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Marie Mbeutcha

• High-resolution, compactness, scalability, efficiency – these are the critical requirements which imaging radar systems have to fulfil in applications such as environmental monitoring, cloud mapping, body sensing or autonomous driving. This thesis presents a modular millimetre-wave frequency modulated continuous-wave (FMCW) radar front-end solution intended for such applications. High-resolution is achieved by enlarging the operating frequency band of the radar system. This can be realized at millimetre-wave frequencies due to the large spectrum availability. Furthermore, the size of components decreasing with increasing frequency makes millimetre-wave systems a good candidate for compactness. However, the full integration of radar front-ends is a challenge at millimetre-wave frequencies due to poor signal integrity and spectral purity, which are essential for imaging applications. The proposed radar uses an alternative technique and tackles this limitation by featuring highly-integrable architectures, specifically the Hartley architecture for signal conversion and enhanced push-pull amplifier for harmonic suppression. The resolution of imaging radars can be further improved by increasing the number of transmitters and receivers. This has spurred the investigation of spectrum, time and energy-efficient multiplexing techniques for multi-input multi-output (MIMO) radar systems. The FMCW radar architecture proposed in this thesis is based on code-division technique using intra-pulse, also called intra-chirp modulation. This advanced scalable and non-complex solution, made possible by the latest achievements on direct digital synthesis for signal generation, guarantees signal integrity and compact size implementation. The proposed architecture is investigated by a thorough system analysis. A transmitter module and a receiver module for a 35 GHz imaging radar prototype are designed, fabricated and fully characterized to validate the feasibility of our novel approach for high-resolution highly-integrated MIMO front-ends.
• Das Radar ist die einzige bildgebende Technologie, die unabhängig von der Umgebung und den Wetterbedingungen eingesetzt werden kann, was sie zu einer äußerst zuverlässigen Lösung für hochauflösende Bildgebungsanwendungen macht. Dennoch müssen bildgebende Radarsysteme in Anwendungen wie Umweltüberwachung, Wolkenkartierung, Körpererfassung oder autonomes Fahren kritische Anforderungen erfüllen: hohe Auflösung, Kompaktheit, Skalierbarkeit und Effizienz. In dieser Arbeit wird eine modulare, moduliertes-Dauerstrichradar-Front-End-Lösung (FMCW) für solche Anwendungen vorgestellt. Die hohe Auflösung wird durch die Vergrößerung des Betriebsfrequenzbandes des Radarsystems erreicht. Dies kann bei Millimeterwellenfrequenzen aufgrund des großen verfügbaren Spektrums realisiert werden. Da die Größe der Komponenten mit zunehmender Frequenz abnimmt, sind Millimeterwellensysteme zudem ein guter Kandidat für Kompaktheit. Allerdings ist die vollständige Integration von Radar-Front-Ends bei Millimeterwellenfrequenzen aufgrund der schlechten Signalintegrität und spektrale Reinheit, die für bildgebende Anwendungen unerlässlich sind, eine Herausforderung. Das vorgeschlagene Radar verwendet eine alternative Technik und geht diese Einschränkung durch hochintegrierbare Architekturen an, insbesondere die Hartley-Architektur für die Signalumwandlung und den verbesserten Gegentaktverstärker für die Oberwellenunterdrückung. Die Auflösung abbildender Radargeräte kann durch die Erhöhung der Anzahl von Sendern und Empfängern weiter verbessert werden. Dies hat die Untersuchung von frequenz-, zeit- und energieeffizienten Multiplexing-Techniken für MIMO-Radarsysteme (Multi-Input-Multi-Output) vorangetrieben. Die in dieser Arbeit vorgeschlagene FMCW-Radararchitektur basiert auf der Code-Division-Technik (CDMA) mit Intra-Puls-Modulation. Diese fortschrittliche, skalierbare und nicht komplexe Lösung, die durch die neuesten Errungenschaften der direkten digitalen Synthese (DDS) zur Signalerzeugung ermöglicht wird, garantiert Signalintegrität und eine kompakte Implementierung. Die vorgeschlagene Architektur wird durch eine gründliche Systemanalyse untersucht. Ein Sender- und ein Empfängermodul für einen 35-GHz-Prototyp eines abbildenden Radars wurden entworfen, hergestellt und vollständig charakterisiert, um die Machbarkeit unseres neuen Ansatzes für hochauflösende, hochintegrierte MIMO-Front-Ends zu validieren. Dieser Demonstrator dient als Prototyp für eine zukünftige Single-Chip-Implementierung im W-Band. Unseres Wissens nach ist diese Forschungsarbeit die einzige, die sich mit einem CDMA-basierten MIMO-FMCW-Radar mit Intrapulsmodulation im Millimeterwellenbereich befasst und dessen Theorie vollständig entwickelt. Darüber hinaus schlagen wir eine Lösung für hochintegrierte Front-Ends vor, die dennoch eine saubere spektrale Emission und eine zuverlässige Entfernungsmessung gewährleistet. Signalmodell Betrachten wir ein N×M MIMO-Radar mit N Sendern (Tx) und M Empfängern (Rx), einem m-PSK-Modulationsverfahren mit m = 2n und einer Familie von quasi-orthogonalen Codes (ci ϵ [1,N]) der Länge Nc. Das Sendesignal an Tx i ist ein mit einem Code ci phasenmoduliertes Chirp. Das empfangene Signal an Rx j ist die Summe der phasenmodulierten Chirps, die von allen Tx i gesendet werden und um die Laufzeit τij verzögert sind. Durch des Deramps des empfangenen Signals rj (t), d.h. Multiplikation des empfangenen Signals mit si (t), Filterung und Integration durch Fourier-Transformation, ist es möglich, den Bereich {Tx i, Ziel, Rx j} zu dekodieren und wieder zu erfassen. Systementwurf und Analyse Das Signal wird durch direkte digitale Synthese erzeugt. Starke Störsignale werden üblicherweise mit Bandpassfiltern hoher Ordnung unterdrückt, die häufig außerhalb des Chips eingebaut werden. Die größte Herausforderung für das System besteht darin, alternative Architekturen zu finden, die ihre Verwendung für die Single-Chip-Integration einschränken und gleichzeitig die Signalintegration und spektrale Reinheit aufrechterhalten. Die vorgeschlagene Architektur unterdrückt die aus der Mischung resultierende Bildfrequenz mit Hilfe einer modifizierten Version der herkömmlichen Hartley-Architektur. Sie umfasst einen IQ-Mischer mit einem 90°-ZF-Hybridkoppler sowie zwei LPF niedriger Ordnung in der Downconverter-Konfiguration. Die vorgeschlagene Architektur unterdrückt die von den Leistungsverstärkern (PA) erzeugten Oberwellen zweiter Ordnung mit Hilfe einer verbesserten Push-Pull-Architektur. Sie besteht aus zwei parallel geschalteten Leistungsverstärkern und zwei 180°-Hybridkopplern. Um die von den Kopplern verursachten Amplituden- und Phasenungleichgewichte zu begrenzen, wird die Verstärkung eines der Verstärker gesteuert, und wir verschieben die Phase in beiden Pfaden um 180°. Die Leistungsverstärker arbeiten in Sättigung, um die Ausgangsleistung im Vergleich zur Verwendung eines einzelnen PA zu verdoppeln...