DE102019106030A1

DE102019106030A1 - Radar-system mit mehreren radar-chips

Info

Publication number: DE102019106030A1
Application number: DE102019106030.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas OCH; Clemens Pfeffer; Philipp Schmidt; Alexander Melzer; Farhan Bin Khalid; Andre Roger
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2018-03-22
Filing date: 2019-03-08
Publication date: 2019-09-26
Also published as: US11486999B2; CN110297217A; US20190293784A1

Abstract

Im Folgenden wird ein Radarsystem beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Radarsystem eine passive Koppleranordnung sowie einen ersten Radar-Chip, einen zweiten Radar-Chip und einen dritten Radar-Chip auf. Die Radar-Chips weisen jeweils mindestens einen externen HF-Kontakt sowie einen Lokaloszillator auf, der dazu ausgebildet ist, zumindest in einem eingeschalteten Zustand ein HF-Oszillatorsignal zu erzeugen. Die externen HF-Kontakte der Radar-Chips sind über die Koppleranordnung derart gekoppelt, dass in einem ersten Betriebsmodus das HF-Oszillatorsignal von dem ersten Radar-Chip über die Koppleranordnung an den zweiten und den dritten Radar-Chip übertragen werden kann, und dass in einem zweiten Betriebsmodus das HF-Oszillatorsignal von dem zweiten Radar-Chip über die Koppleranordnung an den dritten Radar-Chip (3) übertragen werden kann.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Beschreibung betrifft das Gebiet der Hochfrequenz- (HF-) Schaltungen. Manche Ausführungsbeispiele betreffen eine Vorrichtung mit zwei oder mehr kaskadierten monolithisch integrierte Mikrowellenschaltungen (Monolithic Microwave Integrated Circuits, MMICs), welche z.B. in Radar-Sensoren eingesetzt werden können.
HINTERGRUND
Hochfrequenz-(HF)-Sender und -Empfänger findet man in einer Vielzahl von Anwendungen, insbesondere im Gebiet der drahtlosen Kommunikation und der Radarsensoren. Im Automobilbereich besteht ein größer werdender Bedarf an Radarsensoren, die unter anderem in Fahrassistenzsystemen (Advanced driver assistance systems, ADAS) wie z.B. in Abstandsregeltempomat- (ACC, Adaptive Cruise Control, oder Radar Cruise Control) Systemen verwendet werden können. Solche Systeme können automatisch die Geschwindigkeit eines Automobils anpassen, um so einen sicheren Abstand zu anderen, vorausfahrenden Automobilen (sowie von anderen Objekten und von Fußgängern) einzuhalten. Weitere Anwendungen im Automobilbereich sind z.B. Totwinkeldetektion (blind spot detection), Spurwechselassistent (lane change assist) und dergleichen. Im Bereich des autonomen Fahrens werden Radarsensoren sowie Systeme mit mehreren Sensoren eine wichtige Rolle für die Steuerung autonomer Fahrzeuge spielen.
Moderne Radarsysteme verwenden hochintegrierte HF-Schaltungen, welche alle Kernfunktionen eines HF-Frontends eines Radar-Transceivers in einem einzigen Gehäuse (Single-Chip-Radar-Transceiver) vereinen können. Solche hochintegrierten HF-Schaltungen werden üblicherweise als MMICs bezeichnet. Ein HF-Frontend beinhaltet üblicherweise (jedoch nicht notwendigerweise) unter anderem einen in einem Phasenregelkreis geschalteten spannungsgesteuerten Oszillator (VCO, Voltage Controlled Oscillator), Leistungsverstärker (PA, Power Amplifiers), Richtkoppler, Mischer sowie zugehörige Steuerschaltungsanordnungen zum Steuern und Überwachen des HF-Frontends. Ein MMIC kann auch Schaltungen für die analoge Signalverarbeitung im Basisband (oder einem Zwischenfrequenzband) sowie Analog-Digitalwandler (ADC, Analog-to-Digital-Converters) aufweisen, um eine digitale Signalverarbeitung zu ermöglichen. Statt VCOs können je nach Anwendung auch digital gesteuerte Oszillatoren (DCOs, digitally controlled oscillators) verwendet werden. In Sensoranwendungen können auch mehrere MMICs zusammengeschaltet (kaskadiert) werden, beispielsweise um HF-Radarsignale über mehrere Antennen abzustrahlen und/oder zu empfangen. Derartige Anordnungen mit mehreren Antennen können beispielsweise für Beam-Forming-Techniken eingesetzt werden. Mehrere Empfangsantennen sind unter anderem dann nötig, wenn der Einfallswinkel der empfangenen Radarechos (DoA, Direction of Arrival) ermittelt werden soll.
Im Hinblick auf die funktionale Sicherheit (vgl. ISO-Norm 26262) einer Radar-Sensorvorrichtung kann es wünschenswert sein, dass ein System mit mehreren MMICs funktionsfähig bleibt, auch wenn einer oder mehrere MMICs nicht (mehr) gemäß den gewünschten Spezifikationen arbeiten.
ZUSAMMENFASSUNG
Im Folgenden wird ein Radarsystem beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Radarsystem eine passive Koppleranordnung sowie einen ersten Radar-Chip, einen zweiten Radar-Chip und einen dritten Radar-Chip auf. Die Radar-Chips weisen jeweils mindestens einen externen HF-Kontakt sowie einen Lokaloszillator auf, der dazu ausgebildet ist, zumindest in einem eingeschalteten Zustand ein HF-Oszillatorsignal zu erzeugen. Die externen HF-Kontakte der Radar-Chips sind über die Koppleranordnung derart gekoppelt, dass in einem ersten Betriebsmodus das HF-Oszillatorsignal von dem ersten Radar-Chip über die Koppleranordnung an den zweiten und den dritten Radar-Chip übertragen werden kann, und dass in einem zweiten Betriebsmodus das HF-Oszillatorsignal von dem zweiten Radar-Chip über die Koppleranordnung an den dritten Radar-Chip (3) übertragen werden kann.
Des Weiteren wird ein Verfahren zum Betrieb eines Radarsystems mit mindestens drei Radar-Chips beschrieben, von denen einer in einem Master-Modus betrieben wird, in dem er ein HF-Oszillatorsignal erzeugt, das an die übrigen, in einem Slave-Modus betriebenen Radar-Chips übertragen wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren das Detektieren, ob der im Master-Modus betriebene Radar-Chip ordnungsgemäß arbeitet, und - falls der im Master-Modus betriebene Radar-Chip nicht ordnungsgemäß arbeitet - das Umkonfigurieren des Radarsystems, wobei ein bisher im Slave-Modus betriebener Radar-Chip im Master-Modus betrieben wird, sodass dieser das HF-Oszillatorsignal erzeugt, das an die übrigen Radar-Chips übertragen wird.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft ein Radarsystem mit einem ersten Radar-Chip, einem zweiten Radar-Chip und einem dritten Radar-Chip, die jeweils mindestens einen externen HF-Kontakt aufweisen. Zumindest der erste und der zweite der Radar-Chips weisen jeweils einen Lokaloszillator auf, der dazu ausgebildet ist, in einem eingeschalteten Zustand ein HF-Oszillatorsignal zu erzeugen, wobei die externen HF-Kontakte der Radar-Chips derart koppelbar sind, dass in einem ersten Betriebsmodus das HF-Oszillatorsignal von dem ersten Radar-Chip erzeugt und an den zweiten Radar-Chip und an den dritten Radar-Chip übertragen werden kann, und dass in einem zweiten Betriebsmodus, bei dem der erste Radar-Chip als inaktiv konfiguriert ist, das HF-Oszillatorsignal von dem zweiten Radar-Chip erzeugt und an den dritten Radar-Chip übertragen werden kann.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft ein Radarsystem mit einem ersten Subsystem und einem zweiten Subsystem. Das erste Subsystem umfasst einen ersten Radar-Chip und einen zweiten Radar-Chip, und das zweite Subsystem umfasst zumindest einen dritten Radar-Chip. Der zweite Radar-Chip des ersten Subsystems ist dazu ausgebildet, in einem ersten Betriebsmodus entweder ein HF-Oszillatorsignal zu erzeugen und an einem HF-Ausgang auszugeben oder ein von einem anderen Radar-Chip des ersten Subsystems empfangenes HF-Oszillatorsignal an dem HF-Ausgang auszugeben, wobei der dritte Radar-Chip des zweiten Subsystems dazu ausgebildet ist, in dem ersten Betriebsmodus an einem HF-Eingang das vom zweiten Radar-Chip des ersten Subsystems ausgegebene HF-Oszillatorsignal zu empfangen, und wobei der dritte Radar-Chip des zweiten Subsystems weiter dazu ausgebildet ist, in einem zweiten Betriebsmodus entweder ein weiteres HF-Oszillatorsignal zu erzeugen oder ein von einem anderen Radar-Chip des zweiten Subsystems erzeugtes weiteres HF-Oszillatorsignal zu empfangen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft ein Radarsystem mit einem ersten Subsystem umfassend einen ersten Radar-Chip und einen zweiten Radar-Chip und einem zweites Subsystem umfassend einen dritten Radar-Chip und einen vierten Radar-Chip. Der zweite Radar-Chip des ersten Subsystems und der vierte Ra-dar-Chip des zweiten Subsystems weisen TX-Kanäle zum Anschluss von Sendeantennen je-doch keinen RX-Kanal auf. Der zweite Radar-Chip des ersten Subsystems ist mit dem ersten Radar-Chip des ersten Subsystems direkt oder indirekt gekoppelt ist, um ein von diesem ausgegebenes LO-Signal zu empfangen. In ähnlicher Weise ist der vierte Radar-Chip des zweiten Subsystems mit dem dritten Radar-Chip des zweiten Subsystems direkt oder indirekt gekoppelt ist, um ein von diesem ausgegebenes LO-Signal zu empfangen. Der erste Radar-Chip des ersten Subsystems ist dazu ausgebildet ist, in einem ersten Betriebsmodus, mittels eines Lokaloszillators das LO-Signal zu erzeugen und über eine oder mehrere HF-Leitungen direkt oder indirekt an den dritten Radar-Chip des zweiten Subsystems zu übertragen. Der dritte Radar-Chip des zweiten Subsystems ist dazu ausgebildet, in einem zweiten Betriebsmodus, in dem von dem ersten Subsystems kein LO-Signal ins zweite Subsystem übertragen wird, mittels eines weiteren Lokaloszillators ein weiteres LO-Signal zu erzeugen.
Figurenliste
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele anhand von Abbildungen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Ausführungsbeispiele sind nicht nur auf die dargestellten Aspekte beschränkt. Vielmehr wird Wert darauf gelegt, die den Ausführungsbeispielen zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. In den Abbildungen zeigt:

1 ist eine Skizze zur Illustration des Funktionsprinzips eines FMCW-Radarsystems zur Abstands- und/oder Geschwindigkeitsmessung.
2 umfasst zwei Zeitdiagramme zur Illustration der Frequenzmodulation des vom FMCW-System erzeugen HF-Signals.
3 ist ein Blockdiagramm zur Illustration der grundlegenden Struktur eines FMCW-Radarsystems.
4 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm zur Illustration einer exemplarischen Implementierung eines Sendekanals und eines Empfangskanals eines Radarsystems.
5 ist ein Blockdiagramm zur Illustration eines Systems mit mehreren kaskadierten MMICs, wobei das Lokaloszillatorsignal von einem Master-MMIC erzeugt und an die Slave-MMICs verteilt wird.
6 zeigt ein Blockdiagramm eines Beispiels eines Radarsystems mit drei über einen bidirektionalen Koppler gekoppelten (Master- und Slave-) MMICs, wobei über eine Steuerung konfigurierbar ist, welcher MMIC die Rolle des Master-MMICs innehat.
7 zeigt das Beispiel aus 6, wobei das System aufgrund eines Defekts im Master-MMIC umkonfiguriert wurde, sodass einer der bisherigen Slave-MMICs die des Master-MMICs übernimmt, während der bisherige Master-MMIC inaktiv ist.
8 ein Blockdiagramm eines weiteren Beispiels eines Radarsystems, bei dem vier Slave-MMICs über kaskadierte Koppler mit einem Master-MMIC verbunden sind.
9 zeigt das System aus 8, wobei das System aufgrund eines Defekts im Master-MMIC umkonfiguriert wurde, sodass einer der bisherigen Slave-MMICs die des Master-MMICs übernimmt, während der bisherige Master-MMIC inaktiv ist.
10 illustriert eine Modifikation des Beispiels aus 9.
11 zeigt eine Modifikation des Beispiels aus 8, wobei ein Koppler dadurch ersetzt wird, dass der Master-MMIC zwei als Ausgang konfigurierte HF-Kontakte aufweist.
12 zeigt das System aus 11, wobei das System aufgrund eines Defekts im Master-MMIC umkonfiguriert wurde, sodass einer der bisherigen Slave-MMICs die des Master-MMICs übernimmt, während der bisherige Master-MMIC inaktiv ist.
13 zeigt exemplarische Implementierungen passiver bidirektionaler Koppler, die in den Beispielen aus 6-9 verwendet werden können.
14 zeigt ein Beispiel ähnlich wie in 6, wobei die MMICs Statussignale an einen System-Controller senden.
15 illustriert ein Beispiel eines Verfahrens zum Betrieb eines Radarsystems.
16A-D zeigen Blockdiagramme eines weiteren Beispiels eines Radarsystems, bei dem fünf Slave-MMICs mit einem Master-MMIC verbunden sind, wobei 16A das System mit sechs funktionsfähigen MMICs, und 16B-D das System mit verschiedenen defekten MMICs darstellen.
17A-C zeigt ein Beispiel ähnlich wie 16, wobei 17A das System mit sechs funktionsfähigen MMICs und 17B-C das System mit jeweils einem defekten MMIC darstellt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 illustriert die Anwendung eines FMCW-Radarsystems als Sensor für die Messung von Abständen und Geschwindigkeiten von Objekten, die üblicherweise als Radar-Targets (Radar-Ziele) bezeichnet werden. Im vorliegenden Beispiel weist die Radarvorrichtung 10 separate Sende- (TX-) und Empfangs- (RX-) Antennen 5 bzw. 6 auf (bistatische oder pseudo-monostatische Radarkonfiguration). Es sei jedoch angemerkt, dass auch eine einzige Antenne verwendet werden kann, die gleichzeitig als Sendeantenne und als Empfangsantenne dient (monostatische Radarkonfiguration). Die Sendeantenne 5 strahlt ein kontinuierliches HF-Signal s_RF(t) ab, welches beispielsweise mit einem linearen Chirp-Signal (periodische, lineare Frequenzrampe) frequenzmoduliert ist. Das abgestrahlte Signal s_RF(t) wird am Radar-Target T zurückgestreut und das zurückgestreute (reflektierte) Signal y_RF(t) wird von der Empfangsantenne 6 empfangen. 1 zeigt ein vereinfachtes Beispiel; in der Praxis weisen sind Radarsensoren Systeme mit mehreren Sende- (TX-) und Empfangs- (RX-) Kanälen. Beispiele für ein MIMO- (multiple-input/multiple-output) Radarsystem werden später mit Bezug auf 5-9 diskutiert.
2 illustriert exemplarisch die erwähnte Frequenzmodulation des Signals s_RF(t). Wie in 2 dargestellt, ist das Signal s_RF(t) aus einer Menge von „Chirps“ zusammengesetzt, d.h. Signal s_RF(t) umfasst eine Sequenz von sinusförmigen Signalverläufen (waveforms) mit steigender (Up-Chirp) oder fallender (Down-Chirp) Frequenz (siehe oberes Diagramm in 2). Im vorliegenden Beispiel steigt die Momentanfrequenz f(t) eines Chirps bei einer Startfrequenz f_START beginnend innerhalb einer Zeitspanne T_RAMP linear auf eine Stopfrequenz f_STOP an (siehe unteres Diagramm in 2). Derartige Chirps werden auch als lineare Frequenzrampen bezeichnet. In 2 sind drei identische lineare Frequenzrampen dargestellt. Es sei jedoch angemerkt, dass die Parameter f_START, F_STOP, T_RAMP sowie die Pause zwischen den einzelnen Frequenzrampen variieren können. Die Frequenzvariation muss auch nicht zwangsläufig linear sein. Abhängig von der Implementierung können beipsielsweise auch Sendesignale mit exponentieller (exponentielle Chirps) oder hyperbolischer (hyperbolische Chirps) Frequenzvariation verwendet werden.
3 ist ein Blockdiagramm, welches exemplarisch eine mögliche Struktur einer Radarvorrichtung 1 (Radarsensor) darstellt. Demnach sind zumindest eine Sendeantenne 5 (TX-Antenne) und zumindest eine Empfangsantenne 6 (RX-Antenne) mit einem in einem MMIC integrierten HF-Frontend 10 verbunden, welches all jene Schaltungskomponenten beinhalten kann, die für die HF-Signalverarbeitung benötigt werden. Diese Schaltungskomponenten umfassen beispielsweise einen Lokaloszillator (LO), HF-Leistungsverstärker, rauscharme Verstärker (LNA, low-noise amplifier), Richtkoppler (z.B. Rat-Race-Koppler, Zirkulatoren, etc) sowie Mischer für das Heruntermischen der HF-Signale in das Basisband oder ein Zwischenfrequenzband (ZF-Band). Das HF-Frontend 10 kann - ggf. zusammen mit weiteren Schaltungskomponenten - in einem MMIC integriert sein. Das dargestellte Beispiel zeigt ein bistatisches (oder pseudo-monostatisches) Radarsystem mit separaten RX- und TX-Antennen. Im Falle eines monostatischen Radarsystems würde eine einzige Antenne sowohl zum Abstrahlen als auch zum Empfangen der elektromagnetischen (Radar-) Signale verwendet. In diesem Fall kann ein Richtkoppler (z.B. ein Zirkulator) dazu verwendet werden, die in den Radar-Kanal abzustrahlenden HF-Signale von den vom Radar-Kanal empfangenen HF-Signalen (Radarechos) zu separieren. Wie erwähnt weisen Radarsysteme in der Praxis meist mehrere Sende- und Empfangskanäle mit mehreren Sende- bzw. Empfangsantennen auf, was unter anderem eine Messung der Richtung (DoA, direction ofarrival), aus der die Radarechos empfangen werden, ermöglicht. Bei derartigen MIMO-Systemen sind die einzelnen TX-Kanäle und RX-Kanäle üblicherweise jeweils gleich oder ähnlich aufgebaut.
Im Falle eines frequenzmodulierten Dauerstrichradarsystems (FMCW-Radarsystems) können die über die TX-Antenne 5 abgestrahlten HF-Signale z.B. im Bereich von ca. 20 GHz bis 100 GHz liegen (z.B. rund 77 GHz in manchen Anwendungen). Wie erwähnt, umfasst das von der RX-Antenne 6 empfangene HF-Signal die Radar-Echos, d.h. jene Signalkomponenten, die an einem oder an mehreren Radar-Targets zurückgestreut werden. Das empfangene HF-Signal y_RF(t) wird z.B. ins Basisband heruntergemischt und im Basisband mittels analoger Signalverarbeitung weiter verarbeitet (siehe 3, analoge Basisband-Signalverarbeitungskette 20). Die genannte analoge Signalverarbeitung umfasst im Wesentlichen eine Filterung und ggf. eine Verstärkung des Basisbandsignals. Das Basisbandsignal wird schließlich digitalisiert (siehe 3, Analog-Digital-Wandler 30) und im Digitalbereich weiterverarbeitet. Die digitale Signalverarbeitungskette kann zumindest teilweise als Software realisiert sein, welche auf einem Prozessor, beispielsweise einem Mikrocontroller oder einem digitalen Signalprozessor (siehe 3, DSP 40) ausgeführt werden kann. Das Gesamtsystem wird in der Regel mittels eines System-Controllers 50 gesteuert, welche ebenfalls zumindest teilweise als Software implementiert sein kann, die auf einem Prozessor wie z.B. einem Mikrocontroller ausgeführt werden kann. Das HF-Frontend 10 und die analoge Basisband-Signalverarbeitungskette 20 (optional auch der Analog-Digital-Wandler 30) können gemeinsam in einem einzigen MMIC (d.h. einem HF-Halbleiterchip) integriert sein. Alternativ können die einzelnen Komponenten auch auf mehrere integrierte Schaltungen verteilt sein.
4 illustriert eine exemplarische Implementierung des HF-Frontends 10 mit nachgeschalteter Basisbandsignalverarbeitungskette 20, welche Teil des Radarsensors aus 3 sein können. Es sei angemerkt, dass 4 einen vereinfachten Schaltplan darstellt, um die grundlegende Struktur des HF-Frontends mit einem Sendekanal (TX-Kanal TX01) und einem Empfangskanal (RX-Kanal RX01) zu zeigen. Tatsächliche Implementierungen, die stark von der konkreten Applikation abhängen können, können natürlich komplexer sein und weisen in der Regel mehrere TX- und/oder RX-Kanäle auf. Das HF-Frontend 10 umfasst einen Lokaloszillator 101 (LO), der ein HF-Oszillatorsignal s_LO(t) erzeugt. Das HF-Oszillatorsignal s_LO(t) kann, wie oben unter Bezugnahme auf 2 beschrieben, frequenzmoduliert sein und wird auch als LO-Signal bezeichnet. In Radaranwendungen liegt das LO-Signal üblicherweise im SHF- (Super High Frequency, Zentimeterwellen-) oder im EHF- (Extremely High Frequency, Millimeterwellen-) Band, z.B. im Intervall von 76 GHz bis 81 GHz bei manchen automobilen Anwendungen.
Das LO-Signal s_LO(t) wird sowohl im Sendesignalpfad (im TX-Kanal) als auch im Empfangssignalpfad (im RX-Kanal) verarbeitet. Das Sendesignal s_RF(t) (vgl. 2), das von der TX-Antenne 5 abgestrahlt wird, wird durch Verstärken des LO-Signals s_LO(t), beispielsweise mittels des HF-Leistungsverstärkers 102, erzeugt und ist damit lediglich eine verstärkte Version des LO-Signals s_LO(t). Der Ausgang des Verstärkers 102 kann mit der TX-Antenne 5 gekoppelt sein (im Falle einer bistatischen bzw. pseudo-monostatischen Radarkonfiguration). Das Empfangssignal y_RF(t), welches von der RX-Antenne 6 empfangen wird, wird der Empfängerschaltung im RX-Kanal und damit direkt oder indirekt HF-Port des Mischers 104 zugeführt. Im vorliegenden Beispiel wird das HF-Empfangssignal y_RF(t) (Antennensignal) mittels des Verstärkers 103 (Verstärkung g) vorverstärkt. Dem Mischer 104 wird also das verstärkte HF-Empfangssignal g · y_RF(t) zugeführt. Der Verstärker 103 kann z.B. ein LNA sein. Dem Referenz-Port des Mischers 104 ist das LO-Signal s_LO(t) zugeführt, sodass der Mischer 104 das (vorverstärkte) HF-Empfangssignal y_RF(t) in das Basisband heruntermischt. Das heruntergemischte Basisbandsignal (Mischerausgangssignal) wird mit y_BB(t) bezeichnet. Dieses Basisbandsignal y_BB(t) wird zunächst analog weiterverarbeitet, wobei die analoge Basisbandsignalverarbeitungskette 20 im Wesentlichen eine Verstärkung (Verstärker 22) und eine Filterung (z.B. Bandpass 21) bewirkt, um unerwünschte Seitenbänder und Spiegelfrequenzen zu unterdrücken. Das resultierende analoge Ausgangssignal, welches einem Analog-Digital-Wandler (siehe 3, ADC 30) zugeführt ist, wird mit y(t) bezeichnet. Verfahren für die digitale Weiterverarbeitung des Ausgangssignals (digitales Radarsignal y[n]) sind an sich bekannt (beispielsweise die Range-Doppler-Analyse) und werden daher hier nicht weiter diskutiert.
Im vorliegenden Beispiel mischt der Mischer 104 das vorverstärkte HF-Empfangssignal g·y_RF(t) (d.h. das verstärkte Antennensignal) hinunter ins Basisband. Das Mischen kann in einer Stufe erfolgen (also vom HF-Band direkt ins Basisband) oder über eine oder mehrere Zwischenstufen (also vom HF-Band in ein Zwischenfrequenzband und weiter ins Basisband). In diesem Fall umfasst der Empfangsmischer 104 effektiv mehrere in Serie geschaltete einzelne Mischerstufen. Angesichts des in 4 gezeigten Beispiels wird deutlich, dass die Qualität einer Radarmessung stark von der Qualität des LO-Signals s_LO(t), beispielsweis von dem in dem LO-Signal s_LO(t) enthaltenen Rauschen, welches quantitativ durch das Phasenrauschen des Lokaloszillators 101 bestimmt wird.
In Radarsystemen begrenzt das Grundrauschen (noise floor) die Empfindlichkeit, mit der Radarziele detektiert werden können, und folglich begrenzt dieses auch die Genauigkeit der Abstandsmessung. Phasenrauschen kann eine Verringerung der Zuverlässigkeit der Messwerte zur Folge haben oder sogar die Detektion von Radarzielen (insbesondere mit kleinen Radarquerschnitten) unmöglich machen. Jedenfalls ist es für die funktionale Sicherheit eines Radarsensors von Interesse, das in einem LO-Signal enthalten Rauschen und insbesondere das Phasenrauschen (Phase Noise) quantitativ zu schätzen und zu bewerten, während der Radarsensor im Betrieb ist. Die Performance eines MMICs (bzw. des darin enthaltenen Lokaloszillators) im Hinblick auf das Phasenrauschen kann sich im Laufe der Zeit verändern. Im Hinblick auf die funktionale Sicherheit von Radarsystemen kann das Phasenrauschen des Lokaloszillators in einem MMIC überwacht werden. Zu diesem Zweck können in einem MMIC Selbsttestfunktionen inkludiert sein, die dazu ausgebildet sind, zu prüfen, ob der MMIC ordnungsgemäß arbeitet, z.B. ob die Performance des Lokaloszillators im Hinblick auf das Phasenrauschen (noch) den vordefinierten, gewünschten Spezifikationen entspricht. Ist das nicht der Fall, kann der betroffene MMIC das negative Testergebnis z.B. über ein Statussignal einem übergeordneten Controller (z.B. System-Controller 50) anzeigen (vgl. auch 14 und die zugehörigen Erläuterungen).
5 ist ein Blockschalbild, das exemplarisch ein MIMO-Radarsystem mit mehreren gekoppelten (kaskadierten) MMICs darstellt. In dem dargestellten Beispiel sind vier MMICs auf einem Träger PCB, beispielsweise einer Platine (printed circuit board, PCB), angeordnet. Jeder MMIC 1, 2, 3 und 4 kann mehrere Sendekanäle TX01, TX02, etc. und mehrere Empfangskanäle RX01, RX02, etc. aufweisen. Für den Betrieb des Radarsystems ist es wichtig, dass die von den MMICs verwendeten LO-Signale kohärent sind. Deshalb wird das LO-Signal nur in einem MMIC - dem Master-MMIC 1 - erzeugt und an die Slave-MMICs 2, 3 und 4 verteilt. In dem dargestellten Beispiel wird dazu das LO-Signal s_LO(t) von einem LO-Ausgang LO_out des Master-MMICs 1 an den Eingang eines (unidirektionalen) Leistungsteilers (power splitter) 8 geleitet; die Ausgänge des Leistungsteilers sind mit LO-Eingängen LO_in der jeweiligen Slave-MMICs 2, 3 und 4 verbunden. Der LO-Ausgang LO_out und die LO-Eingänge LO_in können je nach Chip-Package als Pin, als Löt-Ball, oder dergleichen realisiert sein. In manchen Ausführungsbeispielen können der LO-Ausgang LO_out und/oder die LO-Eingänge LO_in durch dedizierte externe Kontakte (z.B. Pin, Löt-Ball, etc.) realisiert werden. Um die Anzahl der externen Kontakte der MMICs niedrig zu halten, kann auch der Ausgang eines Sendekanals (z.B. Kanal TX03) als LO-Ausgang oder LO-Eingang konfiguriert werden. Ein als LO-Ausgang oder LO-Eingang konfigurierter Sendekanal steht dann allerdings nicht mehr als Antennen-Port für den Anschluss an eine (Sende-) Antenne zur Verfügung. Gemäß dem in 5 dargestellten Beispiel können im Master-MMIC 1 der HF-Ausgang des Sendekanals TX03 als LO-Ausgang konfiguriert sein, wofür lediglich die Verstärkung des HF-Verstärkers (vgl. 4, Verstärker 102) angepasst werden muss. Die dadurch bewirkte Anpassung (Reduktion) der Signalleistung kann nötig oder sinnvoll sein, um das Übersprechen auf die Empfangskanäle RX01, RX02, etc.(vgl. 5) gering zu halten sowie um Energie zu sparen. Bei den Slave-MMICs 2, 3 und 4 sind die HF-Ausgänge der jeweiligen Sendekanäle TX03 als LO-Eingänge konfiguriert, was mittels Koppler und/oder Schalter realisiert werden kann.
In dem dargestellten Beispiel können die mit TX01 und TX02 bezeichneten Ausgänge mit (Sende-) Antennen und die mit RX01, RX02, RX03 und RX04 bezeichneten Eingänge mit (Empfangs-) Antennen verbunden werden. Die Verbindung zwischen den MMICs und dem Leistungsteiler 8 kann z.B. mittels (z.B. differentiellen) Streifenleitungen (strip lines) auf der Trägerplatine PCB realisiert sein. Auch der Leistungsteiler 8 kann mittels Streifenleitungen auf der Trägerplatine PCB realisiert sein (z.B. als Wilkinson-Teiler). Am dieser Stelle sein darauf hingewiesen, dass alle MMICs Lokaloszillatoren 101 (z.B. PLLs) aufweisen können, jedoch in den als Slave konfigurierten MMICs 2-4 diese nicht genutzt werden. Für den normalen Radarbetrieb wird das LO-Signal zentral im Master-MMIC erzeugt und auf die Slave-MMICs verteilt. Auf diese Weise wird erreicht, dass die in den MMICs verarbeiteten LO-Signale kohärent sind.
In dem in 5 dargestellten Beispiel erzeugt der Master-MMIC 1 das LO-Signal s_LO(t) und verteilt es über den LO-Ausgang des Master-MMICs 1 an die Slave-MMICs 2, 3 und 4, wodurch mehrere MMICs in Serie geschaltet (kaskadiert) werden können. Das (System-) Taktsignal s_CLK(t) kann ebenfalls vom Master-MMIC 1 erzeugt und an die Slave-MMICs 2, 3, und 4 verteilt werden. Für diesen Zweck weisen die MMICs 1, 2, 3, und 4 jeweils einen separaten Takt-Ausgang XOUT bzw. Takt-Eingang XIN auf, die mittels Streifenleitungen verbunden sein können. Das Taktsignal s_CLK(t) kann eine Taktfrequenz von einigen MHz aufweisen (z.B. 200 MHz), wohingegen das LO-Signal eine LO-Frequenz f_LO von mehreren GHz aufweist (z.B. 76-81 GHz). Alternativ kann das Taktsignal auch in einem separaten Taktgenerator-Chip erzeugt werden, der z.B. einen QuarzOszillator enthalten kann. In diesem Fall wird das von dem Taktgenerator-Chip erzeugte Taktsignal s_CLK(t) allen MMICs (Master-MMIC 1 und Slave MMICs 2-4) zugeführt. In manchen Ausführungsbeispielen kann der Master-MMIC 1 auch so konfiguriert sein, dass er lediglich das Taktsignal s_CLK(t) und das LO-Signal s_LO(t) für die Slave-MMICs 2-4 erzeugt und die Sende- und Empfangskanäle TX01, TX02, RX01, RX02, etc. ungenutzt bleiben.
6 zeigt ein Beispiel eines konfigurierten Radarsystems mit mehreren auf einer Leiterplatte angeordneten MMICs 1, 2 und 3 sowie einem System-Controller 50, der mit den MMICs 1, 2, und 3 verbunden und dazu ausgebildet ist, über eine digitale Kommunikationsschnittstelle mit den MMICs 1, 2, und 3 zu kommunizieren. In einem Ausführungsbeispiel ist die Kommunikationsschnittstelle ein Serial Peripheral Interface (SPI), jedoch können auch andere serielle oder parallele Kommunikationsschnittstellen verwendet werden. Über die Kommunikationsschnittstelle kann der System-Controller 50 die Betriebsmodi (z.B. Master-Modus, Slave-Modus) der MMICs 1, 2 und 3 konfigurieren, die über einen Konfigurations-Eingang CFG (im vorliegenden Beispiel ein SPI-Interface) Konfigurationsdaten DAT_CFG empfangen und, abhängig von den empfangenen Konfigurationsdaten DAT_CFG als Master oder als Slave betrieben werden. Wie im vorhergehenden Beispiel aus 5 stellt der Master-MMIC (in 6 der MMIC 1) das LO-Signal s_LO(t) an einem LO-Ausgang LO_out zur Verfügung. Dieser LO-Ausgang LO_out ist mit korrespondierenden LO-Eingängen LO_in der Slave-MMICs (in 6, MMICs 2 und 3) verbunden, an denen den Slave-MMICs das LO-Signal s_LO(t) des Master-MMICs zugeführt wird.
Um das LO-Signal s_LO(t) zu verteilen, sind die MMICs 1, 2 und 3 über einen bidirektionalen Koppler 9 (z.B. ein passiver Hybrid-Koppler wie beispielsweise ein Rat-Race-Koppler) verbunden. Der Koppler 9 empfängt an einem Port das LO-Signal s_LO(t) des Master-MMICs und verteilt dieses auf anderen Ports, die mit den LO-Eingängen LO_in der Slave-MMICs verbunden sind. Im vorliegenden Beispiel verteilt der Koppler 9 das LO-Signal s_LO(t) auf zwei Ports, wobei eine Hälfte der Leistung des vom Master-MMIC erzeugten LO-Signals s_LO(t) dem Slave-MMIC 2 und die andere Hälfte dem Slave-MMIC 3 zugeführt. In anderen Worten, das LO-Signal s_LO(t) wird im Signalpfad vom Master-MMIC 1 zum Slave-MMIC 2 um ca. 3 dB abgeschwächt und im Signalpfad vom Master-MMIC 1 zum Slave-MMIC 3 ebenfalls um ca. 3 dB abgeschwächt. In praktischen Implementierungen sind Verluste zu Berücksichtigen und die Abschwächung ist daher etwas größer. Die Verwendung von passiven (Hybrid-) Kopplern ermöglicht eine vergleichsweise einfache Implementierung eines bidirektionalen Kopplers mittels auf der Trägerplatine angeordneter planarer Leiterbahnstrukturen, wie z.B. Streifenleitungen (micro-strip lines, coplanar lines) und/oder im Substrat der Trägerplatine integrierte Wellenleiter (waveguides). In dem dargestellten Beispiel sind die MMICs 1, 2 und 3 in einer Art Sternschaltung mit dem Koppler 9 verbunden, das heißt der Koppler 9 ist das zentrale Element, mit dem die HF-Kontakte (LO-Eingänge der Slave-MMICs und der LO-Ausgang des Master-MMICs) verbunden sind. In einer Sternschaltung läuft das LO-Signal s_LO(t) vom Master-MMIC über den Koppler zu den Slave-MMICs. Im Gegensatz dazu läuft z.B. bei einer Kettenschaltung (eine Art Daisy-Chain) das LO-Signal von einem MMIC zum nächsten.
Anders als aktive Komponenten (z.B. aktive elektronische Schalter) weisen rein passive Komponenten (wie z.B. passive, aus Streifenleitungen aufgebaute Koppler) üblicherweise eine geringere Ausfallwahrscheinlichkeit auf, was in Bezug auf die funktionale Sicherheit wichtig sein kann, da je nach Anwendung es notwendig sein kann bestimmte Normen in Bezug auf die funktionale Sicherheit zu erfüllen (z.B. ISO 26262). Verschiedene exemplarische Implementierungen passiver bidirektionaler Hybrid-Koppler werden weiter unten mit Bezug auf 13 noch detaillierter erläutert.
Wie erwähnt ist der Koppler 9 bidirektional. Das heißt, jeder Port des Kopplers 9 kann - je nach Signalflussrichtung - sowohl als Eingangs-Port als auch als Ausgangs-Port arbeiten. Der LO-Ports der MMICs sind vom System-Controller 50 sowohl als LO-Eingänge LO_in als auch als LO-Ausgänge LO_out konfigurierbar. Während des Normalbetriebs (d.h. in einem ersten Betriebsmodus) sind - wie in 6 dargestellt - der MMIC 1 als Master und die MMICs 2 und 3 als Slaves konfiguriert. Wenn nun beispielsweise der Master-MMIC 1 defekt ist oder nicht mehr gemäß den erforderlichen, vordefinierten Spezifikationen (d.h. nicht mehr ordnungsgemäß) arbeitet, kann der System-Controller 50, das Radarsystem umkonfigurieren und in einen „Notbetrieb“ (d.h. einen zweiten Betriebsmodus) wechseln, in dem einer der bisherigen Slave-MMICs (z.B. MMIC 2) die Rolle des Masters übernimmt und der bisherige Master-MMIC deaktiviert wird. Diese Situation ist in 7 dargestellt.
Das Beispiel in 7 zeigt das Radarsystem aus 6, nach einer Umkonfiguration aufgrund eines defekten Master-MMICs. Demnach wurde MMIC 2 als Master-MMIC konfiguriert und erzeugt nun das LO-Signal s_LO(t). Der externe Kontakt LO_in/LO_out and dem das LO-Signal - je nach Konfiguration - zugeführt oder ausgegeben werden kann, ist in dieser Situation als LO-Ausgang konfiguriert und demnach in 7 mit LO_out bezeichnet. Die Konfiguration von MMIC 3 ist in 7 dieselbe wie in 6, und MMIC 1 (der bisherige Master-MMIC) wurde deaktiviert. Da der Koppler 9 bidirektional betrieben werden kann, ist keine Umkonfiguration des Kopplers 9 oder Veränderung der Kopplung mit den HF-Kontakten an den MMICs nötig. In dem in 7 dargestellten Beispiel wird das LO-Signal s_LO(t) dem mit MMIC 2 verbundenen Port des Kopplers 9 zugeführt und die Signalleistung auf die anderen Ports verteilt. Die Signalflussrichtung durch den Koppler 9 ist durch die gestrichelten Pfeile angedeutet.
In dem in 6 und 7 dargestellten Beispiel sind nur die für die Verteilung des LO-Signals wichtigen Komponenten eingezeichnet, um die Darstellung einfach zu halten. Es versteht sich, dass jeder der MMIC 1, 2 und 3 zusätzlich einen oder mehrere RX- und TX-Kanäle aufweist, die mit entsprechenden RX- und TX- Antennen gekoppelt sein können (vgl. 4 und 5). Bei einem statisch konfigurierten System (wie z.B. das Beispiel in 5) stellt der Master-MMIC einen sogenannten „Single Point ofFailure“ (SPOF) dar, bei dessen Ausfall, das gesamte Radarsystem ausfällt. Die Umkonfiguration wie in dem Beispiel aus 6 und 7 dargestellt ermöglicht es, einen defekten/inaktiven Master-MMIC zu ersetzen, indem ein Slave-MMIC die Rolle des Masters übernimmt und das LO-Signal erzeugt. Die Verteilung des Systemtakt-Signals s_CLK(t) ist in dem Beispiel aus 6 und 7 nicht dargestellt. Das Taktsignal s_CLK(t) kann jedoch auf ähnliche Weise verteilt werden wie das LO-Signal. Da die Frequenz des Taktsignals s_CLK(t) viel kleiner ist (z.B. 50-200 MHZ) ist in der Regel kein HF-Koppler nötig, um das Taktsignal an die Slave-MMICs zu verteilen (vgl. 5). Sofern der Master-MMIC in einer Art und Weise ausfällt, dass er kein Takt-Signal generieren kann, kann ein Slave-MMIC für die Erzeugung eines Taktsignals umkonfiguriert werden. An dieser Stelle sei angemerkt, dass das LO-Signal Master-MMIC s_LO(t) und das Taktsignal s_CLK(t) nicht unbedingt im selben MMIC erzeugt werden müssen. Ein defekter/inaktiver Master-MMIC, der kein LO-Signal mehr generieren kann, könnt - je nach Art des Defekts - dennoch ein Taktsignal s_CLK(t) für die übrigen MMICs generieren. Insofern beziehen sich die Begriffe „Master“ und „Slave“ lediglich auf die Erzeugung des LO-Signals s_LO(t).
Das in 6 dargestellte Beispiel kann wie in 8 dargestellt kaskadiert werden. Gemäß dem Beispiel aus 8 erfolgt die Verteilung des LO-Signals über eine zweistufige Koppleranordnung mit mehreren Kopplern 9, 9'. In der ersten Stufe verteilt der Koppler 9 das von dem Master-MMIC 1 empfangene LO-Signal s_LO(t) auf die Koppler 9' der zweiten Stufe, und die Koppler 9' verteilen das vom Koppler 9 der ersten Stufe empfangene LO-Signal s_LO(t) auf die Slave-MMICs 2, 3, 4 und 5. Die Koppler 9 und 9' sind wie im vorherigen Beispiel aus 6 bidirektionale Koppler und können z.B. mittels Streifenleitungen auf der Trägerplatine PCB (in 8 und 9 nicht dargestellt) implementiert werden. Die Signalflussrichtung durch die Koppler 9, 9' ist in 8 durch gestrichelte Pfeile angedeutet. Da die Koppler 9, 9' die Leistung des an einem Port eingehenden LO-Signals s_LO(t) auf die beiden anderen Ports aufteilen, beträgt die Abschwächung in jeder Stufe mindestens 3 dB. Dies ist ein theoretischer Minimalwert. In praktischen Implementierungen ist die tatsächliche Abschwächung aufgrund von Verlusten und Leitungsdämpfung größer. Auch in diesem Beispiel sind die MMICs in Bezug auf die Koppleranordnung in Sternform angeordnet (Sternschaltung/sternförmige Topologie).
9 illustriert eine Situation, in der das System gemäß 8 aufgrund eines defekten Master-MMICs umkonfiguriert wurde. Demnach ist MMIC 1 inaktiv/deaktiviert und der bisherige Slave-MMIC 2 ist als Master-MMIC konfiguriert und stellt daher das LO-Signal an dem als LO-Ausgang konfigurierten externen Kontakt LO_out zur Verfügung. Wie bereits zuvor unter Bezugnahme auf 7 erläutert kann der externe LO-Eingang LO_in als LO-Ausgang LO_out umkonfiguriert werden. In dieser Situation empfängt der (in 9 links gezeigte) Koppler 9' das LO-Signal s_LO(t) vom „neuen“ Master-MMIC 2 und verteilt dieses LO-Signal an den Slave-MMIC 3 und den Koppler 9 der ersten Stufe. Dieser Koppler 9 verteilt das LO-Signal weiter am den anderen (in 9 rechts gezeigten Koppler 9' der zweiten Stufe, der wiederum das LO-Signal an die Slave-MMICs 4 und 5 weiter verteilt. Die Signalflussrichtung durch die Koppler 9, 9' ist in 9 durch die gestrichelten Pfeile dargestellt.
Wie erwähnt, sind in den Beispielen gemäß 6-9 die MMICs dazu ausgebildet, abhängig von den vom System-Controller 50 empfangenen Konfigurationsdaten DAT_CFG (siehe 6, in 8-9 nicht gezeigt) sowohl in einem Master-Modus als auch in einem Slave-Modus zu arbeiten. Jeder MMIC beinhaltet einen Lokaloszillator (vgl. 4, Lokaloszillator 101), der allerdings nur im Master-Modus in Betrieb ist und im Slave-Modus inaktiv ist. Im Master-Modus ist ein externer Kontakt des MMICs als LO-Ausgang LO_out konfiguriert, an dem das LO-Signal ausgegeben (z.B. an den Koppler 9) wird. Im Slave-Modus ist derselbe externe Kontakt als LO-Eingang LO_in konfiguriert und der Lokaloszillator deaktiviert; ein Slave-MMIC empfängt das LO-Signal vom Master-MMIC an dem als LO-Eingang LO_in konfigurierten externen Kontakt.
In den bisher dargestellten Beispielen konnte ein externer HF-Kontakt entweder als LO-Ausgang LO_out (im Master-Modus) oder als LO-Eingang (im Slave-Modus) konfiguriert werden. In dem in 10 dargestellten Beispiel, das eine Modifikation des Beispiels aus 9 zeigt, ist diese Konfigurierbarkeit der HF-Kontakte der MMICs (im dargestellten Beispiel MMIC 2 und 3) nicht nötig, da zwei separate Kontakte vorgesehen sind, von denen einer als LO-Eingang und einer als LO-Ausgang dient. Dabei ist im Master-Modus, lediglich der LO-Ausgang LO_out und im Slave-Modus lediglich der LO-Eingang LO_in aktiv. Die externen Kontakte LO_in, LO_out der MMICs 2 und 3 sind in diesem Fall über Zirkulatoren 9" mit dem bidirektionalen Hybrid-Koppler 9' verbunden. Die dargestellte Situation entspricht der aus 9, wobei MMIC 2 als Master-MMIC konfiguriert ist und das LO-Signal s_LO(t) erzeugt und am LO-Ausgang LO_out bereitstellt. Der LO-Ausgang LO_out der MMIC 2 ist mit dem Zirkulator Z2 verbunden, der das LO-Signal s_LO(t) an den Koppler 9' weiterleitet. Der Koppler 9' leitet das LO-Signal weiter zum Zirkulator Z3, der dieses wiederum dem LO-Eingang LO_in des als Slave konfigurierten MMIC 3 zuführt. Die in 10 dargestellte Kombination aus MMIC und Zirkulator kann in allen hier beschriebenen Ausführungsbeispielen verwendet werden, wenn die MMICs keinen als LO-Eingang und LO-Ausgang konfigurierbaren externen HF-Kontakt aufweisen. Statt (passiven) Zirkulatoren können auch aktive Komponenten wie z.B. elektronische Schalter verwendet werden.
In den bisher gezeigten Ausführungbeispielen weist der Master-MMIC immer einen als LO-Ausgang LO_out konfigurierten HF-Kontakt auf, wobei der Master-MMIC und die Slave-MMICs mittels einer Koppleranordnung in einer Art Sternschaltung (star connection, Y-connection) verbunden sind (sternförmige Topologie). In dem Beispiel aus 6 und 7 beinhaltet die Koppleranordnung lediglich den Koppler 9. In dem Beispiel aus 8 und 9 beinhaltet die Koppleranordnung den Koppler 9 in der ersten Verteilerstufe und zwei Koppler 9' in der zweiten Verteilerstufe, um das LO-Signal s_LO(t) des Master-MMICs 1 auf vier Slave-MMICs 2, 3, 4, 5 zu verteilen. Eine mehrstufige Koppleranordnung führt zu einer höheren Durchgangsdämpfung. IN dem in 10 dargestellten Beispiel weist die Koppleranordnung für jeden Slave-MMIC noch einen Zirkulator auf, was ebenfalls die Durchgangsdämpfung erhöht und die Implementierung komplexer macht. In dem in 11 und 12 dargestellten Beispiel weist der anfänglich als Master konfigurierte MMIC 1 zwei als LO-Ausgänge LO_out konfigurierte HF-Kontakte auf, wobei an jedem der beiden LO-Ausgänge LO_out ein Koppler 9 angeschlossen ist.
Das in 11 dargestellte System kann als aus zwei Subsystemen zusammengesetzt betrachtet werden, wobei die beiden Subsysteme im Wesentlichen wie das Beispiel aus 6 aufgebaut sind und der Master-MMIC der Master für beide Subsysteme ist. Im Normalbetrieb (erster Betriebsmodus) sind alle fünf MMICs 1-5 aktiv. Sofern der Master-MMIC 1 nicht mehr ordnungsgemäß arbeitet und keine LO-Signale s_LO(t) mehr generieren kann, die den gewünschten Spezifikationen entsprechen, kann in den „Notbetrieb“ (zweiter Betriebsmodus) gewechselt werden, indem der Master-MMIC 1 deaktiviert (mittels des System-Controllers 50, siehe 6 oder 14) und ein Slave-MMIC in einem der Subsysteme als neuer Master-MMIC konfiguriert wird. Diese Situation ist in 12 dargestellt, in der der MMIC 2 als neuer Master-MMIC konfiguriert wurde, während der bisherige Master-MMIC 1 inaktiv ist. Es versteht sich, dass bei der in 11 und 12 dargestellten Anordnung in dem zweiten Betriebsmodus nur mehr jenes Subsystem aktiv sein kann, in dem sich der neue Master-MMIC 2 befindet. Die MMICs 4 und 5 in dem anderen Subsystem erhalten - anders als in dem, Beispiel aus 9 - kein LO-Signal mehr.
Als Erweiterung zu dem in 12 dargestellten Beispiel kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel in dem zweiten Betriebsmodus (Notbetrieb) in jedem der Subsysteme ein Slave-MMIC als neuer Master-MMIC konfiguriert werden. In diesem Fall würde nicht nur der MMIC 2, sondern auch z.B. der MMIC 4 als Master-MMIC konfiguriert und es können die MMICs in beiden Subsystemen weiter betrieben werden, auch wenn der bisherige Master-MMIC 1 defekt/inaktiv ist. Allerdings sind in diesem Fall die LO-Signale in den beiden Subsystemen nicht mehr kohärent, was für manche Auswertungen (z.B. bei der Ermittlung des DoA) Einschränkungen mit sich bringt.
In 13 sind mehrere Beispiele passiver, bidirektionaler Koppler (Hybridkoppler) dargestellt, die bei der Implementierung der Radar-Systeme aus 6 und 8 verwendet werden können. Das Diagramm (a) aus 13 zeigt anhand einer schematischen Skizze zwei Konfigurationen der angeschlossenen MMICs, in denen die Signalflussrichtung unterschiedlich ist. Der in Diagramm (a) links dargestellte Koppler zeigt die Situation aus 6, in der das LO-Signal vom Master-MMIC vom Port P1 an die Ports P2 und P3 durchgeleitet wird. Der in Diagramm (a) rechts dargestellte Koppler zeigt die Situation aus 7, in der der bisherige Master-MMIC deaktiviert ist und ein Slave-MMIC als neuer Master-MMIC konfiguriert wurde. In diesem Fall wird das LO-Signal vom Port P2 an die Ports P3 und P1 durchgeleitet. Das Diagramm (a) der 13 illustriert einen idealen Fall. In der Praxis sind Koppler, die zwischen zwei Ports eine hohe Isolation aufweisen, nicht biderektional und können nur als unidirektionale Splitter (vgl. 5, Splitter 8) betrieben werden, die einen dedizierten Eingang und zwei dedizierte Ausgänge haben und bei denen die Signalflussrichtung nicht umkehrbar ist. In den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen werden Koppler eingesetzt die eine höhere Durchgangsdämpfung (transmission loss) und eine schlechtere Isolation aufweisen können als Leistungsteiler (Splitter), dafür jedoch bidirektional betrieben werden können.
Der in Diagramm (b) der 13 dargestellte Koppler wird häufig als T-Verbindungs-Koppler (T-junction coupler) bezeichnet. Dieser weist eine für alle Signalflussrichtungen ähnliche Werte für Durchgangsdämpfung und Isolation auf. Andere Kopplerstrukturen wie z.B. der in Diagramm (c) der 13 dargestellte Ringkoppler (Rat-Race-Koppler) weist bei einem am Port P1 eingehenden LO-Signal (Situation aus 6) bessere Werte für Durchgangsdämpfung und Isolation auf als in einer Situation (vgl. 7), in der das LO-Signal am Port P2 ankommt. Da der erste Fall (Situation aus 6) den „Normalbetrieb“ darstellt, kann die erwähnte Asymmetrie des Ringkopplers sinnvoll sein, da er im Normalbetrieb eine bessere Performance liefert als der symmetrische T-Verbindungs-koppler. Im Fehlerfall (Situation aus 7 oder 12) wird die schlechtere Performance in Kauf genommen. Diagramm (d) der 13 zeigt einen weiteren Ringkoppler, der - ähnlich wie der T-Verbindungs-Koppler für alle Signalflussrichtungen ähnliche Werte für Durchgangsdämpfung und Isolation aufweist. In den Diagrammen der 13 bezeichnet Zo den Wellenwiderstand der Leitungen. Die in 13 dargestellten Kopplerstrukturen und deren Funktionsweise sind an sich bekannt und werden daher hier nicht detaillierter beschrieben.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele sind dazu geeignet, das Radar-System umzukonfigurieren, falls der als Master konfigurierte MMIC defekt ist, d.h. nicht mehr gemäß gewünschten, vordefinierten Spezifikationen (d.h. nicht mehr ordnungsgemäß) arbeitet. Ein Defekt kann verschiedene Ursachen haben. Gemäß dem in 14 dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die MMICs Selbsttest-Funktionen auf, und die MMICs 1, 2, 3 sind dazu ausgebildet, an einem Status-Ausgang OK ein Statussignal OK₁, OK₂, OK₃ auszugeben, das anzeigt, ob der jeweilige MMIC gemäß den gewünschten Spezifikationen entsprechend (d.h. ordnungsgemäß) arbeitet. Die Statussignale OK₁, OK₂, OK₃ sind der Steuereinheit 50 zugeführt, die basierend auf den Statussignalen OK₁, OK₂, OK₃ erkennen kann, ob ein MMIC defekt ist (nicht gemäß den gewünschten Spezifikationen arbeitet) und das Radarsystem wegen eines Defekts umkonfiguriert werden muss. Abgesehen von den Status-Ausgängen OK und den zugehörigen Status-Signalen OK₁, OK₂, OK₃ entspricht das System aus 14 dem vorherigen Beispiel aus 6 und es wird auf die diesbezüglichen Erläuterungen oben verwiesen.
Die in den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen eingesetzten Radar-MMICs können Selbsttest- und Diagnose-Funktionen aufweisen. Diese Funktionen können z.B. dazu dienen verschiedene Betriebsparameter der MMICs zu überwachen, wie z.B. die Charakteristik des Phasenrauschens des Lokaloszillators, die Stromaufnahme, das Vorhandensein des Systemtakts sowie weitere Betriebsparameter, die zur Gewährleistung der funktionalen Sicherheit im Hinblick auf die ISO 26262 Norm überwacht werden.
13 illustriert in einem Flussdiagramm ein Beispiel eines Verfahrens zum Betrieb eines Radarsystems, sodass ein Single Point ofFailure vermieden werden kann. Das Radarsystem umfasst dabei mindestens drei MMICs (Radar-Chips) wie z.B. in 6 dargestellt. Die MMICs weisen dabei externe HF-Kontakte auf, die über eine Koppleranordnung gekoppelt sind. Gemäß dem dargestellten Flussdiagramm umfasst das Verfahren das Konfigurieren eines ersten der mindestens drei MMICs als Master-Chip (siehe 15, Schritt S1) und das Konfigurieren der anderen der Radar-Chips als Slave-Chips (siehe 15, Schritt S2). Dabei umfasst das Konfigurieren als Master-MMIC das Konfigurieren des jeweiligen HF-Kontakts als HF-Ausgang, an dem der Master-MMIC das Lokaloszillator s_LO(t) ausgibt, welches über die Koppleranordnung an die Slave-MMICs verteilt wird. Das Konfigurieren als Slave-MMIC umfasst das Konfigurieren des jeweiligen HF-Kontakts als HF-Eingang, an dem das Lokaloszillatorsignal s_LO(t) von der Koppleranordnung empfangen wird. Ein Beispiel für eine derartige Konfiguration ist in 6 gezeigt (vgl. 6, Master-MMIC 1, Slave-MMICs 2 und 3).
Das Verfahren umfasst weiter das Detektieren, ob der Master-MMIC gemäß einer vordefinierten Spezifikation arbeitet oder nicht (siehe 15, Schritt S3). Im Falle eines negativen Ergebnisses (d.h. der Master-MMIC arbeitet nicht gemäß der vordefinierten Spezifikation) beinhaltet das Verfahren die Umkonfiguration des Radarsystems, wobei der bisherige Master-MMIC deaktiviert und einer der Slave-MMICs als „neuen“ Master-MMIC umkonfiguriert wird (siehe 15, Schritt S4). Ein Beispiel für das Ergebnis dieser Umkonfiguration ist in 7 dargestellt.
16 enthält Blockdiagramme zur Darstellung eines weiteren Beispiels eines Radar-Systems mit kaskadierten Radar-MMICs, wobei 16A das System mit sechs funktionsfähigen MMICs und 16B, 16C und 16D dasselbe System mit je einem defekten oder als inaktiv konfigurierten MMIC darstellen. Die MMICs 1, 2, 3, 4 5 und 6 können im Wesentlichen gleich aufgebaut sein wie die MMICs in den vorhergehenden Beispielen (siehe z.B. 6), wobei die Steuerung 50 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist. In der in 16A dargestellten Situation können die Slave-MMICs 2, 3, 4 5 und 6 je einen LO-Eingang LO_in und einen LO-Ausgang LO_out haben, während der Master-MMIC 1 zwei LO-Ausgänge LO_out haben kann. In diesem Fall erfolgt bereits im Master-MMIC 1 eine Aufsplittung des LO-Signals s_LO(t) auf die beiden LO-Ausgänge LO_out.
In dem in 16A dargestellten Fall weisen die MMICs 1, 2, 3 und 4 jeweils vier RX-Kanäle RX01, RX02, RX03 und RX04 auf, denen jeweils ein Antennensignal von einer Empfangsantenne zugeführt ist. Die MMICs 5 und 6 weisen jeweils vier TX-Kanäle TX01, TX02, TX03 und TX04 auf. Die in 16A dargestellte räumliche Trennung, indem RX- und TX-Kanäle auf unterschiedlichen MMICs angeordnet sind, kann in manchen Anwendungen wünschenswert sein, ist jedoch nicht in allen Anwendungen notwendig. Das heißt, es können auch MMICs (Master und/oder Slave) mit RX- und TX-Kanälen in einem Silizium-Chip verwendet werden. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die in den 16A bis 16D dargestellte Anzahl und Aufteilung von RX- und TX-Kanälen rein exemplarisch ist und in anderen Ausführungsbeispielen andere Aufteilungen möglich sind.
Für den Betrieb des Radarsystems ist es wichtig, dass die von den MMICs verwendeten LO-Signale kohärent sind (d.h. eine definierte Phasenbeziehung zueinander haben). Deshalb wird das LO-Signal nur in einem MMIC - dem Master-MMIC 1 - erzeugt und an die Slave-MMICs 2-6 verteilt. In dem dargestellten Beispiel wird dazu das LO-Signal s_LO(t) von einem ersten LO-Ausgang LO_out des Master-MMICs 1 über eine HF-Leitung zu dem LO-Eingang LO_in des Slave-MMICs 2 übertragen. Im Slave-MMIC 2 wird das empfangene LO-Signal an die RX-Kanäle RX01, RX02, RX03 und RX04 des MMICs 2 verteilt, am LO-Ausgang LO_out wieder ausgegeben und weiter zum LO-Eingang LO_in des Slave-MMICs 3 übertragen. Im Slave-MMIC 3 wird das empfangene LO-Signal an die RX-Kanäle RX01, RX02, RX03 und RX04 des MMICs 3 verteilt, am LO-Ausgang LO_out wieder ausgegeben und weiter zum LO-Eingang LO_in des Slave-MMICs 4 übertragen. Gleichermaßen wird im Slave-MMIC 4 wird das empfangene LO-Signal im Chip an die RX-Kanäle RX01, RX02, RX03 und RX04 des MMICs 4 verteilt, am LO-Ausgang LO_out wieder ausgegeben und weiter zum LO-Eingang LO_in des Slave-MMICs 5 übertragen. Im Slave-MMIC 5 wird das empfangene LO-Signal an die TX-Kanäle TX01, TX02, TX03 und TX04 verteilt und über die zugehörigen Antennen (in 16 nicht dargstellt) abgestrahlt. Die Slave-MMICs 2-5 sind somit in Bezug auf die Verteilung des LO-Signals in einer Reihenschaltung miteinander gekoppelt.
Im Master-MMIC 1 wird das LO-Signal s_LO(t) auch an einem zweiten LO-Ausgang ausgegeben und das LO-Signal s_LO(t) zum LO-Eingang LO_in des Slave-MMICs 6 hin übertragen. Der Slave-MMIC 6 kann im Wesentlichen gleich aufgebaut sein wie der Slave-MMIC 5. Die Verteilung des Systemtakt-Signals s_CLK(t) ist in dem Beispiel aus 16 nicht dargestellt. Das Taktsignal s_CLK(t) kann jedoch auf ähnliche Weise verteilt werden wie das LO-Signal s_LO(t) (vgl. 5 und die zugehörigen Erläuterungen).
Wie in dem Beispiel aus 6 kann der System-Controller 50 die Betriebsmodi (z.B. Master-Modus, Slave-Modus) der MMICs 1-6 konfigurieren, wobei die MMICs 1-6 über den Konfigurations-Eingang CFG (z.B. ein SPI-Interface) Konfigurationsdaten empfangen und, abhängig von den empfangenen Konfigurationsdaten als Master (im Master-Modus) oder als Slave (im Slave-Modus) betrieben werden. In diesem Zusammenhang wird auch auf die Erläuterungen zu 6 und 14 verwiesen.
In dem in 16A dargestellten Fall weist das Radar-System insgesamt sechzehn RX-Kanäle (mit 16 RX-Antennen) und acht TX-Kanäle (mit 8 TX-Antennen), was einen vergleichsweise hochauflösenden Radarbetrieb ermöglicht. Dieser Betrieb entspricht dem Betrieb in dem weiter oben bereits erwähnten ersten Betriebsmodus (Normalbetrieb). Die Beispiele aus 16B-D zeigen, wie das Radarsystem umkonfiguriert und in einem zweiten, dritten und vierten Betriebsmodus (Notbetrieb) eingeschränkt weiterbetrieben werden kann, wenn ein MMIC (insbesondere der Master-MMIC 1) ausfällt.
In der in 16B dargestellten Situation ist der (Master-) MMIC 1 als inaktiv konfiguriert, z.B. aufgrund eines Defekts oder eines Ausfalls , und kann daher das LO-Signal s_LO(t) nicht mehr (oder nicht mehr mit der gewünschten Qualität oder Sicherheit) erzeugen. Nachdem der Controller 50 (in 16 nicht dargestellt) detektiert hat, dass MMIC 1 als inaktiv zu konfigurieren ist, kann z.B. der MMIC 2 derart umkonfiguriert werden, dass er als Master-MMIC (d.h. im Master-Modus) betrieben wird. Dadurch wird der Lokaloszillator im MMIC 2 aktiviert und das LO-Signal s_LO(t) wird von dem neuem Master-MMIC 2 am LO-Ausgang LO_out ausgegeben und zum LO-Eingang LO_in des MMICs 3 übertragen. Von dem MMIC 3 wird - wie in der Situation aus 16A - das LO-Signal über eine Reihenschaltung an die MMICs 4 und 5 weitergeleitet (z.B. ähnlich wie bei einer Daisy-Chain). Der MMIC 6 ist im dargestellten Beispiel zwar nicht defekt, ist jedoch von der LO-Verteilung „abgeschnitten“ und kann deswegen nicht senden. Obwohl der ursprüngliche Master-MMIC 1 und damit indirekt auch der Slave-MMIC 6 inaktiv sind, bleibt dennoch ein Sub-System bestehend aus den MMICs 2, 3, 4 und 5 mit vier (von acht) TX-Kanälen und zwölf (von sechzehn) RX-Kanälen funktionsfähig; Radarziele können weiterhin - wenn auch mit reduzierter Auflösung - detektiert werden.
In der in 16C dargestellten Situation ist der (Slave-) MMIC 2 defekt oder ausgefallen und kann das LO-Signal s_LO(t) nicht mehr an den MMIC 3 weitergeben. Nachdem der Controller 50 (in 16 nicht dargestellt) detektiert hat, dass MMIC 2 (z.B. aufgrund eines erkannten Defekts) als inaktiv zu konfigurieren ist, kann z.B. der MMIC 3 umkonfiguriert werden, so dass er als Master-MMIC (d.h. im Master-Modus) betrieben wird. In diesem Fall „zerfällt“ das Radarsystem in zwei voneinander unabhängige Subsysteme, wobei jedes der beiden Subsysteme einen eigenen Master-MMIC aufweist. Das Subsystem A umfasst den bisherigen Master-MMIC 1 (Master A) und den Slave-MMIC 6 mit insgesamt vier RX-Kanälen und vier TX-Kanälen. Das Subsystem B umfasst den neuen, zusätzlichen Master-MMIC 3 (Master B), der nun das LO-Signal s_LO'(t) erzeugt und es an den Slave-MMIC 4 (und dieser weiter an den Slave-MMIC 5) überträgt. Das Subsystem B umfasst acht RX-Kanäle und vier TX-Kanäle. Das vom Master-MMIC 1 (Master A) erzeugte LO-Signal s_LO(t) und das vom zusätzlichen Master-MMIC 3 (Master B) erzeugte LO-Signal s_LO'(t) sind nicht kohärent und können in unterschiedlichen Frequenzbereichen arbeiten. D.h. die Radar-Subsysteme A und B arbeiten unabhängig voneinander. Nichtsdestotrotz, können die Messergebnisse der beiden Subsysteme A und B zusammengeführt und gemeinsam verarbeitet werden, wie es beispielsweise bei einer Sensor-Fusion gemacht wird.
In der in 16D dargestellten Situation ist der (Slave-) MMIC 3 (z.B. aufgrund eines erkannten Defekts) als inaktiv konfiguriert und kann das LO-Signal s_LO(t) nicht mehr an den MMIC 4 weitergeben. Ähnlich wie im vorherigen Beispiel aus 16C kann der MMIC 4 so umkonfiguriert werden, dass er als zusätzlicher Master-MMIC arbeitet (Master B). Der bisherige Master-MMIC 1 (Master B) kann unabhängig davon weiter betrieben werden. Wie im vorherigen Beispiel „zerfällt“ das Radarsystem in zwei voneinander unabhängige Subsysteme. Das Subsystem A umfasst den bisherigen Master-MMIC 1 (Master A), den Slave-MMIC 2 und den Slave-MMIC 6 mit insgesamt acht RX-Kanälen und vier TX-Kanälen. Das Subsystem B umfasst den neuen, zusätzlichen Master-MMIC 4 (Master B), der nun das LO-Signal s_LO'(t) erzeugt und es an den Slave-MMIC 5 überträgt. Das Subsystem B hat damit vier RX-Kanäle und vier TX-Kanäle.
Wenn (ausgehend von einem voll funktionsfähigen System gemäß 16A) einer der Slave-MMICs 5 oder 6 ausfällt ist keine Rekonfiguration eines Slave-MMICs als Master-MMIC notwendig und das System kann mit sechzehn RX-Kanälen und vier TX-Kanälen weiterbetrieben werden. An dieser Stelle sei angemerkt, dass das in Bezug auf 16A erläuterte Konzept, gemäß dem das LO-Signal s_LO(t) von einem MMIC zum nächsten MMIC weiter übertragen wird (ähnlich einer Dasy-Chain) bereits bei drei MMICs möglich ist. Sofern der mittlere MMIC der MMIC-Kette ausfällt, können die beiden „äußeren“ MMICs der MMIC-Kette als unabhängige Subsysteme weiterarbeiten. Ferner sei noch angemerkt, dass die Verteilung des LO-Signals in dem voll funktionsfähigen System gemäß 16A unsymmetrisch erfolgt, da ein LO-Ausgang des Master-MMICs 1 jeweils mit 4 MMICs 2-5 seriell gekoppelt ist, während der andere LO-Ausgang des Master MMICs 1 mit lediglich einem MMIC 6 gekoppelt ist. Somit weisen verschiedene TX-Kanäle unterschiedliche Phasen aufgrund unterschiedlicher Länge der LO-Signalverteilung auf. Ebenso weisen unterschiedliche RX- Kanäle unterschiedliche Phasen aufgrund unterschiedlicher Länge der HF-Signalleitungen in der LO-Signalverteilung auf.
17A-C zeigen ein Radar-System mit sechs MMICs 1-6, das sehr ähnlich aufgebaut ist wie das System aus 16A-D. Der Unterschied zu den vorhergehenden Beispielen liegt an der (symmetrischen) Verteilung des LO-Signals s_LO(t), wodurch unter anderem im Falle eines inaktiven MMICs der Zerfall des Radarsystems in zwei unabhängige Subsysteme verhindert wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel weisen alle TX-Kanäle gleiche Phasen aufgrund im Wesentlichen gleicher Länge der HF-Signalleitungen in der LO-Signalverteilung auf. Ebenso weisen unterschiedliche RX- Kanäle im Wesentlichen gleiche Phasen aufgrund gleicher Länge der HF-Signalleitungen in der LO-Signalverteilung auf.
In dem Beispiel gemäß 17A wird - ähnlich wie in den 8 und 9 - eine Koppleranordnung mit mehreren Kopplern 9a-d verwendet, um das LO-Signal s_LO(t) vom Master-MMIC 2 an alle Slave-MMICs 1, 6 und 3 bis 5 zu verteilen. Anders als in 8 oder 9, weisen die MMICs 1 bis 6 jeweils einen LO-Eingang LO_in und einen LO-Ausgang LO_out auf. In der in 17A dargestellten Situation (Normalbetrieb, alle MMICs funktionsfähig) ist der MMIC 2 als Master-MMIC konfiguriert. D.h. der Lokaloszillator im Master-MMIC 2 ist aktiv und erzeugt das LO-Signal s_LO(t), welches an dem LO-Ausgang LO_out des Master-MMICs ausgegeben und zum Koppler 9a übertragen wird. Der Koppler 9a leitet das Signal LO-Signal s_LO(t) an den Koppler 9b und an den LO-Ausgang des Slave-MMICs 3 weiter, der jedoch in der dargestellten Situation nicht aktiv ist. Der (inaktive) LO-Ausgang LO_out des Slave-MMICs 3 ist so konstruiert, dass keine oder nur ein sehr geringer Teil der ankommenden Signalleistung reflektiert wird. Der Koppler 9b leitet das LO-Signal an die Koppler 9c und 9d weiter.
Der Koppler 9c verteilt das ankommende LO-Signal s_LO(t) an die MMICs 1 und 2, d.h. das LO-Signal s_LO(t) wird dem LO-Eingang LO_in des Slave-MMICs 1 sowie auch dem LO-Eingang LO_in des Master-MMICs 2 zugeführt. Das vom Master-MMIC 2 ausgegebene LO-Signal s_LO(t) wird also über die Koppler 9a, 9b und 9c auch wieder an den Master-MMIC 2 zurückgespeist. Diese Selbstrückspeisung (self feedback) bewirkt, dass das an den MMICs ankommende LO-Signal 1 s_LO(t) immer einen Signalweg gleicher Länge zurücklegt, und folglich an den LO-Eingängen LO_in der MMICs 2 bis 4 (in denen die RX-Kanäle angeordnet sind) das Signal s_LO(t) im Wesentlichen mit der gleichen Phase ankommt.
Der Koppler 9d verteilt das ankommende LO-Signal s_LO(t) an die MMICs 3 und 4, d.h. das LO-Signal s_LO(t) wird dem LO-Eingang LO_in des Slave-MMICs 3 sowie auch dem LO-Eingang LO_in des Slave-MMICs 4 zugeführt. Die Slave-MMICs 5 und 6 empfangen das LO-Signal s_LO(t) von dem MMICs 1 bzw. 4 wie in dem vorherigen Beispiel gemäß 16. Die in 17A dargestellte Situation betrifft den erwähnten ersten Betriebsmodus (Normalbetrieb).
17B zeigt eine Situation, in der - ähnlich wie in 16B - der MMIC 1 als inaktiv konfiguriert ist. In diesem Fall kann MMIC 2 das LO-Signal nicht mehr an den MMIC 6 weiterleiten. Die Verteilung des LO-Signals s_LO(t) vom Master-MMIC 2 an die MMICs 3, 4, und 5 (über die Koppler 9a, 9b und 9d) und auch die Selbstrückspeisung über die Koppler 9a, 9b und 9c sind jedoch nicht beeinträchtigt und von dem Radar-System bleibt das von den MMICs 2 bis 5 gebildete Subsystem mit vier TX-Kanälen und zwölf RX-Kanälen funktionsfähig. Eine Umkonfiguration (Master-Modus/Slave-Modus) der MMICs ist nicht nötig. MMIC 2 arbeitet weiterhin im Master-Modus, und die MMICs 3-5 arbeiten weiterhin im Slave-Modus. Bei der Verarbeitung der digitalen Radarsignale muss jedoch berücksichtigt werden, dass nur mehr ein Teil der RX- und TX-Kanäle zur Verfügung stehen. Dasselbe gilt auch für das Beispiel aus 16.
17C zeigt eine Situation, in der - ähnlich wie in 16C - der MMIC 2 inaktiv ist. In diesem Fall kann der MMIC 2 nicht mehr das LO-Signal s_LO(t) für die anderen MMICs bereitstellen, und folglich wird der MMIC 3 so umkonfiguriert, dass er als neuer Master-MMIC arbeitet und ein LO-Signal erzeugt (Master-Modus). In diesem Betriebsmodus gibt der MMIC 3 das LO-Signal s_LO(t) seines Lokaloszillators am LO-Ausgang LO_out an den Koppler 9a aus. Der Koppler 9a leitet das LO-Signal an den Koppler 9b weiter, von wo aus das LO-Signal s_LO(t) wie bereits in Bezug auf 17A beschrieben über die Koppler 9c und 9d an die MMICs 1, 3 und 4 weiter verteilt wird (MMIC 2 ist im vorliegenden Beispiel inaktiv). An dieser Stelle sei angemerkt, dass auch in der in 17C dargestellten Situation das vom MMIC 3 ausgegebene LO-Signal s_LO(t) an den MMIC 3 rückgespeist wird (über die Koppler 9a, 9b und 9d). Von dem Radar-System bleibt folglich das von den MMICs 1, und 3 bis 6 gebildete Subsystem mit acht TX-Kanälen und zwölf RX-Kanälen funktionsfähig. Die in 17B und C dargestellten Situationen zeigen den erwähnten Notbetrieb (zweiter bzw. dritter Betriebsmodus).
Bei einem Ausfall des MMICs 3 (in 17 nicht gezeigt) ist keine Umkonfiguration der Slave-Chips nötig. Die Verteilung des LO-Signals s_LO(t) vom Master-MMIC 2 an die MMICs 1, 4, 5 und 6 (über die Koppler 9a, 9b und 9d) und auch die Selbstrückspeisung über die Koppler 9a, 9b und 9c werden durch einen defekten/fehlerhaften MMIC 3 nicht beeinträchtigt; von dem Radar-System bleibt das von den MMICs 1, 2 und 4 bis 6 gebildete Subsystem mit acht TX-Kanälen und zwölf RX-Kanälen funktionsfähig. Wie auch in den bereits beschriebenen Fällen muss bei der Verarbeitung der digitalen Radarsignale jedoch berücksichtigt werden, dass nur mehr ein Teil der RX- und TX-Kanäle zur Verfügung stehen. Bei einem Ausfall des MMIC 1 wird - wie in dem Beispiel aus 16 - auch der Slave-MMIC 6 vom verbleibenden Subsystem umfassend die MMICs 2 bis 5 abgeschnitten, welches dann mit nur mehr vier TX-Kanälen arbeiten kann. Das gleiche gilt für einen Ausfall des MMICs 4, wodurch der MMIC 5 vom verbleibenden Subsystem umfassend die MMICs 1 bis 3 und 6 abgeschnitten würde. Sofern die MMICs 1 und 4 einen oder mehrere zusätzliche LO-Ausgänge aufweisen können weiterer Slave-MMICs mit integrierten TX-Kanälen angeschlossen werden, um die Zahl der TX-Kanäle zu erhöhen.
Abschließen wird noch angemerkt, dass die Aufteilung von RX-Kanälen und TX-Kanälen in separate Chips (MMICs) Vorteile haben kann. So kann durch diese Trennung von RX- und TX-Kanälen das Übersprechen von TX-Kanälen auf RX-Kanäle innerhalb eines Chips (on-chip crosstalk) vermieden werden. Die TX-Kanäle können in vergleichsweise einfachen HF-Leistungsverstärker-Chips integriert werden, in denen die vergleichsweise komplexen Schaltungen der RX-Kanäle nicht benötigt werden. Dadurch können die Kosten des Gesamtsystems reduziert werden. Des Weiteren kann eine bessere Verteilung der Wärme über die Trägerplatine, auf der die Chips angeordnet sind, erreicht werden. Auch ist eine Verteilung der Chips auf mehrere Trägerplatinen möglich.
Bereits mit vier MMICs kann - ähnlich wie in 16 und 17 - ein Radarsystem mit in getrennten MMICs angeordneten RX- und TX-Kanälen aufgebaut werden, das bei Ausfall eines einzigen MMICs (in eingeschränktem Umfang) funktionsfähig bleibt. Beispielsweise könnten in dem System aus 16 die MMICs 3 und 4 weggelassen werden und MMIC 5 (HF-Leistungsverstärker-Chip mit den integrierten TX-Kanälen) an MMIC 2 angeschlossen werden. Das vollständige System hat in diesem Fall acht RX-Kanäle und acht TX-Kanäle. Wenn einer der HF-Leistungsverstärker-Chips mit den integrierten TX-Kanälen (d.h. MMIC 5 und 6) ausfällt, kann ein Subsystem mit vier TX-Kanälen und acht RX-Kanälen weiterarbeiten. Wenn einer der MMICs mit den RX-Kanälen (MMIC 1 oder 2) ausfällt, kann ein Subsystem mit vier TX-Kanälen und vier RX-Kanälen weiterarbeiten. Wenn der Master-MMIC 1 ausfällt, kann MMIC 2 als Master rekonfiguriert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 26262 [0024, 0038]

Claims

Ein Radarsystem, das folgendes aufweist: eine passive Koppleranordnung (9, 9', 9a, 9b, 9c) einen ersten Radar-Chip (1), einen zweiten Radar-Chip (2) und einen dritten Radar-Chip (3), die jeweils mindestens einen externen HF-Kontakt (LO_in, LO_out) aufweisen, wobei die Radar-Chips (1, 2, 3) einen Lokaloszillator (101) aufweisen, der dazu ausgebildet ist, zumindest in einem eingeschalteten Zustand ein HF-Oszillatorsignal (s_LO(t)) zu erzeugen, und wobei die externen HF-Kontakte der Radar-Chips (1, 2, 3) über die Koppleranordnung (9, 9') derart gekoppelt sind, dass in einem ersten Betriebsmodus das HF-Oszillatorsignal (s_LO(t)) von dem ersten Radar-Chip (1) über die Koppleranordnung (9, 9') an den zweiten Radar-Chip (2) und den dritten Radar-Chip (3) übertragen werden kann, und dass in einem zweiten Betriebsmodus das HF-Oszillatorsignal (s_LO(t)) von dem zweiten Radar-Chip (2) über die Koppleranordnung (9, 9') an den den dritten Radar-Chip (3) übertragen werden kann.
Das Radarsystem gemäß Anspruch 1, wobei die Koppleranordnung (9, 9') einen oder mehrere passive bidirektionale Koppler aufweist oder wobei die Koppleranordnung (9, 9') einen oder mehrere passive bidirektionale Koppler und einen oder mehrere Zirkulatoren (Z1, Z2) aufweist.
Das Radarsystem gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite und der dritte Radar-Chip (2, 3) jeweils einen externen HF-Kontakt aufweisen, der sowohl als Ausgangs-Port (LO_out) zum Bereitstellen des im Radar-Chip (2, 3) erzeugten HF-Oszillatorsignal (s_LO(t)) als auch als Eingangs-Port (LO_in) zum Empfangen eines von einem anderen Radar-Chip (1) erzeugten HF-Oszillatorsignals (s_LO(t)) konfigurierbar ist.
Das Radarsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, das weiter aufweist: einen System-Controller (50), der mit einem Konfigurationseingang der Radar-Chips (1, 2, 3) gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, Konfigurationsdaten (DAT_CFG) an die Radar-Chips (1, 2, 3) zu übertragen.
Das Radarsystem gemäß Anspruch 4, wobei die Radar-Chips (1, 2, 3) dazu ausgebildet sind, abhängig von den von dem System-Controller (50) empfangenen Konfigurationsdaten (DAT_CFG) in einem Master-Modus oder in einem Slave-Modus zu arbeiten, wobei im Master-Modus der Lokaloszillator (101) des jeweiligen Radar-Chips (1, 2, 3) aktiv ist und das HF-Oszillatorsignal (s_LO(t)) erzeugt und im Slave-Modus der Lokaloszillator (101) des jeweiligen Radar-Chips (1, 2, 3) inaktiv ist.
Das Radarsystem gemäß Anspruch 5, wobei in dem ersten Betriebsmodus der erste Radar-Chip (1) für den Master-Modus konfiguriert ist und der zweite und der dritte Radar-Chip (2, 3) für den Slave-Modus konfiguriert sind.
Das Radarsystem gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei in dem zweiten Betriebsmodus der Lokaloszillator (101) des erste Radar-Chips (1) deaktiviert ist, der zweite Radar-Chip (2) für den Master-Modus konfiguriert ist und der dritte Radar-Chip (3) für den Slave-Modus konfiguriert ist.
Das Radarsystem gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei der System-Controller (50) dazu ausgebildet ist: zu detektieren, ob der im Master-Modus arbeitende Radar-Chip (1, 2, 3) ordnungsgemäß arbeitet oder nicht, und falls der im Master-Modus arbeitende Radar-Chip (1, 2, 3) nicht ordnungsgemäß arbeitet, das Radarsystem umzukonfigurieren, sodass der Lokaloszillator (101) des bisher im Master-Modus arbeitenden Radar-Chips (1) deaktiviert wird und ein bisher im Slave-Modus arbeitender Radar-Chip (2, 3) im Master-Modus betrieben wird.
Das Radarsystem gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei der System-Controller (50) weiter dazu ausgebildet ist, von den Radar-Chip (1, 2, 3) ein Status-Signal (OK₁, OK₂, OK₃) zu empfangen, das anzeigt, ob der jeweilige Radar-Chip (1, 2, 3) ordnungsgemäß arbeitet.
Das Radarsystem gemäß Anspruch 9, wobei die Radar-Chip (1, 2, 3) dazu ausgebildet sind, einen Selbsttest durchzuführen, um zu prüfen, ob sie ordnungsgemäß arbeiten und wobei das Status-Signal von dem Ergebnis des Selbsttest abhängt.
Das Radarsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Radar-Chips (1, 2, 3) mit der Koppleraordnung (9, 9') in einer Sternschaltung verbunden sind.
Ein Verfahren zum Betrieb eines Radarsystems mit mindestens drei Radar-Chips (1, 2, 3), von denen einer in einem Master-Modus betrieben wird, in dem er ein HF-Oszillatorsignal (s_LO(t)) erzeugt, das an die übrigen, in einem Slave-Modus betriebenen Radar-Chips (2, 3) übertragen wird; das Verfahren umfasst: Detektieren, ob der im Master-Modus betriebene Radar-Chip (1) ordnungsgemäß arbeitet; falls der im Master-Modus betriebene Radar-Chip (1) nicht ordnungsgemäß arbeitet, Umkonfigurieren des Radarsystems, wobei ein bisher im Slave-Modus betriebener Radar-Chip (2) im Master-Modus betrieben wird, sodass dieser das HF-Oszillatorsignal (s_LO(t)) erzeugt, das an die übrigen Radar-Chips (1, 3) übertragen wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei jeder Radar-Chip (1, 2, 3) einen externen HF-Kontakt zum Ausgeben und/oder Empfangen des HF-Oszillatorsignals (s_LO(t)) aufweist, wobei die externen HF-Kontakte mit einer Koppleranordnung (9, 9') gekoppelt sind.
Das Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei das Umkonfigurieren umfasst: senden von Konfigurationsdaten von einem System-Controller an die Radar-Chips (1, 2, 3).
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei das Detektieren, ob der Master-Modus betriebene Radar-Chip (1) ordnungsgemäß arbeitet oder nicht, folgendes umfasst: Durchführen von Selbsttests durch die Radar-Chips (1, 2, 3), um zu ermitteln, ob der jeweilige Radar-Chip (1, 2, 3) ordnungsgemäß arbeitet; Erzeugen von Status-Signalen (OK₁, OK₂, OK₃) durch die Radar-Chips basierend auf den Ergebnissen der Selbsttests.
Ein Radarsystem, das folgendes aufweist: einen ersten Radar-Chip (1), einen zweiten Radar-Chip (2) und einen dritten Radar-Chip (3), die jeweils mindestens einen externen HF-Kontakt (LO_in, LO_out) aufweisen, wobei die Radar-Chips (1, 2, 3) einen Lokaloszillator (101) aufweisen, der dazu ausgebildet ist, in einem eingeschalteten Zustand ein HF-Oszillatorsignal (s_LO(t)) zu erzeugen, und wobei die externen HF-Kontakte der Radar-Chips (1, 2, 3) derart koppelbar sind, dass in einem ersten Betriebsmodus das HF-Oszillatorsignal (s_LO(t)) von dem ersten Radar-Chip (1) erzeugt und an den zweiten Radar-Chip (2) und an den dritten Radar-Chip (3) übertragen werden kann, und dass in einem zweiten Betriebsmodus, bei dem der erste Radar-Chip (1) als inaktiv konfiguriert ist, das HF-Oszillatorsignal (s_LO(t)) von dem zweiten Radar-Chip (2) erzeugt und an den dritten Radar-Chip (3) übertragen werden kann.
Das Radarsystem gemäß Anspruch 16, wobei in dem ersten Betriebsmodus eine Leitungslänge für die Verteilung des HF-Oszillatorsignals (s_LO(t)) von dem ersten Radar-Chip (1) zu dem zweiten und zu dem dritten Radar-Chip (2, 3) unterschiedlich ist.
Das Radarsystem gemäß Anspruch 16, wobei in dem ersten Betriebsmodus eine Leitungslänge für die Verteilung des HF-Oszillatorsignals (s_LO(t)) von dem ersten Radar-Chip (1) zu dem zweiten und zu dem dritten Radar-Chip (2, 3) gleich ist.
Das Radarsystem gemäß Anspruch 18, wobei in dem zweiten Betriebsmodus die Leitungslänge für die Verteilung des HF-Oszillatorsignals (s_LO(t)) von dem zweiten Radar-Chip (1) zurück zu sich selbst und zu dem dritten Radar-Chip (3) gleich sind.
Das Radarsystem gemäß einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei der mindestens eine HF-Kontakt (LO_out) des ersten Radar-Chips (1) einen HF-Ausgangsport umfasst, wobei der mindestens eine HF-Kontakt (LO_in, LO_out) des zweiten Radar-Chips (2) einen HF-Eingangsport und einen HF-Ausgangsport umfasst, wobei der mindestens eine HF-Kontakt (LO_in) des dritten Radar-Chips (3) einen HF-Eingangsport umfasst, und wobei der HF-Ausgangsport des ersten Radar-Chips (1) mit dem HF-Eingangsport des zweiten Radar-Chips (2) und der HF-Ausgangsport des zweiten Radar-Chips (2) mit dem HF-Eingangsport des dritten Radar-Chips (3) jeweils über eine HF-Leitung gekoppelt sind.
Ein Radarsystem, das folgendes aufweist: ein erstes Subsystem umfassend einen ersten Radar-Chip (1) und einen zweiten Radar-Chip (2); und ein zweites Subsystem umfassend einen dritten Radar-Chip (3); wobei der zweite Radar-Chip (2) des ersten Subsystems dazu ausgebildet ist, in einem ersten Betriebsmodus entweder ein HF-Oszillatorsignal (s_LO(t)) zu erzeugen und an einem HF-Ausgang auszugeben oder ein von einem anderen Radar-Chip des ersten Subsystems empfangenes HF-Oszillatorsignal (s_LO(t)) an dem HF-Ausgang auszugeben, wobei der dritte Radar-Chip (3) des zweiten Subsystems dazu ausgebildet ist, in dem ersten Betriebsmodus an einem HF-Eingang das vom zweiten Radar-Chip (2) ausgegebene HF-Oszillatorsignal (s_LO(t)) zu empfangen, und wobei der dritte Radar-Chip (3) des zweiten Subsystems weiter dazu ausgebildet ist, in einem zweiten Betriebsmodus entweder ein weiteres HF-Oszillatorsignal (s_LO(t)') zu erzeugen oder ein von einem anderen Radar-Chip des zweiten Subsystems erzeugtes weiteres HF-Oszillatorsignal (s_LO(t)') zu empfangen.
Das Radarsystem gemäß Anspruch 21, wobei im ersten Betriebsmodus beide Subsysteme das von einem Radar-Chip im ersten Subsystem erzeugte HF-Oszillatorsignal (s_LO(t)) verwenden und im zweiten Betriebsmodus die beiden Subsysteme unterschiedliche HF-Oszillatorsignale (s_LO(t), s_LO(t)') verwenden.
Das Radarsystem gemäß Anspruch 21 oder 22, wobei das zweite Subsystem einen vierten Radar-Chip (5) aufweist, und wobei sowohl im ersten Subsystem, als auch im zweiten Subsystem RX-Kanäle zum Anschluss von Empfangsantennen und TX-Kanäle zum Anschluss von Sende-Antennen in separaten Radar-Chips angeordnet sind.
Ein Radarsystem, das folgendes aufweist: ein erstes Subsystem umfassend einen ersten Radar-Chip (1) und einen zweiten Radar-Chip (6) und ein zweites Subsystem umfassend einen dritten Radar-Chip (3) und einen vierten Radar-Chip (5), wobei der zweite Radar-Chip (6) des ersten Subsystems und der vierte Radar-Chip (5) des zweiten Subsystems TX-Kanäle zum Anschluss von Sendeantennen jedoch keinen RX-Kanal aufweisen, wobei der zweite Radar-Chip (6) des ersten Subsystems mit dem ersten Radar-Chip (1) des ersten Subsystems direkt oder indirekt gekoppelt ist, um ein von diesem ausgegebenes LO-Signal (s_LO(t)) zu empfangen, und wobei der vierte Radar-Chip (5) des zweiten Subsystems mit dem dritten Radar-Chip (3) des zweiten Subsystems direkt oder indirekt gekoppelt ist, um ein von diesem ausgegebenes LO-Signal (s_LO(t)) zu empfangen; wobei der erste Radar-Chip (1) des ersten Subsystems dazu ausgebildet ist, in einem ersten Betriebsmodus, mittels eines Lokaloszillators das LO-Signal (s_LO(t)) zu erzeugen und über eine oder mehrere HF-Leitungen direkt oder indirekt an den dritten Radar-Chip (3) des zweiten Subsystems zu übertragen, und wobei der dritte Radar-Chip (3) des zweiten Subsystems dazu ausgebildet ist, in einem zweiten Betriebsmodus, in dem von dem ersten Subsystems kein LO-Signal (s_LO(t)) ins zweite Subsystem übertragen wird, mittels eines weiteren Lokaloszillators ein weiteres LO-Signal (s_LO(t)) zu erzeugen.
Das Radarsystem gemäß Anspruch 24, wobei der erste Radar-Chip (1) des ersten Subsystems und der dritte Radar-Chip (3) des zweiten Subsystems jeweils mehrere RX-Kanäle zum Anschluss von Empfangsantennen, jedoch keinen TX-Kanal aufweisen.