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Long-Range Ultra-Wideband Radar Sensor for Industrial Applications
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Die vorliegende Forschungsarbeit befasst sich mit dem Entwurf eines weitreichenden Ultrabreitband (UWB)-Radarsensors für industrielle Anwendungen. Er beinhaltet den Aufbau eines Impulsgenerators zur Erzeugung extrem kurzer Impulse hoher Leistung sowie die Bereitstellung einer Ultrabreitband-Antenne. Der entwickelte Radarsensor basiert auf dem bi-statischen Systemkonzept.Das Ziel dieser Arbeit ist es, Objekte mit einem niedrigeren Reflexionskoeffizienten wie Backsteine mit einer relativen Dielektrizitätszahl von etwa 4,5 bis auf eine maximale Entfernung von 20 m meßtechnisch zu erfassen. Um ...
Die vorliegende Forschungsarbeit befasst sich mit dem Entwurf eines weitreichenden Ultrabreitband (UWB)-Radarsensors für industrielle Anwendungen. Er beinhaltet den Aufbau eines Impulsgenerators zur Erzeugung extrem kurzer Impulse hoher Leistung sowie die Bereitstellung einer Ultrabreitband-Antenne. Der entwickelte Radarsensor basiert auf dem bi-statischen Systemkonzept.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, Objekte mit einem niedrigeren Reflexionskoeffizienten wie Backsteine mit einer relativen Dielektrizitätszahl von etwa 4,5 bis auf eine maximale Entfernung von 20 m meßtechnisch zu erfassen. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde ein neuartiger (Radar-) Pulsgenerator entwickelt, der ultrakurze Hochleistungsimpulse erzeugt. Der Pulsgenerator besteht aus einer Transistorentladeschaltung mit einem Silizium-Transistor im Avalanche-Betrieb und einer Impulsversteilerungsstufe unter Verwendung von Step-Recovery-Dioden (SRD). Der entwickelte Pulsgenerator erzeugt elektrische Impulse mit einer Anstiegszeit von 112 ps, einer Impulsdauer (FWHM) von 155 ps und einer Amplitude von 34,5 V.
Über die Erzeugung von ultrakurzen Impulsen mit Hilfe von Avalanche-Transistoren auf Silizium-Materialbasis und anschließender SRD- Impulsversteilerung hinaus, wurde in dieser Arbeit auch die Erzeugung von ultra-kurzen Hochleistungsimpulsen mit Hilfe von modernen GaAs-MESFETs untersucht. Dazu wurden Strom-/Spannungsmessungen (Zwei-Elektroden- und Drei-Elektroden-Messungen) durchgeführt, um Durchbrucheffekte des gewählten Transistortyps zu studieren. Mit der Aufspaltung eines konventionellen Avalanche-Impulsschaltkreises in eine separate Ladeschaltung und einen separaten Entladekreis wurde eine neue Technik gefunden, ultrakurze Hochleistungsimpulse zu erzeugen. Es konnten Impulse mit einer Anstiegszeit von 136 ps, einer Impulsbreite (FWHM) von 420 ps und einer Amplitude von 169 V erzielt werden.
Um die erzeugten ultrakurzen Impulse zu übertragen und zu empfangen, wurden zwei verschiedene TEM-Hornantennentypen entwickelt. Die erste Antenne ist eine Hornantenne, welche eine zylinderförmige Anpassungsapertur besitzt. Diese Antenne weist eine Bandbreite von etwa 1,45 GHz auf, welche sich von 250 MHz bis zu 1,7 GHz erstreckt. Um die Größe der TEM- Hornantenne zu verringern, wurde eine weitere neuartige Antenne "Double-Ridge Horn Antenna" entworfen. Die Frequenzbandbreite der neuen Antenne erstreckt sich von 1,4 GHz bis 7 GHz. In Bezug auf die TEM-Hornantenne konnte die Länge dieser Antenne und ihre Apertur um etwa 50 bis 70 Prozent reduziert werden.
Mit dem entwickelten Ultrabreitband-Radarsensor wurden Testmessungen durchgeführt. Diese betrafen Entfernungsmessungen gegen Metallplatten und Backsteinwände sowie Füllstandsmessungen in Wasser-Behältern. Die Meßunsicherheit des Radarsensors ergab sich zu 14 mm (Meßdatenstreuung bei festem Ziel: ± 14 mm).
Das Ziel dieser Arbeit ist es, Objekte mit einem niedrigeren Reflexionskoeffizienten wie Backsteine mit einer relativen Dielektrizitätszahl von etwa 4,5 bis auf eine maximale Entfernung von 20 m meßtechnisch zu erfassen. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde ein neuartiger (Radar-) Pulsgenerator entwickelt, der ultrakurze Hochleistungsimpulse erzeugt. Der Pulsgenerator besteht aus einer Transistorentladeschaltung mit einem Silizium-Transistor im Avalanche-Betrieb und einer Impulsversteilerungsstufe unter Verwendung von Step-Recovery-Dioden (SRD). Der entwickelte Pulsgenerator erzeugt elektrische Impulse mit einer Anstiegszeit von 112 ps, einer Impulsdauer (FWHM) von 155 ps und einer Amplitude von 34,5 V.
Über die Erzeugung von ultrakurzen Impulsen mit Hilfe von Avalanche-Transistoren auf Silizium-Materialbasis und anschließender SRD- Impulsversteilerung hinaus, wurde in dieser Arbeit auch die Erzeugung von ultra-kurzen Hochleistungsimpulsen mit Hilfe von modernen GaAs-MESFETs untersucht. Dazu wurden Strom-/Spannungsmessungen (Zwei-Elektroden- und Drei-Elektroden-Messungen) durchgeführt, um Durchbrucheffekte des gewählten Transistortyps zu studieren. Mit der Aufspaltung eines konventionellen Avalanche-Impulsschaltkreises in eine separate Ladeschaltung und einen separaten Entladekreis wurde eine neue Technik gefunden, ultrakurze Hochleistungsimpulse zu erzeugen. Es konnten Impulse mit einer Anstiegszeit von 136 ps, einer Impulsbreite (FWHM) von 420 ps und einer Amplitude von 169 V erzielt werden.
Um die erzeugten ultrakurzen Impulse zu übertragen und zu empfangen, wurden zwei verschiedene TEM-Hornantennentypen entwickelt. Die erste Antenne ist eine Hornantenne, welche eine zylinderförmige Anpassungsapertur besitzt. Diese Antenne weist eine Bandbreite von etwa 1,45 GHz auf, welche sich von 250 MHz bis zu 1,7 GHz erstreckt. Um die Größe der TEM- Hornantenne zu verringern, wurde eine weitere neuartige Antenne "Double-Ridge Horn Antenna" entworfen. Die Frequenzbandbreite der neuen Antenne erstreckt sich von 1,4 GHz bis 7 GHz. In Bezug auf die TEM-Hornantenne konnte die Länge dieser Antenne und ihre Apertur um etwa 50 bis 70 Prozent reduziert werden.
Mit dem entwickelten Ultrabreitband-Radarsensor wurden Testmessungen durchgeführt. Diese betrafen Entfernungsmessungen gegen Metallplatten und Backsteinwände sowie Füllstandsmessungen in Wasser-Behältern. Die Meßunsicherheit des Radarsensors ergab sich zu 14 mm (Meßdatenstreuung bei festem Ziel: ± 14 mm).