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FMiCW-Radar

PIN-Dioden-
Schalter

Bild 1: Ein FMiCW-Radar nutzt einen zusätzlichen PIN-Diodenschalter, um das Sendesignal abzuschalten.

sägezahn VCO BF -3dB PowerAmp TxAnt RxAnt LNA Mix TP PIN switch control out
PIN-Dioden-
Schalter

Bild 1: Ein FMiCW-Radar nutzt einen zusätzlichen PIN-Diodenschalter, um das Sendesignal abzuschalten. (interaktives Bild)

FMiCW-Radar

PIN-Dioden-
Schalter

Bild 1: Ein FMiCW-Radar nutzt einen zusätzlichen PIN-Diodenschalter, um das Sendesignal abzuschalten.

Ein Frequency Modulated interrupted Continuous Wave, FMiCW - Radar oder auch iFMCW- Radar genannt, erhält eine Sonderstellung innerhalb der Radartechnologien. Während des Messvorganges wird das Sendesignal abgeschaltet. Formal ist das Radar somit ein Impulsradar. Während der Abschaltung arbeitet die Frequenzerzeugung im Sender jedoch weiter und versorgt den Empfänger mit der zur Abwärtsmischung notwendigen Frequenz. Der Messvorgang zur Entfernungsbestimmung ist somit wie bei einem FMCW-Radar eine Messung des Frequenzunterschiedes zwischen aktueller Senderfrequenz und der Trägerfrequenz des Echosignals und keine reine (Lauf-)Zeitmessung ähnlich einem Impulsradar mit Intrapulsmodulation.

Impulsförmige Modulation des Sendesignals
erzeugte Frequenz mit sägezahnförmigem Anstieg
Schaltsignal für PIN-Diodenschalter
gesendete Frequenz
verzögertes Echosignal

Bild 2: Oszillogramm zum Blockschaltbild

erzeugte Frequenz mit sägezahnförmigem Anstieg
Schaltsignal für PIN-Diodenschalter
gesendete Frequenz
verzögertes Echosignal

Bild 2: Oszillogramm zum Blockschaltbild

erzeugte Frequenz mit sägezahnförmigem Anstieg
Schaltsignal für PIN-Diodenschalter
gesendete Frequenz
verzögertes Echosignal

Bild 2: Oszillogramm zum Blockschaltbild

Gegenüber dem reinen FMCW-Radar hat das FMiCW-Radar Vor- und Nachteile. Eine Abschaltung des Senders verbessert die Isolation zwischen Sender und Empfänger, es kann kein „Übersprechen“ direkt vom Sender zum Empfänger mehr auftreten. Wenn der Sender nicht abstrahlt, dann kann der Empfänger sehr viel empfindlicher gemacht werden. Das würde auch eine höhere Sendeleistung ermöglichen und beide Maßnahmen zusammen die Reichweite des Radars erhöhen.

Ein Abschalten des Empfängers während der Sendezeit (zum Beispiel durch die invertierte Steuerspannung für die PIN-Dioden) verringert jedoch das Zeitfenster, in dem ein Echosignal empfangen werden kann. Es kann nur dann ein Echosignal (im Bild 2 blauer Kanal) empfangen werden, wenn die Steuerspannung (im Bild 2 roter Kanal) Low-Pegel hat. Im Bild 2 ist diese zeitliche Differenz zwischen Echosignal und der Steuerspannung grau eingefärbt. Daraus folgt, dass sich die Möglichkeiten einer nicht-kohärenten Signalintegration verschlechtern. Es kann nur ein Teil des Echosignals empfangen werden, das wiederum verringert die mögliche energetische Reichweite des Radars. Echosignale aus dem Nahbereich werden dabei stärker benachteiligt, als Echosignale aus größeren Entfernungen, was einen Effekt ähnlich der Sensitive Time Control (STC) in einem Impulsradar bewirkt.

Diese Methodik wird zum Beispiel bei modernen automotiven Radargeräten (Abstandsregeltempomat) im Frequenzband 76 – 77 GHz verwendet. Für eine Seitenwinkelbestimmung kann durch Umschaltung der Speisepunkte einer Patchantennengruppe jeder der Teilimpulse in einem geringfügig anderen Seitenwinkel abgestrahlt werden.

FMiCW-Radar als Messbereichserweiterung
erzeugte Frequenz mit sägezahnförmigem Anstieg
Schaltsignal für PIN-Diodenschalter
gesendete Frequenz
verzögertes Echosignal

Bild 3: Oszillogramm zum Blockschaltbild

erzeugte Frequenz mit sägezahnförmigem Anstieg
Schaltsignal für PIN-Diodenschalter
gesendete Frequenz
verzögertes Echosignal

Bild 3: Oszillogramm zum Blockschaltbild

erzeugte Frequenz mit sägezahnförmigem Anstieg
Schaltsignal für PIN-Diodenschalter
gesendete Frequenz
nicht gesendete Frequenz
verzögertes Echosignal

Bild 3: Oszillogramm zum Blockschaltbild

Als eine weitere Lösung kann die Methodik genutzt werden, um die erlaubte Senderbandbreite besser ausnutzten zu können. Die größere Steilheit der Frequenzänderung ermöglicht dann ein höheres Auflösungsvermögen bei Beibehaltung der maximalen Reichweite.

Bei einem FMCW-Radar im ISM-Band 24 GHz (Industrial, Scientific and Medical Band) darf der Sender nur von 24,0 bis 24,25 GHz arbeiten. Bei Ausnutzung dieser Senderbandbreite muss ein Kompromiss gefunden werden zwischen Auflösungsvermögen und maximaler Reichweite des Radars.

Mit der Methode FMiCW-Radar kann jedoch die Steilheit der Frequenzänderung so eingestellt werden, dass der Sender zum Beispiel die doppelte Bandbreite hat, also von 24,0 bis 24,5 GHz arbeitet. Bei Erreichen der Bandgrenze von 24,25 GHz wird der Sender jedoch von der Antenne genommen: abgestrahlt wird tatsächlich nur der erlaubte Frequenzbereich. Das Echosignal kann nun eine viel größere Laufzeit haben, als die Dauer des tatsächlich abgestrahlten Sendesignals. Es wird schließlich mit dem intern viel größeren Sägezahn verglichen (im Bild 3 gestrichelte Verlängerung des Sendesignals).

Für spezielle Anwendungen (zum Beispiel für luftgestütztes SLAR) kann dieses Modulationsmuster ebenfalls genutzt werden, um die Isolation zwischen Sender und Empfänger wie im obigen Beispiel zu verbessern. Wenn während der relativ langen Sendezeit der Empfänger ebenfalls abgeschaltet wird, dann entsteht eine recht große minimale Messentfernung. Wenn dagegen die Schaltzeit dahingehend optimiert wird, dass diese minimale Messentfernung kleiner als die Flughöhe ist (zum Beispiel 20 µs für etwa 3000 m), dann kann mit diesem Verfahren der überflogene Korridor mit großer Genauigkeit kartografiert werden wobei gleichzeitig Störungen durch direktes Einstrahlen vom Sender in den Empfänger vermieden werden.