren Bestandteile auf und unter der Erdoberfläche detektiert und zentimetergenau lokalisiert werden können.
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MIMO radar networks with incoherent sensor nodes Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) radars constitute a proven approach to realize cost-efficient high-precision environment sensing solutions. Its vari- ant with widely distributed antennas benefits from spatial diversity, offering a large field of view and avoiding ghost targets. Until recently, operation of such a MIMO radar required the distribution of a common high-frequency car- rier signal or other elaborate synchronization solutions. This work introduces a system concept and prototypical realization of an incoherent MIMO radar network based on integrated radar sensors without wired high-frequency links. The network simultaneously performs monostatic and bistatic measurements between all pairs of sensor nodes, using independently generated Frequency- Modulated Continuous-Wave (FMCW)-modulated transmit signals with fixed frequency offsets. In addition to optimum parametrization of the network, the complete signal processing chain for the operation of this network is presented. First, co- herency is established by estimating the unknown time, frequency, and phase offsets, yielding high-precision range and speed measurements. Subsequently, these estimates are used to distinguish the contour of targets or estimate their position using multilateration algorithms. The latter include bistatic measure- ments of both range and speed, which is shown to improve the precision of target position estimates by a factor of 10 with the used system parameters. The performance limits of this approach considering random and systematic nonidealities are determined by deducing them from fundamental stochastic processes. They are verified with a newly introduced computationally efficient simulation which regards the correlation in the stochastic processes. This re- veals strict requirements for the purity of the independently synthesized signals to allow bistatic measurements. The prototypical realization of the network with three sensor nodes using integrated radar transceivers operating at 122GHz proves the feasibility of the approach. With chirp sequences of 30 ramps of 1ms length and 1GHz bandwidth, unambiguous range precisions of < 1mm are achieved using a small metal panel at 1m distance. The reconstructed phases exhibit a precision of < 0.1rad, allowing ambiguous range precisions of < 10µm and speed precisions of < 1mm/s. The attainable high precision and comparatively low realization effort make the proposed network approach a favorable design for a wide range of applications.
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Multilayer antenna design for automotive radar at 77 GHz Radar sensors are an integral part of driver assistance systems. The performance of modern automotive radar sensors can be improved by incorporating multilayer wideband antennas in these systems. In this thesis, such wideband multilayer antenna array concepts for automotive radar sensors operating in the frequency range 76--81 GHz are investigated. The first two concepts investigated are based on a conventional multilayer PCB. A variable width grid array antenna is used for both designs, with the feed network being the difference between both concepts. For the first design, a two substrate layer PCB is used. The second design employs a three substrate layer PCB. A novel hybrid approach to design multilayer antennas is then introduced. Multilayer antennas are designed using single layer PCB and multilayer thin films attached to the PCB. The single layer PCB houses the complete feed network, whereas the radiating elements are realized on multilayer thin films. Two antenna concepts are presented as examples of this approach. The first is an aperture coupled stacked patch (ACSP) antenna array fed by a grounded coplanar waveguide (GCPW) feed network. A novel compact power divider is included in the feed network to reduce inter-element distance. The second concept is based on a novel antenna element, namely the stacked grid antenna (SGA). Feed networks with three different transmission line types are realized, namely the SIW, GCPW and MS, to create antenna arrays with the SGA to show the flexibility of antenna design. A comparison between the multilayer PCB approach and the hybrid thin film approach is then performed, using the investigated designs as the basis. The comparison shows that both approaches have their benefits. In terms of aperture efficiency, multilayer PCB antennas can achieve better results due to a completely buried feed network. However, it is shown that the hybrid thin film approach achieves similar wideband antenna performance as the conventional multilayer PCB approach, with added benefits of simple design, low cost manufacturing and increased robustness.
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Optimierte Signalverarbeitung für Chirp-Sequence-modulierte Kfz-Radarsensoren Immer komplexere und leistungsfähigere Fahrerassistenzsysteme in Fahrzeugen sind auf eine möglichst genaue Erfassung der Umgebung angewiesen. Eine wichtige Sensorklasse stellen dabei die Radarsensoren dar, da diese durch den Dopplereffekt direkt die radiale Geschwindigkeit von Zielobjekten erfassen können. Zukünftige Radare müssen über eine immer bessere Auflösung für die Bestimmung der Entfernungen, der Geschwindigkeiten und der Winkel, unter der Ziele erfasst werden, verfügen. Dies ermöglicht eine Klassifikation von Zielobjekten, beispielsweise die Unterscheidung zwischen Fußgängern und Fahrzeugen. Diese Arbeit stellt optimierte Ansätze der Signalverarbeitung vor, um unter anderem die Geschwindigkeitsauflösung durch eine geschickte Messauswertung zu verbessern, ohne die Messdauer zu verlängern. Weiterhin werden zwei Verfahren betrachtet und verglichen, die den Eindeutigkeitsbereich der Geschwindigkeit bei der Verwendung mehrerer Sendeantennen vergrößern. Eine verbesserte Winkelauflösung wird durch eine gezielte Unterabtastung und anschließende Rekonstruktion erreicht, sodass in der gleichen Entfernung und Geschwindigkeit unterschiedlich starke Ziele getrennt werden können. Zum Schluss werden zwei verschiedene Ansätze zur Unterabtastung in allen Messdimensionen und der anschließenden Rekonstruktion verglichen.
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Antenna array design solutions for millimeter-wave vehicle-integrated automotive radars Radar sensors are crucial components of advanced driver assistance systems. In order to cope with the future requirements of highly automated and autonomous driving, today’s automotive radar sensors performance needs to be improved. This dissertation addresses the design and development of robust mm-wave antenna systems suitable for automotive radar applications. This study presents a microstrip antenna array with wideband and stable radiation performance. It proposes also an optimization strategy for finding the position of transmitting and receiving antennas in a MIMO radar while taking the angular resolution requirements into consideration. Finally, it analyzes the problem of the integration of the radar sensor in the vehicle and introduces the use of low-RCS antenna arrays to mitigate the multiple reflections between the bumper of the car and the radar sensor, when the latter is hidden integrated in the vehicle. Some low-RCS antenna designs are proposed and discussed.
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Koppelmatrixbasierte Verfahren für Entwurf und Abstimmung verlustbehafteter Filter Das Koppelmatrix-Modell ist ein häufig verwendetes Werkzeug zur Optimierung und Analyse von Filterstrukturen. Diese Dissertation zeigt einen neuen Weg für eine häufig auftretende Aufgabe bei der Verwendung dieses Modells auf: Der Umformung der Koppelmatrix von einer gegebenen Starttopologie in eine frei wählbare Zieltopologie. Die Eigenschaften des zugrunde liegenden inversen Eigenwertproblems werden dabei ausgenutzt um mit geringem durchschnittlichem Zeitaufwand eine Lösung zu finden. Basierend auf diesem Algorithmus wird ein Verfahren vorgestellt, mit dessen Hilfe aus gemessenen Streuparametern eines Filters Rückschlüsse auf dessen Koppelstruktur möglich sind. Die Anwendung dieses Verfahrens wird im Kontext verschiedener praktischer Aufgabenstellungen des Entwurfs und der Analyse von Filtern demonstriert.
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Measurement Techniques for Highly Integrated mm-Wave Antennas Integrated antennas are a crucial component in the development of high-performance, fully-integrated transceiver chips. However, due to the small size of integrated antennas and their complicated contacting fixtures, existing measurement setups cannot be used for their characterization. Therefore, new approaches must be investigated to obtain reliable and accurate measurement results and thus to make optimized on-chip antenna designs possible. This work addresses the challenges of measuring integrated antennas at mm-wave frequencies. It introduces a robotic measurement setup to accurately determine the radiation properties of on-chip antennas and quantifies the achievable measurement accuracy through an in-depth uncertainty analysis. The study also analyzes post-processing techniques to mitigate severe distortions that occur in the measurement environment.
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Breitbandige hochintegrierte FMCW-Radare bei 160 GHz für industrielle Anwendungen Viele Anwendungen im industriellen Umfeld können durch kostengünstige Radarsensoren, die in Silizium-Germanium hochintegriert sind, erschlossen werden. Ausgehend von den typischen Anforderungen und Randbedingungen wird ein Systemdesign vorgestellt, mit dem ein möglichst leistungsstarker Radarsensor erreicht werden kann. Dabei werden die Erzeugung eines geringen Phasenrauschens bei der Betriebsfrequenz und der systematische Vergleich eines monostatischen und eines bistatischen Radarchips diskutiert. Durch die Integration der Antennen auf den Radarchip ist das gesamte Millimeterwellen-Frontend auf einem MMIC realisiert. Die Chip-integrierten Antennen werden innerhalb der Aufbau- und Verbindungstechnik umfassend erläutert. Als kostengünstige Häusungstechnologie werden QFN-Gehäuse betrachtet. Sowohl für offene als auch teilvergossene QFN-Gehäuse werden einfach umsetzbare Gehäuseanpassungen vorgestellt, die eine sinnvolle Verwendung über 100 GHz ermöglichen. Abschließend wird der modulare Radardemonstrator vorgestellt und u. a. in Feldtests in einer industriellen Tankanlage charakterisiert.
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Eigenschaften und Unterdrückung von Interferenzen zwischen Kfz-Radarsensoren Zur Erfassung von Personen und Objekten im Umfeld von Kraftfahrzeugen werden unter anderem Radarsensoren eingesetzt. Um die Sensoranforderungen für automatisierte und autonome Fahraufgaben zu erfüllen, werden an einzelnen Fahrzeugen mehrere Radare benötigt. Eine starke Verbreitung der Radare führt zur Entstehung von Interferenzen, die die Sensorleistung einschränken. In dieser Arbeit werden Gegenmaßnahmen beim Auftreten von Interferenzen beschrieben und bewertet, um eine Funktionalität der Sensoren zu gewährleisten.