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Multistatic J-Band Radar TX/RX Chipset in SiGe BiCMOS with Integrated x16 Frequency Multiplier Chain and High EIRP

Dieses Papier präsentiert einen multistatischen J-Band-Radar-Chipsatz mit 292 GHz, der in 130-nm-SiGe-BiCMOS-Technologie gefertigt wurde und integrierte x16-Frequenzmultiplikatoren, einen Sender mit einer EIRP von 41 dBm sowie einen hochgewinnenden Empfänger aufweist, der Langstreckenmessungen bis zu 150 Metern ermöglicht.

Ursprüngliche Autoren: Stephan Hauptmeier, Kennet Braasch, Till Ziegler-Bellenberg, Diana P. Cortes N., Tobias T. Braun, Michael Höft, Nils Pohl

Veröffentlicht 2026-06-19

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CC BY 4.0

Ursprüngliche Autoren: Stephan Hauptmeier, Kennet Braasch, Till Ziegler-Bellenberg, Diana P. Cortes N., Tobias T. Braun, Michael Höft, Nils Pohl

Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, mit einem Freund über einen sehr langen, nebligen Flur zu sprechen. Das Problem ist, dass Ihre Stimme (das Signal) im Nebel (der Luft) sehr schnell verloren geht und die Ohren Ihres Freundes (der Empfänger) nicht empfindlich genug sind, um Sie zu hören, es sei denn, Sie schreien extrem laut.

Dieses Papier beschreibt ein neues „Super-Ohr-und-Super-Mund“-System, das auf einem winzigen Siliziumchip aufgebaut ist und dieses Problem für eine bestimmte Art von unsichtbarem Licht, das J-Band-Radar (das bei Frequenzen um 292 GHz arbeitet), löst. Diese Technologie wird für Dinge wie das Sehen durch Nebel oder das Scannen von Objekten ohne Berührung verwendet.

So haben die Autoren dieses System aufgebaut, einfach erklärt:

1. Die „Flüstern-zu-Schreien“-Maschine (Der Sender)

Die größte Herausforderung in diesem Frequenzbereich besteht darin, ein starkes Signal direkt zu erzeugen. Es ist, als würde man versuchen, eine bestimmte hohe Note zu schreien, die die eigenen Stimmbänder von Natur aus nicht erreichen können.

Die Lösung: Anstatt die hohe Note direkt zu schreien, beginnt der Chip mit einem niedrigen, leicht zu erzeugenden „Summen“ (einem niederfrequenten Signal).
Der magische Trick: Der Chip besitzt eine eingebaute Maschine, die wie ein Getriebe funktioniert. Sie nimmt dieses tiefe Summen und vervielfacht es 16-mal, 16-mal, 16-mal und so weiter, bis es den hochfrequenten Schrei wird, den das Radar benötigt.
Das Reinigen des Rauschens: Wenn man ein Geräusch so oft vervielfacht, erzeugt man normalerweise viel „Müllrauschen“ (Harmonische), das wie ein statisches Rauschen klingt. Die Autoren haben spezielle Filter (wie ein Sieb) in die Maschine eingebaut, um das Müllrauschen auszusortieren und nur das saubere, reine Signal zu behalten.
Der Verstärker: Sobald das Signal hochfrequent ist, ist es immer noch zu leise, um weit zu reisen. Der Chip nutzt einen „Leistungskombinator“ (wie vier Menschen, die im perfekten Einklang schreien), um das Signal laut genug zu machen, damit es eine lange Strecke zurücklegen kann.
Das Ergebnis: Sie erreichten eine „Lautstärke“ (EIRP) von 41 dBm unter Verwendung einer speziellen Linse, was deutlich lauter ist als bisherige Versuche. Ohne die Linse sind es immer noch solide 8,8 dBm.

2. Das „Super-Ohr“ (Der Empfänger)

Auf der anderen Seite des Flurs benötigen Sie einen Empfänger, der dieses schwache Echo hören kann.

Der Aufbau: Dieser Chip besitzt ebenfalls die gleiche „Getriebe“-Maschine, um ein Referenzsignal zu erzeugen.
Der Verstärker: Er verwendet einen „rauscharmen Verstärker“ (LNA). Stellen Sie sich das wie ein sehr empfindliches Mikrofon vor, das die Lautstärke des schwachen Echos erhöht, ohne selbst ein statisches Rauschen hinzuzufügen.
Das Mischen: Er vergleicht das Echo, das er hört, mit dem Referenzsignal, um genau zu bestimmen, wie weit das Objekt entfernt ist.
Das Ergebnis: Er ist unglaublich empfindlich und kann Signale detektieren, die weit gereist sind und den Großteil ihrer Energie verloren haben.

3. Die „Antennen-Brille“

Die Chips haben winzige Antennen, die direkt auf ihnen aufgebaut sind.

Ohne Brille: Diese Antennen sind wie Weitwinkelaugen. Sie können alles in einem weiten Bereich sehen, sind aber nicht besonders gut darin, Dinge in der Ferne zu sehen.
Mit Brille: Die Autoren haben eine spezielle Kunststofflinse (aus PTFE gefertigt) hinzugefügt, die wie eine Lupe wirkt. Sie fokussiert den Strahl in einen engen, kraftvollen, laserartigen Punkt. Dies ermöglicht es dem Radar, Objekte viel weiter entfernt zu sehen.

4. Das „Zwei-Personen-Team“ (Multistatisches Design)

Normalerweise sind Radar-Sender und -Empfänger eng beieinander gepackt. Aber bei diesen hohen Frequenzen kann der laute Sender den empfindlichen Empfänger jedoch „taub machen“.

Die Innovation: Dieses System ist „multistatisch“, was bedeutet, dass der Sender und der Empfänger auf separaten Chips untergebracht sind, die nebeneinander platziert werden können.
Der Vorteil: Es ist, als ob die schreiende Person auf der einen Seite des Raumes steht und die zuhörende Person auf der anderen Seite. Dies verhindert, dass der Schrei das Flüstern übertönt, sodass beide ihr maximales Potenzial ausschöpfen können.

5. Der Praxistest

Um zu beweisen, dass es funktioniert, stellten die Teams ihre Chips in einem Flur auf.

Sie verwendeten ein bewegliches Metalldreieck (einen Winkelreflektor) als Zielobjekt.
Es gelang ihnen, dieses Ziel aus 150 Metern Entfernung (etwa 1,5 Fußballfelder) zu detektieren.
Obwohl der Flur durch Türen und Wände verwirrende Echos (Geisterziele) erzeugte, war das System intelligent genug, um das echte Ziel vom Hintergrundrauschen zu unterscheiden.

Zusammenfassung

Kurz gesagt: Die Autoren haben ein winziges, hocheffizientes Radarsystem auf einem Siliziumchip gebaut. Sie haben das Problem der Erzeugung hochfrequenter Signale gelöst, indem sie eine clevere „Vervielfältigerkette“ (Getriebe) verwendeten, das Rauschen mit Filtern bereinigten und ein „multistatisches“ Setup nutzten, um zu verhindern, dass der laute Sender den empfindlichen Empfänger stört. Das Ergebnis ist ein Radar, das Objekte auch bei sehr hohen Frequenzen, bei denen dies normalerweise sehr schwierig ist, klar über weite Entfernungen sehen kann.

Technische Zusammenfassung: Multistatisches J-Band-Radar-TX/RX-Chipset in SiGe-BiCMOS

Problemstellung
Sub-Terahertz-Frequenzen (Sub-THz), insbesondere im J-Band (220–330 GHz), bieten aufgrund ihrer großen verfügbaren Bandbreite und hohen Entfernungsauflösung erhebliches Potenzial für fortschrittliche Radaranwendungen wie medizinische Screening-Verfahren, Bildgebung und zerstörungsfreie Prüfung. Die praktische Implementierung dieser Systeme wird jedoch derzeit durch hohe Pfadverluste, begrenzte Sendeleistung und hohe Rauschzahlen der Empfänger behindert, was zu niedrigen Signal-Rausch-Verhältnissen (SNR) führt. Bestehende Demonstratoren verlassen sich häufig auf sperrige, teure Vektornetzwerkanalysatoren (VNA) mit Frequenzerweitern, die für skalierbare, kostengünstige Anwendungen ungeeignet sind. Darüber hinaus bleibt die gleichzeitige Erzielung einer hohen äquivalenten isotrop abgestrahlten Leistung (EIRP) und einer hohen Empfängerempfindlichkeit in einem kompakten, integrierten Formfaktor eine Herausforderung, insbesondere beim Management von Harmonischen, die durch Hochfrequenz-Multiplikationsketten erzeugt werden.

Methodik
Diese Arbeit präsentiert das Design und die Messung eines multistatischen Radar-Chipsets, bestehend aus einem Sender (TX) und einem Empfänger (RX) Monolithischen Mikrowellen-Integrierter-Schaltkreis (MMIC), beide realisiert in IHP's 130 nm SiGe-BiCMOS-Technologie (mit HBTs mit $f_T$ von 500 GHz und $f_{max}$ von 610 GHz).

Architektur: Das System nutzt eine multistatische Architektur, bei der TX und RX räumlich getrennt sind, aber ein korreliertes Niederfrequenz-Lokaloszillator-Signal (LO) teilen. Beide MMICs integrieren eine On-Chip- $\times$ 16-Frequenzmultiplikationskette, wodurch der LO unterhalb von 21 GHz verteilt werden kann, was die Distributionsverluste und Kosten minimiert.
Sender-Design (TX): Das TX-MMIC umfasst die $\times$ 16-Multiplikationskette gefolgt von einer vierstufigen, vierfachen Leistungs kombinierenden Verstärkungskette. Die Multiplikationskette besteht aus einem aktiven Balun, Vorverstärkern und vier Verdoppler-Stufen (unter Verwendung von Push-Push- und gebootstrappten Gilbert-Zellen-Topologien), die zur Unterdrückung von Harmonischen mit Bandpassfiltern durchsetzt sind. Die letzte Stufe treibt eine differenzielle, rechteckige On-Chip-Patch-Antenne an.
Empfänger-Design (RX): Das RX-MMIC integriert dieselbe $\times$ 16-Multiplikationskette, um den LO für einen fundamentalen Down-Conversion-Mischer zu erzeugen. Das HF-Signal wird von einer On-Chip-Patch-Antenne erfasst und durch einen dreistufigen rauscharmen Verstärker (LNA) vor dem Mischen verstärkt. Der LNA verwendet eine Serien-Übertragungsleitungs-Eingangsanpassung, um gleichzeitig das Rauschzahlverhalten und die Eingangsreflexion zu optimieren.
Systemintegration: Die MMICs sind auf separaten PCBs montiert, die integrierte kollimierende PTFE-Linsen zur Erhöhung von Gewinn und Richtwirkung für Langstreckenmessungen verwenden.

Wesentliche Beiträge und Ergebnisse

Hochleistungs-Sender (EIRP): Der integrierte vierfache Leistungs kombinierende Verstärker liefert eine Ausgangsleistung von 11,2 dBm. Mit einer kollimierenden PTFE-Linse erreicht das System eine gemessene EIRP von 41 dBm bei 292 GHz. Ohne die Linse beträgt die EIRP 8,8 dBm, was ein breites Sichtfeld ermöglicht.
Harmonische Unterdrückung: Trotz des hohen Multiplikationsfaktors von 16 erreicht das Design eine robuste Harmonischen-Unterdrückung. Die On-Chip-Harmonischen-Unterdrückung ist besser als 24 dBc, während die abgestrahlte In-Band-Harmonischen-Unterdrückung durch die Kombination mehrerer Filterstufen in der Multiplikationskette und die Filterantwort der Patch-Antenne etwa 50 dBc erreicht.
Empfängerempfindlichkeit: Das RX-MMIC erreicht einen Gesamtumwandlungsgewinn von 43,3 dB bei 292 GHz. Die Rauschzahl wurde auf etwa 20 dB bei 285 GHz gemessen (einschließlich der Antenne), was mit dem Stand der Technik übereinstimmt.
Bandbreite: Das System demonstriert eine 3-dB-Bandbreite von 31,7 GHz und eine 10-dB-Bandbreite von 88 GHz, womit ein signifikanter Teil des J-Bands abgedeckt wird.
Langstrecken-Demonstration: FMCW-Radar-Messungen wurden in einer Flur-Umgebung durchgeführt. Das System konnte einen bewegten Eckreflektor in Entfernungen von bis zu 150 Metern erfolgreich detektieren, was die Langstreckenfähigkeit des Chipsets trotz der hohen Mittenfrequenz validiert.

Bedeutung
Die Arbeit behauptet, dass diese Arbeit den Stand der Technik vorantreibt, indem sie erfolgreich einen Hochleistungs-Sender und einen empfindlichen Empfänger in ein skalierbares, multistatisches SiGe-BiCMOS-Chipset integriert. Durch Nutzung der multistatischen Architektur minimiert das System die TX-RX-Kopplung, was die Verwendung von Hochleistungsverstärkern ermöglicht, ohne den Empfänger zu sättigen. Die Integration der $\times$ 16-Multiplikationskette ermöglicht die Verteilung eines Niederfrequenz-LO, was skalierbare Radar-Konfigurationen mit mehreren Modulen erleichtert. Die erreichte EIRP von 41 dBm übertrifft zuvor berichtete Werte für J-Band-Radar-Transmitter (z. B. 27 dBm und 31 dBm in früheren Arbeiten) und zeigt, dass hochperformante Sub-THz-Radarsysteme ohne Rückgriff auf sperrige externe Instrumentierung auf Silizium-basierten Technologien realisiert werden können. Die erfolgreiche 150-m-Entfernungsmessung bestätigt die praktische Lebensfähigkeit dieses Chipsets für Langstrecken-Radar-Anwendungen.