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Radar a radiazione continua modulata in frequenza con modulazione di frequenza e interruzioni

Interruttore
a diodi PIN

Figura 1: Il radar FMiCW utilizza un interruttore a diodi supplementare per spegnere l’emissione di potenza

sägezahn VCO BF −3dB PowerAmp TxAnt RxAnt LNA Mix TP PIN switch control out
VCO
Interruttore
a diodi PIN

Figura 1: Il radar FMiCW utilizza un interruttore a diodi supplementare per spegnere l’emissione di potenza (immagine interattiva)

Radar a radiazione continua modulata in frequenza con modulazione di frequenza e interruzioni

Interruttore
a diodi PIN

Figura 1: Il radar FMiCW utilizza un interruttore a diodi supplementare per spegnere l’emissione di potenza

Il radar a modulazione di frequenza a onde continue interrotte (Frequency Modulated interrupted Continuous Wave, FMiCW – Radar o iFMCW- Radar) occupa un posto speciale tra le varie tecnologie radar. Il principio del suo funzionamento è che durante il processo di misurazione la radiazione del segnale viene spenta per un certo periodo di tempo. Pertanto, formalmente un radar di questo tipo è un radar a impulsi. Mentre l’antenna trasmittente è spenta, la generazione di oscillazioni nel trasmettitore non si ferma e il ricevitore riceve l’oscillazione di riferimento necessaria per trasformare la frequenza del segnale ricevuto. Il processo di misurazione per la determinazione della portata consiste nel misurare la differenza tra la frequenza attuale del segnale emesso e la frequenza del segnale di eco, come nei radar FMCW. In altre parole, non si tratta di una misurazione del ritardo temporale del segnale di eco, come quella effettuata in un radar a impulsi intramodulati.

La modulazione di ampiezza dell’impulso del segnale emesso
frequenza a dente di sega generata
tensione di controllo per l’interruttore del diodo pin
frequenze irradiate
segnale di eco (ritardato)

Figura 2: Oscillogrammi per il diagramma strutturale

frequenza a dente di sega generata
tensione di controllo per l’interruttore del diodo pin
frequenze irradiate
segnale di eco (ritardato)

Figura 2: Oscillogrammi per il diagramma strutturale

frequenza a dente di sega generata
tensione di controllo per l’interruttore del diodo pin
frequenze irradiate
segnale di eco (ritardato)

Figura 2: Oscillogrammi per il diagramma strutturale

Rispetto a un radar FMCW puro, il radar FMiCW presenta vantaggi e svantaggi. Di solito nei radar FMCW il segnale emesso penetra direttamente nel ricevitore. Nel radar FMiCW, il disaccoppiamento tra trasmettitore e ricevitore viene migliorato spegnendo temporaneamente la potenza irradiata. Durante l’intervallo di tempo in cui l’antenna non irradia, la sensibilità del ricevitore può essere aumentata. Inoltre, questo disaccoppiamento consente di aumentare la potenza del trasmettitore. Con queste due operazioni è possibile aumentare la portata massima del radar.

Tuttavia, lo spegnimento del ricevitore durante l’emissione (ad esempio utilizzando una tensione di controllo inversa per i diodi dei pin) riduce l’intervallo di tempo durante il quale è possibile ricevere un segnale di eco. I segnali di eco (canale blu nella Figura 2) possono essere ricevuti solo se la tensione di controllo è bassa (canale rosso nella Figura 2). Nella Figura 2, l’intervallo di tempo tra il segnale d’eco e un basso livello di tensione di controllo è evidenziato in grigio. Spesso questo intervallo dura molto poco. Ciò significa che la possibilità di accumulare segnali incoerenti è ridotta. Solo una piccola parte del segnale di eco può essere ricevuta. Ciò riduce l’energia del segnale ricevuto e quindi la portata massima del radar. Allo stesso tempo, i segnali di eco ricevuti a breve distanza sono più sensibili a questa riduzione di energia. Questo effetto è simile a quello del controllo automatico del guadagno sensibile al tempo (STC, sensitive time control) nei radar a impulsi.

Questo tipo di radar FMiCW è utilizzato, ad esempio, nei moderni radar automobilistici (adaptive cruise control) nella banda di frequenza 76 … 77 GHz. Per determinare l’azimut, l’angolo di irradiazione di un particolare sottoimpulso del segnale può essere leggermente variato cambiando i punti di alimentazione dell’antenna a striscia.

Applicazione del radar FMiCW per aumentare la portata misurata
frequenza a dente di sega generata
tensione di controllo per l’interruttore del diodo pin
frequenze irradiate
segnale di eco (ritardato)

Figura 3: Oscillogrammi per il diagramma strutturale

frequenza a dente di sega generata
tensione di controllo per l’interruttore del diodo pin
frequenze irradiate
segnale di eco (ritardato)

Figura 3: Oscillogrammi per il diagramma strutturale

frequenza a dente di sega generata
tensione di controllo per l’interruttore del diodo pin
frequenze irradiate
frequenze non irradiate
segnale di eco (ritardato)

Figura 3: Oscillogrammi per il diagramma strutturale

Come ulteriore soluzione, questa metodologia può essere applicata per utilizzare meglio la larghezza di banda consentita delle frequenze irradiate. Una maggiore ripidità della variazione di frequenza offre una maggiore risoluzione della gamma, pur mantenendo la massima portata possibile.

Nella banda ISM (Industrial, Scientific and Medical Band) a 24 GHz, il trasmettitore deve operare solo nella banda da 24,0 a 24,25 GHz. Quando si opera in questa gamma di frequenze, è necessario un compromesso tra risoluzione e portata del radar. Utilizzando il metodo FMiCW, la ripidità della frequenza può essere regolata, ad esempio, in modo che la larghezza di banda del trasmettitore sia il doppio della larghezza di banda consentita, cioè da 24,0 a 24,5 GHz. Quando la frequenza del segnale raggiunge il limite superiore della banda ISM (24,25 GHz), il segnale del trasmettitore viene scollegato dall’antenna e quindi viene irradiato solo il segnale nella banda di frequenza consentita. Il possibile intervallo di ritardo del segnale di eco sarà molto più lungo della durata del segnale irradiato. Come si può vedere dalla Figura 3, in questo caso la misura della differenza di frequenza viene eseguita in relazione a frequenze appartenenti a un intervallo di frequenze possibili molto più ampio (linea tratteggiata).