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Ein eigenes Radargerät

Mischer
Circulator, Divider, VFO, Amplifier

Bild 1: Baugruppe mit den Hochfrequenzbauteilen. (Gegenüber dem Blockschaltbild im Bild 2 fehlt hier noch der rauscharme Vorverstärker für den Empfangsweg.)

Mischer
Circulator, Divider, VCO, Pre-Amplifier

Bild 1: Baugruppe mit den Hochfrequenzbauteilen. (Gegenüber dem Blockschaltbild im Bild 2 fehlt hier noch der rauscharme Vorverstärker für den Empfangsweg.)

Ein eigenes Radargerät

Prinzipschaltbild

Es soll Anfangs ein Dauerstrichradargerät (CW-Radar) aufgebaut werden, das bereits die Fähigkeit zu einem FMCW-Radar besitzt. Eine Gefährdung durch hohe Impulsleistungen sind auszuschließen. Die Sendeleistungen liegen im Milliwattbereich, mehrere Zehnerpotenzen weit unter den zulässigen Grenzwerten. Die Konzeption ist derart, dass nach erfolgreichem Test des CW- und FMCW-Radars auch Erweiterungen möglich sind. So ist im Konzept eine Erweiterung auf auf ein Impulsradar mit Intrapulsmodulation (sogenanntes “Chirp-Radar”) vorgesehen, beziehungsweise ein Umschalten zwischen diesen Betriebsarten durch eine Steuerleitung.

Bild 2: Impression eines Blockschaltbildes

Bild 2: Impression eines Blockschaltbildes

Blockschaltbild

Generell wird ein Sender benötigt, der in der Frequenz modulierbar ist. Die Regelspannung für die Modulation soll ein kleiner Raspberry Pi über einen Digital-Analog-Konverter erzeugen.

Der Empfänger wird im Kern durch ein kleines billiges USB-Oszilloskop (ELV-Versand Artikel-Nr. 68-09 93 35). Das ist für diese Zwecke leider nicht empfindlich genug, deshalb muss dann doch ein Zusatzverstärker aufgebaut werden. Die obere Grenzfrequenz dieses Oszilloskops liegt bei 200 kHz - das ist gerade noch so verwendbar. Alternativen, die bis 200 MHz auflösen können, liegen im Bereich von 2 bis 3 tausend Euro. (Wer bereits ein Oszilloskop hat, kann dieses verwenden.)

Radarsignalprozessor sollte dieser Raspberry Pi werden. Selbst wenn die Bereitstellung der Abstimmspannung schon viel der Rechenleistung verbraucht, sollte er eigentlich auch das Betriebssystem, das heißt hier: Auswertung und Anzeige des Echosignals bereitstellen. (Selbst wenn er das nicht kann, so wäre ein zweiter Raspberry Pi immer noch erschwinglich.)

Antenne

Die Antenne ist das Element, bei dem das meiste Geld verschwendet werden kann. Wenn nur eine einzelne Antenne genutzt wird (wie im Bild 1 gezeigt), dann wird ein Ferritzirkulator benötigt. Dieser kostet im Internet-Handel zwischen 200 und 600 Euro, dazu kommen hohe Versandkosten, weil magnetische Bauteile eine besondere Verpackung benötigen, um zum Beispiel in einem Flugzeug transportiert werden zu dürfen. Der qualitative Unterschied liegt in der Isolation zwischen Sende- und Empfangsweg, der dann zwischen 16 und 23 dB liegen kann. Zwei getrennte gleichwertige Antennen sind nur für einen Bruchteil dieses Aufwandes möglich. Da es sich hier um ein WLAN-Band handelt, können zwei beliebige WLAN-Antennen verwendet werden, egal ob gekauft oder selbst gebaut.

Sollte allerdings die Antenne vor einem Parabolspiegel montiert werden, dann sind entweder zwei Parabolspiegel erforderlich (wie hier gezeigt) oder aber es muss doch auf die Version mit einem Ferritzirkulator zurückgegriffen werden, da nur ein Primärstrahler genau im Brennpunkt positioniert sein kann. Bei Verwendung eines Hornstrahlers vor einem Parabolspiegel ist ein guter Ferritzirkulator zwingend notwendig. Beide Bauteile sind auch vergleichbar teuer. Aber zwei Hornstrahler kann man sich notfalls selbst bauen.

Bild 3: Blockschaltbild des Senders in der Version ohne Ferritzirkulator, aber mit zwei Antennen

Bild 3: Blockschaltbild des Senders in der Version ohne Ferritzirkulator, aber mit zwei Antennen

Sender

Kern des Senders ist ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) der den freigegebenen Frequenzbereich überstreichen kann. Hier sollte man darauf achten, dass dessen Abstimmspannung und Betriebsspannung im Bereich von 5-Volt liegt, um auch die notwendigen Netzspannungen auf diesen Bereich begrenzen zu können. Ein solches Bauteil ist bei Mini-Circuits zu einem recht günstigen Preis von etwa 45 € erhältlich: ZX95-2490+. Aber Vorsicht! Dieser VCO darf nicht ohne Last an die Betriebsspannung geschaltet werden: dann ist er sofort unwiderbringlich kaputt.

Im Bild 1 wird ein Versuchsaufbau gezeigt, der allerdings leicht abgewandelt von dem im Bild 2 gezeigten Blockschaltbild ist. Der Verstärker für die HF hat hier eine viel zu hohe Verstärkung. Deswegen musste ein Dämpfungsglied von -9 dB an den Ausgang des VFO geschaltet werden (was diesen zusätzlich schützt). Alle Dämpfungen und Verstärkungen zusammen müssen einen Pegel von ungefähr 7 dBm am Eingang der Mischstufe ergeben. (Nicht vergessen: die Dämpfungen der Steckverbindungen!)

Im Bild 3 sind die Bauelemente grün hinterlegt, für die eine eigene Leiterplatte entworfen werden muss. Es ist ein einfacher passiver Digital-Analog-Converter (D/A-C) mit einem R/2R-Netzwerk, der im einfachsten Fall die digitalen Ausgänge (GPIO) des Raspberry Pi nutzt. Weil der D/A-C nur passiv arbeitet, ist seine Geschwindigkeit nur vom Raspberry Pi abhängig. Es werden vorerst keine Synchrontakte benötigt. Für einen Sägezahnimpuls muss der Raspberry Pi nur diese Ausgänge binär hochzählen. Auch ein Dreieck-Impuls ist problemlos möglich. Ob nun nur 8 Bit oder 12 Bit verwendet werden, hat Einfluss darauf, ob der Sägezahnimpuls doch eher eine Treppenspannung wird. Der zur Verfügung stehende Frequenzbereich wird entweder durch 256 oder 4096 Teilschritte realisiert. Bei 250 MHz sind diese Schritte entweder 1 MHz oder 62 kHz. Soll der Sägezahnimpuls etwa 1 ms lang werden, dann muss der Raspberry Pi mit ungefähr 4 MHz zählen.

Der nachfolgende Operationsverstärker (OPV) macht aus der noch durch die Logikpegel begrenzten Spannung eine Abstimmspannung, die den Bereich des VCO voll ausnutzt. Ohne diesen OPV würde es auch gehen, verschenkt aber viel von dem zur Verfügung stehenden Frequenzbereich.

Natürlich würde auch ein einfacher analoger Sägezahngenerator diesen Job ausfüllen. Das hat aber den Nachteil, dass das Radar dann wirklich nur diesen Sägezahn kann und später einmal nicht zum Beispiel auch zum phasenmodulierten Impulsradar erweitert werden kann.

Empfänger

Der Empfänger besteht vorerst praktisch nur aus einem kleinen USB-Oszilloskop. Das gewählte Modell ist extrem einfach gehalten und kann analoge Frequenzen bis 200 kHz verarbeiten. Das ist eigentlich viel zu wenig, weshalb diese Version nur provisorisch zur Funktionsprüfung geeignet ist und später mal durch ein leistungsfähigeres Modell ersetzt werden sollte. Aber es erleichtert erst einmal die Dimensionierung des Vorverstärkers, da dieser dann auch keine höhere Grenzfrequenz braucht. (Beim Aufbau des beim Sender beschriebenen D/A-C kann dieses USB-Oszilloskop bereits in seiner Funktion als Oszilloskop genutzt werden.)

Bei einem Frequenzhub des Sägezahnes von 250 MHz innerhalb von 1 ms entsprechen 200 kHz einer Verzögerung von 0,8 µs. Das entspricht einer Laufzeit für 0,8·150 m = 120 m. Diese Reichweite ist mit diesem Senderkonzept schon energetisch nicht zu erreichen. Sollte dieses Radar nur in einem sehr kleinen Entfernungsbereich (Klassenraum) funktionieren, dann könnte die Zählfrequenz sogar noch verdoppelt oder vervierfacht werden. Die 4096 Zählschritte werden dann schon in 250 oder 500 µs erreicht, mit einer (vorläufigen) Reichweitenbegrenzung auf 30 oder 60 m.

Ohne eine Modulationsspannung arbeitet die Schaltung gemäß Bild 1 als CW-Radar. Es kann vorerst nur Doppler-Frequenzen erkennen und keine Entfernungen messen. Die zu erwartenden Doppler-Frequenzen in diesem Frequenzband können berechnet werden und betragen in diesem Frequenzbereich zum Beispiel bei 30 km/h etwa 320 Hz.

Wenn das gewählte USB-Oszilloskop-Modul keine Möglichkeit hat, eine Anzeige als Spektrum-Analyser zu berechnen, dann ist es jetzt schwierig, ein Echosignal als ein Solches zu erkennen. Zur Anzeige kommen Sinusfrequenzen, die völlig nicht-synchron über den Bildschirm wandern. Sie ähneln einem Netzbrummen und können schnell mit diesem verwechselt werden. Wenn sich aber bei einer Bewegung eines metallischen Gegenstandes vor der Antenne dieses anscheinende Netzbrummen in Amplitude und Frequenz verändert, dann kann schon in Jubel ausgebrochen werden!

Kalkulation

Eine bisherige Bauteilliste kann schon mal einen Überblick über das bis hierher benötigte Material und einen kleinen unvollständigen Kostenansatz bieten:

BaugruppeTypAnzahlLieferantPreis
Voltage Controlled Oscillator ZX95-2490+1Mini-Circuits42,89 €
Amplifier (Buffer)ZX60-242LN+1Mini-Circuits57,55 €
Power-SplitterZX10-2-332+1Mini-Circuits33,46 €
Low Noise AmplifierZX60-P105LN+1Mini-Circuits73,25 €
MixerZX05-C42+1Mini-Circuits39,40 €
Grid-ParabolantenneTL-ANT2424B1 ca.40,00 €
Ferrit-ZirkulatorAT11B-TE207-AF1Aaren155,00 €
USB-OszilloskopUSB-MSM1ELV39,95 €
Raspberry PiTyp B+1ELV32,95 €
Kabel RG402, SMA-Stecker50,00 €
Gesamt   589,44 €

(Dass für die Funktion auch ein vollwertiger Computer benötigt wird, ist in dieser Kalkulation nicht berücksichtigt, da dieser meist schon vorhanden ist.)