UWB FMCW Radar Frontend Design
Den Auftakt zur ersten IMES Lecture des Jahres gestalteten Gian-Luca Brazerol und Flavio Peter mit der Präsentation ihrer Masterarbeit "UWB FMCW Radar Frontend Design", die sie im Rahmen des MSE Electrical Engineering an der OST bzw. im IMES und in Zusammenarbeit mit dem Centre Suisse d'Electronique et Microtechnique CSEM in Neuchâtel verfassten.
Im Zentrum des Projekts stand die Entwicklung eines energieeffizienten Sende- und Empfangspfads für ein Low-Power Ultra-Wideband (UWB) Frequency-Modulated-Continuous-Wave (FMCW) Radarsystem, das für einen Frequenzbereich von 7 bis 9 GHz ausgelegt ist. Ziel des Systems ist eine zuverlässige, grob auflösende Präsenzdetektion bei möglichst geringem Energieverbrauch. Zu diesem Zweck entwickelten Gian-Luca Brazerol und Flavio Peter drei zentrale Module: einen Class-D Power Amplifier (PA) für den Sendepfad, einen Low-Noise-Transconductance-Amplifier (LNTA) und einen Mixer für den Empfangspfad.
Alle drei Module wurden vollständig auf Schaltplan- und Layout-Ebene realisiert und umfassend simulativ verifiziert. Dabei zeigte sich, dass layoutbedingte parasitäre Effekte einen spürbaren Einfluss hatten - insbesondere auf die Ausgangsleistung des PA sowie auf die Noise Figure des Empfangspfads bei höheren Frequenzen. Besonders hervorzuheben ist der Einsatz integrierter Spulen im PA und im Mixer - eine im Chipdesign eher seltene Lösung, da Induktivitäten einen hohen Integrations- und Simulationsaufwand mit sich bringen.
Die Ergebnisse von Gian-Luca Brazerol und Flavio Peter sind überzeugend: Sowohl die einzelnen Module erreichen Leistungswerte auf dem Niveau publizierter Arbeiten als auch das Gesamtsystem, das eine potenzielle Betriebsdistanz von bis zu 20m in Aussicht stellt.
Low-Power IC-Design für Satellitennavigationssysteme
Anschliessend nahm Patrick Mächler von der Firma u-blox AG den roten Faden auf und widmete sich in seiner Präsentation dem Low-Power Chipdesign im Bereich der Satellitennavigationssysteme. Das Schweizer Unternehmen mit Hauptsitz in Thalwil ist heute weltweit tätig und entwickelt Chips und Module für Satellitennavigation, Bluetooth, Wi-Fi und verwandte Technologien - sowohl für Privatkunden als auch für industrielle und autonome Anwendungen.
Zum Einstieg erläuterte Patrick Mächler die vielfältigen Herausforderungen, denen sich moderne Satellitennavigationssysteme stellen müssen, um die angestrebte Positionsgenauigkeit mittels Multilateration zu erreichen. Insbesondere bei Präzisionsanwendungen mit Zielgenauigkeiten im Zentimeterbereich gilt es, Effekte wie Multipath-Propagation, Rauschen und ionosphärische Störungen zu verstehen und gezielt zu kompensieren. Die Entwicklung eines entsprechenden Navigationschips ist anspruchsvoll, da dieser in unterschiedlichsten Systemkonfigurationen zum Einsatz kommt. Parameter wie das verwendete GNSS, die Update Rate, die erforderliche Genauigkeit sowie der damit verbundene Energieverbrauch können stark variieren und müssen flexibel berücksichtigt werden.
Nichtsdestotrotz wurden vielversprechende und praxisbewährte Lösungsansätze vorgestellt. Dazu zählt unter anderem ein Low-Power Backup-Modus, bei dem relevante Parameter der zuletzt aktiven Satellitenverbindung zwischengespeichert werden, um den Wiederanlauf zu beschleunigen und Energie zu sparen. Ein weiterer Ansatz ist die Verkleinerung der eingesetzten Prozessnode, wodurch niedrigere Betriebsspannungen ermöglicht werden. Zwar gehen kleinere Strukturgrössen mit erhöhten Leckströmen einher, diese können jedoch durch Active-Body-Biasing (ABB) dynamisch reduziert werden. Ergänzend kommt Dynamic Voltage Scaling zum Einsatz, bei dem die Versorgungsspannung einzelner Submodule bedarfsgerecht angepasst wird.
Die Ergebnisse sind beachtlich: Im Vergleich zur vorherigen Generation von Satellitennavigationssystemen konnte der Energieverbrauch um bis zu 30% gesenkt werden.