Valutazione di un radar FMCW ad onde millimetriche per localizzazione ad alta risoluzione in distanza

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1 FACOLTA DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria delle Telecomunicazioni Tesi di Laurea Specialistica Valutazione di un radar FMCW ad onde millimetriche per localizzazione ad alta risoluzione in distanza Relatore: Chiar.mo Prof. Gaspare Galati Candidato: Alessandro Nardizzi Correlatori: Ing. Mauro Ferri Ing. Luciano Ricci Anno Accademico

2 Introduzione Sistemi radar ai quali sia richiesta elevata risoluzione, e che abbiano requisiti stringenti per quanto riguarda l ingombro, debbono impiegare radiazione elettromagnetica ad alta frequenza. Lo sfruttamento della banda millimetrica (30 GHz 300 GHz) rappresenta una grande opportunità; in particolare si fa riferimento alla banda W, centrata attorno ai 95 GHz, in virtù del minimo di attenuazione presentato dall ossigeno a questa frequenza. I vincoli imposti dall elettronica a tali frequenze suggeriscono uno studio approfondito riguardo il comportamento non ideale dei componenti. E indispensabile tenere in conto il rumore di fase introdotto dall oscillatore locale, il quale allarga lo spettro del segnale. Il rumore produce anche effetti negativi sui componenti attivi del sistema, come gli amplificatori di potenza e i mixers, il cui comportamento non lineare potrebbe dar vita a prodotti di intermodulazione non desiderati. Nelle applicazioni ove è limitato lo spazio disponibile per l installazione del radar, o nel caso in cui ci sia la necessità di un consumo energetico basso, l alternativa offerta dai radar CW (Continuous Wave) ha ultimamente rinnovato l interesse delle industrie produttrici. Si pensi, ad esempio, all istallazione sulle piattaforme mobili UAV (Unmanned Aerial Vehicle), piccoli velivoli che non necessitano di pilota, sui quali il sensore può essere montato al fine di ottenere immagini dall alto della superficie da osservare. A differenza dei radar ad impulsi, quelli ad onda continua (CW) emettono radiazioni elettromagnetiche ad una certa frequenza f 0 senza soluzione di continuità. Le potenze di picco in gioco sono relativamente basse rispetto a quelle dei radar a impulsi: questi ultimi, infatti, per avere la stessa potenza media di un radar CW, devono generare impulsi a potenze molto elevate. Un radar CW il cui segnale non sia modulato presenta, però, lo svantaggio di non poter rilevare la distanza che separa il radar dall oggetto, perché non vi è alcun riferimento temporale che contrassegni l istante di emissione del segnale e il suo ritorno, come avviene, invece, per i radar a impulsi. Si può ovviare a questo limite facendo ricorso alla modulazione di frequenza del segnale trasmesso. Mediante questo espediente, la differenza di frequenza tra il segnale trasmesso e quello retrodiffuso dal bersaglio costituisce una indicazione sul tempo di andata e ritorno del 10

3 segnale, quindi sulla distanza del target. In questo caso si parla di radar FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave). L utilizzo di questa tecnica in principio era limitato solo a un ristretto numero di applicazioni, come i radar altimetri e i radar di inseguimento. Da qualche anno invece l interesse verso questo tipo di trasmissione radar si sta rinnovando fondamentalmente per tre motivi principali. In primo luogo la compatibilità di questo tipo di modulazione con un ampia varietà di componenti a stato solido. In secondo luogo la possibilità di effettuare la misurazione della frequenza necessaria ad ottenere le informazioni sulla distanza in maniera digitale, usando processori basati su tecniche di Fast Fourier Transform (FFT). Un terzo motivo per cui questi sistemi sono tornati di attualità è che i segnali da essi generati possono difficilmente essere individuati dai convenzionali sistemi di intercettazione. Le modulazioni applicabili all onda continua possono essere di diverso tipo. In genere le più usate sono quelle lineari e sinusoidali. Quelle lineari in particolare sono le più versatili e si prestano all utilizzo di processori FFT per ottenere le informazioni in distanza dei bersagli. Nell ottica della semplicità realizzativa e dello scarso ingombro, l attenzione è rivolta in modo particolare ai radar FMCW omodina in configurazione monostatica, nei quali è previsto l impiego di un unico oscillatore che fornisce il segnale da trasmettere e nel contempo funge da oscillatore locale. Inoltre viene utilizzata una sola antenna per la trasmissione e la ricezione. Entrambe queste caratteristiche contribuiscono ad aumentare la compattezza del front-end. Sebbene una soluzione di questo tipo sembra costituire un ottima alternativa ai radar impulsati, occorre valutare attentamente l impatto di alcuni vincoli progettuali intrinsecamente connessi all uso della configurazione monostatica sui radar ad onda continua. In particolare vanno esaminati gli effetti del (leakage), quantità indesiderata di segnale trasmesso che fluisce dal trasmettitore al ricevitore e considerate le tecniche atte a mitigarlo: il circolatore impiegato a separare la catena trasmittente da quella ricevente, infatti, isola solo parzialmente le due sezioni. In un radar a onda continua, poi, trasmissione e ricezione sono simultanee, e ci si trova a dover processare segnali di ritorno dai target dell ordine dei picowatt in presenza di un segnale trasmesso dell ordine dei watt. Il tutto si traduce in un possibile mascheramento dei bersagli ed una desensibilizzazione del ricevitore. 11

4 Scopo della tesi. Il presente lavoro, svolto presso gli stabilimenti di Roma della Oerlikon Contraves S.p.A., mira a simulare il funzionamento di un radar FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) omodina in configurazione monostatica operante a 95 GHz, pensato in prima analisi per effettuare telerilevamento su piattaforma UAV (Unmanned Aerial Vehicle) e, successivamente, per la sorveglianza di aree difficilmente accessibili. Lo scopo della tesi è quello di riprodurre in ambiente virtuale l intero sistema radar utilizzando il software ADS (Advanced Design System), prodotto da Agilent e reso disponibile dalla ditta ospitante. Detto software è ad oggi utilizzato dal personale interno unicamente per la progettazione e la simulazione dell hardware. Nell ambito di questo lavoro si intende valutare l efficacia dell ambiente ADS anche per la simulazione di sistema. Il buon esito di una verifica di questo tipo significherebbe la possibilità futura di utilizzare un unico software in diversi settori aziendali (sviluppo sistemi e sviluppo hardware), aumentando l efficienza di questa risorsa. Nel primo capitolo di questo lavoro vengono richiamati i principi di funzionamento di un radar FMCW, unitamente ad un analisi dei vantaggi e degli svantaggi rispetto al cosiddetto radar impulsato. Nel secondo capitolo vengono esaminati i problemi legati alla configurazione monostatica nei radar CW, e in particolare: il segnale di leakage causato dal non perfetto isolamento offerto dal circolatore che collega la catena trasmittente a quella ricevente e la conseguente desensibilizzazione del ricevitore; il rumore di fase dell oscillatore locale che allarga lo spettro del segnale trasmesso; il possibile mascheramento dei bersagli dovuto alla simultaneità delle fasi di trasmissione e ricezione, quando si è in presenza di segnali di ritorno dell ordine dei picowatt mentre si trasmette un segnale dell ordine dei watt. Nel terzo capitolo viene decritto un prototipo di radar FMCW disponibile nella ditta ospitante, col quale saranno effettuati dei test su campo allo scopo di riscontrare nella realtà i fenomeni descritti analiticamente nei primi due capitoli. Nel quarto capitolo viene sviluppato, sfruttando il software ADS, un tool di simulazione che riproduca a calcolatore un intero sistema radar FMCW omodina monostatico. L intendimento è quello di creare un interfaccia grafica user friendly che dia la possibilità ad un ipotetico 12

5 progettista utilizzatore di impostare i parametri di sistema del radar di cui si vuole simulare il funzionamento e permetta di ottenere i risultati di interesse ai fini del progetto. Spesso, infatti, la simulazione è il primo passo nel progetto di un sistema. Nel quinto e ultimo capitolo viene descritta l attività svolta presso i laboratori della Oerlikon Contraves S.p.A. (settore Sviluppi Hardware), che ha previsto la costruzione di un dimostratore FMCW (omodina monostatico). Si tratta di un front-end rudimentale realizzato a partire dalla componentistica disponibile in laboratorio. Nel capitolo è riportato il processo logico seguito durante la costruzione del dimostratore. 13

6 SOMMARIO 1 I RADAR FMCW Concetti base Caratteristiche progettuali di un radar FMCW Segnale trasmesso: trattazione analitica della forma d onda triangolare Effetti delle non linearità della modulazione Compromessi nella scelta dei parametri della forma d onda Analisi di sistema Unità RF: schema a blocchi funzionale Architetture tipiche: inconvenienti della configurazione monostatica Unità RF: architettura Unità di Signal Processing PARAMETRI DI PROGETTO Isolamento fra trasmettitore e ricevitore Richiami sulle linee di trasmissione Isolamento tramite circolatore Isolamento tramite RPC (Reflected Power Canceler) Contributi di rumore Rumore Termico Phase Noise Rumore dell oscillatore: metodi matematici per la caratterizzazione e la simulazione Sensibilità in un radar FMCW Calcolo del rumore termico Calcolo della potenza del Phase Noise riflesso dall antenna Leakage del circolatore Leakage del mixer Risoluzione in range Risoluzione in range ideale Banda trasmessa effettivamente processata Periodo di modulazione costante Beat Frequency costante Linearità dello sweep in frequenza Parametri caratteristici di un ricevitore DESCRIZIONE DEL PROTOTIPO Descrizione del prototipo preso in esame. L architettura funzionale Descrizione del prototipo: l oggetto fisico Requisiti di funzionamento Budget Calcolo dei contributi di rumore nel ricevitore TOOL DI SIMULAZIONE Introduzione Scelta del programma CAD (computer-aided design) ADS: caratteristiche salienti Modellizzazione del front-end Modellizzazione della sorgente Modellizzazione del moltiplicatore di frequenza Modellizzazione dell antenna Modellizzazione del bersaglio Modellizzazione del bersaglio multiplo Modellizzazione della catena ricetrasmittente Simulazioni Parametri del simulatore Envelope

7 4.4.2 Visualizzazione dei risultati Uso delle tecniche di pesaggio Simulazione nel caso di bersagli vicini Simulazione del prototipo Conclusioni ESPERIENZA DI LABORATORIO Descrizione del dimostratore Sviluppo del dimostratore Budget della sezione di generazione del segnale e livello del segnale di LO Budget della sezione trasmittente Budget sezione ricevente Banco di misura Prova di funzionamento Confronto con i risultati del simulatore CONCLUSIONI SVILUPPI FUTURI APPENDICE A APPENDICE B Strumenti di misura utilizzati per le misure in laboratorio Generatore sintetizzato di frequenza Analizzatore di rete scalare Banco di misura della Insertion Loss

8 Lista degli acronimi A/D ADS AFM AM AWGN BP CW D/A DC DSB DSP FFT FM FMCW I/Q IF LNA LO LP NF RF RPC SNR SSB VCO VSWR Analogue to Digital Advanced Design System Active Frequency Multiplier Amplitude Modulated Additive White Gaussian Noise Band Pass Continuos Wave Digital to Analogue Direct Current Double Side Band Digital Signal Processor Fast Fourier Transform Frequency Modulated Frequency Modulated Continuos Wave In phase/quadrature phase Intermediate Frequency Low Noise Amplifier Local Oscillator Low Pass Noise Factor Radio Frequency Reflected Power Canceler Signal/Noise Ratio Single Side Band Voltage Controlled Oscillator Voltage Standing Wave Ratio 5