⚡ electrical engineering

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

Dit artikel presenteert een 292 GHz multistatische J-band radarchipset gefabriceerd in 130 nm SiGe BiCMOS-technologie, met geïntegreerde x16 frequentievermenigvuldigers, een zender met een EIRP van 41 dBm en een hoog-rendement ontvanger die metingen op lange afstand tot 150 meter mogelijk maakt.

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

Gepubliceerd 2026-06-19

📖 5 min leestijd🧠 Diepgaand

CC BY 4.0

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

Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer

Stel je voor dat je een gesprek probeert te voeren met een vriend aan de overkant van een zeer lange, mistige gang. Het probleem is dat je stem (het signaal) door de mist (de lucht) heel snel verloren gaat, en de oren van je vriend (de ontvanger) zijn niet gevoelig genoeg om je te horen, tenzij je extremer hard schreeuwt.

Dit artikel beschrijft een nieuw "superoor en supermond"-systeem, gebouwd op een piepkleine siliciumchip, dat dit probleem oplost voor een specifiek type onzichtbaar licht genaamd J-band radar (dat werkt op frequenties rond de 292 GHz). Deze technologie wordt gebruikt voor zaken zoals door mist heen kijken of objecten scannen zonder ze aan te raken.

Hier is hoe de auteurs dit systeem hebben gebouwd, eenvoudig uitgelegd:

1. De "Fluister-naar-Schreeuw" Machine (De Zender)

De grootste uitdaging in dit frequentiebereik is dat het moeilijk is om direct een sterk signaal te genereren. Het is alsof je probeert een specifieke hoge noot te schreeuwen die je stembanden van nature niet kunnen bereiken.

De Oplossing: In plaats van de hoge noot direct te schreeuwen, begint de chip met een lage, makkelijk te maken "brom" (een laagfrequent signaal).
De Magische Truc: De chip heeft een ingebouwde machine die werkt als een versnellingsbak. Het neemt die lage brom en vermenigvuldigt deze 16 keer, 16 keer, 16 keer, enzovoort, totdat het de hooggepitched schreeuw wordt die nodig is voor de radar.
Het Schoonmaken van de Ruis: Wanneer je een geluid zo vaak vermenigvuldigt, creëer je meestal veel "afvalruis" (harmonischen) die klinkt als statische ruis. De auteurs hebben speciale filters (zoals een zeef) in de machine gebouwd om de afvalruis weg te gooien, zodat alleen het zuivere, schone signaal overblijft.
De Versterker: Zodra het signaal hooggepitched is, is het nog steeds te zacht om ver te reizen. De chip gebruikt een "vermogenscombinator" (zoals vier mensen die in perfecte unisono schreeuwen) om het signaal hard genoeg te maken om een lange afstand af te leggen.
Het Resultaat: Ze bereikten een "luidheid" (EIRP) van 41 dBm bij gebruik van een speciale lens, wat aanzienlijk luider is dan eerdere pogingen. Zonder de lens is het nog steeds een solide 8,8 dBm.

2. Het "Superoor" (De Ontvanger)

Aan de andere kant van de gang heb je een ontvanger nodig die die zwakke echo kan horen.

De Opstelling: Deze chip heeft dezelfde "versnellingsbak"-machine om een referentiesignaal te creëren.
De Versterker: Het gebruikt een "Low-Noise Amplifier" (LNA). Denk aan dit als een zeer gevoelige microfoon die het volume van de zwakke echo verhoogt zonder zelf statische ruis toe te voegen.
De Mix: Het vergelijkt de echo die het hoort met het referentiesignaal om precies te bepalen hoe ver het object verwijderd is.
Het Resultaat: Het is ongelooflijk gevoelig en kan signalen detecteren die ver hebben gereisd en de meeste van hun energie hebben verloren.

3. De "Antennebril"

De chips hebben kleine antennes die direct op de chips zijn gebouwd.

Zonder Bril: Deze antennes zijn als groothoekogen. Ze kunnen alles in een breed gebied zien, maar ze zijn niet erg goed in het zien van dingen die ver weg zijn.
Met Bril: De auteurs hebben een speciale plastic lens (gemaakt van PTFE) toegevoegd die werkt als een vergrootglas. Dit focust de straal in een strakke, krachtige laserachtige stip. Hierdoor kan de radar objecten veel verder weg zien.

4. Het "Tweepersoons-Team" (Multistatisch Ontwerp)

Normaal gesproken zijn radarzenders en -ontvangers dicht bij elkaar gepakt. Maar bij deze hoge frequenties kan de luide zender de gevoelige ontvanger doof maken.

De Innovatie: Dit systeem is "multistatisch", wat betekent dat de zender en de ontvanger op aparte chips zitten die van elkaar gescheiden kunnen worden geplaatst.
Het Voordeel: Het is alsof de persoon die schreeuwt aan de ene kant van de kamer staat en de persoon die luistert aan de andere kant, waardoor de schreeuw de fluistering niet overstemt, zodat beide hun maximale potentieel kunnen bereiken.

5. De Praktijktest

Om te bewijzen dat het werkt, hebben het team hun chips in een gang opgezet.

Ze gebruikten een bewegende metalen driehoek (een hoekreflector) als doelwit.
Ze slaagden erin dit doelwit te detecteren op een afstand van 150 meter (ongeveer 1,5 voetbalveld).
Hoewel de gang deuren en muren had die verwarrende echo's (ghost targets) veroorzaakten, was het systeem slim genoeg om het echte doelwit te onderscheiden van de achtergrondruis.

Samenvatting

Kortom, de auteurs hebben een piekleine, zeer efficiënte radar op een siliciumchip gebouwd. Ze hebben het probleem van het genereren van hoogfrequente signalen opgelost door een slimme "vermenigvuldigingsketen" (versnellingsbak) te gebruiken, de ruis opgeschoond met filters, en een "multistatische" opstelling te gebruiken om te voorkomen dat de luide zender de gevoelige ontvanger stoort. Het resultaat is een radar die objecten duidelijk over lange afstanden kan zien, zelfs bij zeer hoge frequenties waar dit normaal gesproken erg moeilijk is.

Technische Samenvatting: Multistatische J-band Radar TX/RX Chipset in SiGe BiCMOS

Probleemstelling
Sub-terahertz (Sub-THz) frequenties, met name de J-band (220–330 GHz), bieden aanzienlijk potentieel voor geavanceerde radar-toepassingen zoals medische screening, beeldvorming en niet-destructief onderzoek vanwege de grote beschikbare bandbreedte en hoge bereikresolutie. De praktische implementatie van deze systemen wordt echter momenteel gehinderd door hoog padverlies, beperkt transmissievermogen en hoge ontvangerruisfiguren, wat resulteert in een lage signaal-ruisverhouding (SNR). Bestaande demonstraties vertrouwen vaak op omvangrijke, dure vector netwerkanalysatoren (VNA) met frequentie-extenders, die ongeschikt zijn voor schaalbare, kosteneffectieve toepassingen. Bovendien blijft het gelijktijdig bereiken van een hoge Equivalent Isotropically Radiated Power (EIRP) en een hoge ontvangergevoeligheid in een compacte, geïntegreerde vormfactor een uitdaging, met name bij het beheren van harmonische spurs gegenereerd door hoogfrequente vermenigvuldigingsketens.

Methodologie
Dit werk presenteert het ontwerp en de meting van een multistatische radarchipset bestaande uit een zender (TX) en een ontvanger (RX) Monolithische Microgolf Geïntegreerde Circuit (MMIC), beide gerealiseerd in IHP's 130 nm SiGe BiCMOS-technologie (met HBT's met een $f_T$ van 500 GHz en een $f_{max}$ van 610 GHz).

Architectuur: Het systeem maakt gebruik van een multistatische architectuur waarbij de TX en RX ruimtelijk gescheiden zijn maar een gecorreleerd laagfrequent lokaal oscillator (LO) signaal delen. Beide MMIC's integreren een on-chip $\times$ 16 frequentievermenigvuldigingsketen, waardoor de LO gedistribueerd kan worden onder de 21 GHz, wat distributieverliezen en kosten minimaliseert.
Zenderontwerp (TX): De TX MMIC bevat de $\times$ 16 vermenigvuldigingsketen gevolgd door een vierfasige, vierweg vermogenscombinerende versterkingsketen. De vermenigvuldigingsketen bestaat uit een actieve balun, voorversterkers en vier verdubbelingsstadia (gebruikmakend van push-push en gebootstrapped Gilbert cell topologieën) afgewisseld met banddoorlaatfilters om harmonischen te onderdrukken. De laatste fase stuurt een differentiële rechthoekige on-chip patchantenne aan.
Ontvangerontwerp (RX): De RX MMIC integreert dezelfde $\times$ 16 vermenigvuldigingsketen om de LO te genereren voor een fundamentele down-conversie mixer. Het RF-signaal wordt opgevangen door een on-chip patchantenne en versterkt door een drie-fasen Low-Noise Amplifier (LNA) voordat het gemengd wordt. De LNA maakt gebruik van een serie transmissielijn input-matching netwerk om tegelijkertijd de ruisfiguur en de input return loss te optimaliseren.
Systeemintegratie: De MMIC's zijn gemonteerd op afzonderlijke PCB's met geïntegreerde collimerende PTFE-lenzen om de gain en directiviteit te verbeteren voor metingen op lange afstand.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

Hoge EIRP Zender: De geïntegreerde vierweg vermogenscombinerende versterker levert een uitgangsvermogen van 11,2 dBm. Met een collimerende PTFE-lens bereikt het systeem een gemeten EIRP van 41 dBm bij 292 GHz. Zonder de lens is de EIRP 8,8 dBm, wat een breed gezichtsveld biedt.
Harmonische Onderdrukking: Ondanks de hoge vermenigvuldigingsfactor van 16, bereikt het ontwerp een robuuste harmonische onderdrukking. De on-chip harmonische onderdrukking is beter dan 24 dBc, terwijl de uitgestraalde in-band harmonische onderdrukking ongeveer 50 dBc bereikt door de combinatie van meerdere filterstadia in de vermenigvuldigingsketen en de filterrespons van de patchantenne.
Ontvangergevoeligheid: De RX MMIC bereikt een totale conversiegain van 43,3 dB bij 292 GHz. De ruisfiguur werd gemeten op ongeveer 20 dB bij 285 GHz (inclusief de antenne), wat overeenkomt met de state-of-the-art prestaties.
Bandbreedte: Het systeem vertoont een 3 dB bandbreedte van 31,7 GHz en een 10 dB bandbreedte van 88 GHz, waarmee een aanzienlijk deel van de J-band wordt gedekt.
Demonstratie op Lange Afstand: FMCW radar-metingen werden uitgevoerd in een gangomgeving. Het systeem detecteerde succesvol een bewegende hoekreflector op afstanden tot 150 meter, wat de lange-afstandscapaciteit van de chipset valideert ondanks de hoge middenfrequentie.

Betekenis
Het artikel stelt dat dit werk de stand van de techniek vooruit helpt door succesvol een hoogvermogen zender en een gevoelige ontvanger te integreren in een schaalbare, multistatische SiGe BiCMOS chipset. Door gebruik te maken van de multistatische architectuur minimaliseert het systeem TX-RX koppeling, wat het gebruik van hoogvermogenversterkers mogelijk maakt zonder de ontvanger te verzadigen. De integratie van de $\times$ 16 vermenigvuldigingsketen maakt distributie van de laagfrequente LO mogelijk, wat schaalbare radarconfiguraties met meerdere modules faciliteert. De bereikte EIRP van 41 dBm overtreft eerder gerapporteerde waarden voor J-band radarzenders (bijv. 27 dBm en 31 dBm in eerdere werken), wat aantoont dat hoogwaardige Sub-THz radarsystemen kunnen worden gerealiseerd met siliciumgebaseerde technologieën zonder afhankelijk te zijn van omvangrijke externe instrumentatie. De succesvolle 150 m afstandmeting bevestigt de praktische levensvatbaarheid van deze chipset voor radar-toepassingen op lange afstand.