Fully Integrated Ultra-Wideband Receiver and Transmitter Front-Ends for Frequency Modulated Continuous Wave Multiple Input Multiple Output Imaging Radars

Mantas Sakalas

AutorIn

Mantas Sakalas

Titel

Fully Integrated Ultra-Wideband Receiver and Transmitter Front-Ends for Frequency Modulated Continuous Wave Multiple Input Multiple Output Imaging Radars

Zitierfähige Url:

https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-952344

Erstveröffentlichung

2025

Datum der Einreichung

31.01.2024

Datum der Verteidigung

01.10.2024

Abstract (DE)

Diese Arbeit stellt eine Untersuchung und experimentelle Analyse von Empfänger- (RX) und Sender- (TX) Frontends vor, die die Herausforderungen des MIMO-Radars in Kombination mit einer extremen Bandbreite von 4 GHz bis 40 GHz angehen. Diese Bandbreite wurde gewählt, um die Machbarkeit der Implementierung eines hochgradig rekonfigurierbaren MIMO-Abbildungsradarsystems zu untersuchen. Die RX- und TX-Frontends wurden so untersucht, dass sie in einem frequenzmodulierten Dauerstrichmodus (FMCW) arbeiten, so dass die vorgesehene Radaranwendung Objekte im Nahbereich genau messen kann. Es wurden neuartige Komponententopologien und Implementierungstechniken eingesetzt, um die Machbarkeit einer ultrabreiten Bandbreite in Kombination mit einer hohen Eingangsleistungsfestigkeit, einem hohen Dynamikbereich und einem hohen Integrationsgrad zu untersuchen. Die experimentelle Analyse der hergestellten IC-Komponenten hat gezeigt, dass eine extreme Bandbreite, die nicht nur 4 GHz bis 40 GHz erreicht, sondern übersteigt, in Kombination mit einem hohen Dynamikbereich, einem hohen Integrationsgrad und anderen für das MIMO-Radar relevanten Leistungen mit der Silizium-Germanium-Technologie (SiGe) nach dem Stand der Technik (SotA) erreicht werden kann. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass mit speziellen IC-Topologien eine hohe Eingangsleistungsfestigkeit des RX-Frontends erreicht werden kann. Die untersuchten RX-Frontends können bis zu 25 dBm Eingangsleistung im Low-Band und bis zu 20 dBm Eingangsleistung im High-Band verkraften. Dies wurde durch die Verwendung der neuartigen Leistungsbegrenzertopologie und spezieller rauscharmer Wanderwellenverstärker erreicht. Diese Arbeit zeigte auch, dass mit der modernen SiGe-Technologie ein Dynamikbereich erreicht werden kann, der dem der wesentlich größeren Galliumarsenid (GaAs)-Technologie entspricht. Dies wurde durch die Untersuchung verschiedener rauscharmer Verstärker- und Mischertopologien erreicht. Bei den rauscharmen Verstärkern wurden gemeinsame Basis-, differenzielle verteilte und schaltbare Rückkopplungstopologien untersucht, um die beste Linearität und die niedrigste Rauschzahl zu erreichen. Bei den Mischern wurden Multi-Tanh-Triplet- und modifizierte Gilbert-Zellen-Topologien untersucht, um die Belastbarkeit zu erhöhen und die Rauschzahl zu minimieren. Die separaten RX- und TX-Komponenten wurden zu einzelnen RX- und TX-Front-End-ICs zusammengefügt und dann für die abschließende Verifizierung auf speziellen, kundenspezifisch implementierten Hochfrequenzplatinen integriert. Die abschließenden Messergebnisse bestätigten die Durchführbarkeit der Arbeit und belegen die Hypothese, dass eine Kombination aus ultrabreiter Bandbreite von 4 GHz bis 40 GHz, hoher Robustheit der Eingangsleistung, hohem Dynamikbereich und hohem Integrationsgrad in RX- und TX-Frontends für ein MIMO-Radar möglich ist. Diese Forschungsarbeit hat die Machbarkeit und das Potenzial für hochleistungsfähige, hochintegrierte und kosteneffiziente Bildgebungsradare bewiesen, die in Zukunft gebaut werden sollen.

Abstract (EN)

This work presents an investigation and experimental analysis of Receiver (RX) and Transmitter (TX) front-ends tackling the MIMO radar related challenges in combination with an extreme 4 GHz to 40 GHz bandwidth, which was chosen to investigate the feasibility of implementing a highly re-configurable MIMO imaging radar system. The RX and TX front-ends were investigated to operate in a Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) mode, so the foreseen radar application can accurately measure objects at close range. Novel component topologies and implementation techniques were employed to investigate the feasibility of achieving ultra-wide bandwidth in combination with, high input power ruggedness, high dynamic range and high degree of integration. The experimental analysis of fabricated IC components demonstrated that extreme bandwidth, not just reaching, but exceeding 4 GHz to 40 GHz in combination with high dynamic range, high degree of integration and other MIMO radar relevant performances can be achieved with State of the Art (SotA) Silicon Germanium (SiGe) technology. Furthermore, it was demonstrated that with dedicated IC topologies, high input power ruggedness of the RX front-end can be achieved. The investigated RX front-ends could withstand up to 25 dBm input power in case of low band and up to 20 dBm of input power in case of high band respectively. This was achieved by using the novel power limiter topology and dedicated travelling wave low noise amplifier designs. This work also showed that with the state of the art SiGe technology the dynamic range equivalent to the much larger in size, Gallium Arsenide (GaAs) technologies is achievable. This was achieved by investigating various low noise amplifier and mixer topologies. In case of low noise amplifiers, common base, differential distributed and switchable feedback topologies were assessed to achieve the best linearity versus lowest noise figure performance. In case of the mixers, multi-tanh triplet and modified Gilbert cell topologies were investigated to increase the power handling and to minimize the noise figure. The separate RX and TX components were assembled into single RX and single TX front-end ICs and then integrated on dedicated, custom implemented Radio Frequency (RF) boards for the final verification. The final measurement results confirmed the feasibility of the work and prove the hypothesis of combining ultra-wide 4 GHz to 40 GHz bandwidth, high input power ruggedness, high dynamic range and high degree of integration in RX and TX front-ends dedicated for a MIMO radar. This research has proven the feasibility and potential for high performance, highly integrated and cost effective imaging radars to be built in future.

Freie Schlagwörter (EN)

Integrated Circuit, MIMO Radar, Receiver, Transmitter, Ultra-wideband

Klassifikation (DDC)

621

Klassifikation (RVK)

ZN 6500

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