ERK'2020, Portorož, 21-24 21 Razvoj UWB radarja Marko Malajner 1 , Erich Leitgeb 2 , Peter Planinˇ siˇ c 1 , Duˇ san Gleich 1 1 UM FERI, Koroˇ ska cesta 46, 2000 Maribor 2 Institut f¨ ur Hochfrequenztechnik, Graz University of Technology, A-8010 Graz, Inffeldgasse 12 E-poˇ sta: marko.malajner@um.si Abstract This paper proposes an improved design of a pulse-based radar. An improved design of a pulse generator is pre- sented using step recovery diodes and a signal mixer for the received signal. Two-step recovery diodes produce pulses of 120 ps in duration. A pulse generator is im- proved by removing the negative power supply, resulting in a reduced number of electronic pulses. A sampling mixer at the receiver’s site receives the generated signal and stretches it from picoseconds into microseconds. The improved pulse generator is also used in the sampling mixer as a strobe pulse generator, which makes the sam- pling mixer much simpler. The stretched signal is then sampled by a low sample rate using an analog to dig- ital converter. The proposed radar design achieves up to 8 GHz bandwidth and an equivalent receiving sample rate of about 100 GSa/s. The radar is controlled using a software-defined radio called Red Pitaya, which is also used for data acquisition. The proposed radar design uses widely available commercial components, which ma- kes radar design widely available with low cost imple- mentation. 1 Uvod Radarji z zelo ˇ sirokim radiofrekvenˇ cnim (RF) pasom (ang. UWB - Ultra Wide Band) oddajajo in sprejemajo signale s frekvenˇ cno ˇ sirino od 500 MHz do nekaj GHz. UWB radarje odlikuje dobra prostorska loˇ cljivost za uporabo v mnogih aplikacijah kot je geologija, nadzor ˇ zivljenskih funkcij, iskanje podzemnih min, itd [1]. UWB radarje lahko v osnovi delimo v dve skupini: (i) radarji, ki teme- ljijo na generiranju kratkih RF pulzov (ˇ casovno-domenski radarji) in (ii) radarji, ki temeljijo na frekvenˇ cnih mo- dulacijah (frekvenˇ cno-domenski radarji). Slednje lahko delimo na radarje, katerim se stopniˇ cno spreminja fre- kvenca od minimalne do maksimalne (ang. SFCW - Ste- pped Frequency Continuous Wave) [2, 3] in pa radarje, katerim se frekvenca spreminja zvezno (ang. FMCW - Frequency Modulated Continuous Wave) [4]. Radarji v frekvenˇ cni domeni imajo bolj komplicirano arhitekturo in signalno procesiranje v primerjavi z radarji v ˇ casovni domeni. Radar v ˇ casovni domeni (pulzni radar) je sestavljen iz pulznega generatorja, detektorja pulzov, RF ojaˇ cevalnikov in anten ter enote za obdelavo signalov [5]. Na oddajni strani mora pulzni generator proizvajati pulze, ki so krajˇ si od nanosekunde. To lahko doseˇ zemo z uporabo plazov- nih transistorjev [6], tunelskih diod [7], nelinearnih pre- nosnih linij [8] ali z uporabo stopniˇ cno obnovljivih diod (ang. SRD - Step Recovery Diode) [9]. Veˇ cina pul- znih generatorjev uporablja SR diode, ki lahko generirajo pulse v rangu 100 ps. Sprejemnik pulznega radarja mora sprejeti in digitali- zirati RF signale s pasovno ˇ sirino nekaj GHz. Sprejemnik je bolj zapleteno narejen kot oddajnik. Za zajemanje RF signalov lahko uporabimo visoko zmogljive anologno- digitalne pretvornike (ADC). Takˇ sen ADC mora imeti stopnjo vzorˇ cenja veˇ c kot 10 GSa/s in je seveda zelo drag. Poleg visoke cene, takˇ sni ADC-ji proizvedejo ogromno koliˇ cino podatkov, ki jih je potrebno obdelati. Prednost pa je, da lahko delujejo v realnem ˇ casu. Namesto nepo- srednega zajemanja z ADC-ji, lahko uporabimo t.i. ekvi- valetni ˇ cas tipanja (ang. EST . Equivalent Sample Time) [10]. EST pretvorniki delujejo tako, da v vsaki periodi ponavljajoˇ cega se signala, zajamejo del tega signala in ga po doloˇ cenem ˇ stevilu period rekonstruirajo. To pomeni, da ne zajamejo celotnega signala hkrati, ampak po de- lih v veˇ c periodah. Pogoj je, da mora biti zajeti signal ponavljajoˇ c v doloˇ cenem ˇ stevilu period. ˇ Cas zajemanja signala se poviˇ sa na raˇ cun enostavnejˇ sega in cenejˇ sega vezja za zajem RF signala. Z drugimi besedami: EST pretvorniki ˇ casovno raztegnejo zajeti signal, ki ga lahko potem digitaliziramo z manj zmogljivimi in cenejˇ simi AD pretvorniki. V tuji literaturi najdemo EST pretvornike pod imenom sampling head ali sampling mixer (vzorˇ ce- valni meˇ salnik) [11]. V tem ˇ clanku bomo opisali naˇ crtovanje in izdelavo celotnega predlaganega UWB radarja, ki ga odlikuje vi- soka zmogljivost, enostavnost, komercialno dobavlljive komponente in seveda nizka cena. V poglavju 2 bomo opisali predlagano implementacijo pulznega generatorja in sprejemnika, v poglavju 3 bomo opisali integracijo vseh komponent radarja in razvoj programske opreme. V za- dnjem poglavju bomo pa podali nekaj izsledkov in za- kljuˇ ckov implementacije radarja. 2 Naˇ crtovanje UWB radarja Slika 1 prikazuje blokovno shemo predlaganega radarja. Blokci znotraj prekinjajoˇ ce ˇ crte so integrirani na eni ti- skanini kot je opisano v poglavju 3. Radar je sestavljen 22 modularno, kar pomeni, da lahko prikljuˇ cimo ˇ zeljene iz- hodne in vhodne RF ojaˇ cevalnike in antene. Prav tako lahko izberemo poljuben AD pretvornik in mikrokrmnil- nik za nadziranje radarja. V naˇ crtu predlaganega radarja smo uporabili mikrokraˇ cnulanik Red Pitaya z integrira- nimi AD in DA pretvorniki [12]. Red Pitaya Clock CDCM6208 Pulse Generator RF  Amplifier OP.  Amplifier Sampling mixer LNA RF Out RF In SPI Clock Pulse Clock IF Out Synchronization 10.0001 MHz 10.0000 MHz ADC Integration on single PCB Slika 1: Blokovna shema predlaganega radarja. 2.1 Naˇ crtovanje pulznega generatorja Pulzni generator smo naˇ crtovali z uporabo SR diod. Za generiranje kratkih pulzov lahko uporabimo specifiˇ cno lastnost SR diode, da lahko shrani naboj, ko tok teˇ ce v prevodni smeri. Ko tok spremeni smer iz prevodne v za- porno, SR dioda od razlike s klasiˇ cno diodo, ne zapre PN spoja v trenutku, temveˇ c ostane ˇ se doloˇ cen ˇ cas pre- vodna. Ko zmanjka naboja, ki drˇ zi diodo prevodno, pa se zgodi takojˇ snje zaprtje diode. Ta vrsta diode lahko preide iz prevodnega v neprevodno stanje v manj kot 50 ps. To lastnost lahko uporabimo za generiranje zelo krat- kih pulzov. Osnovo za naˇ crtovanje generatorja smo pov- zeli po [9]. Generiranje pulzov smo poenostavili z upo- rabo generatorja preciznega pravokotnega urinega signala [13]. Shema predlaganega generatorja je na sliki 2. Ge- nerator sestavljata dve paralelno vezani SR diodi. Izho- dna Schottky dioda je namenjena oblikovanju izhodnega pulza. Upor na vhodu sluˇ zi 50 Ohmski impedanˇ cni pri- lagoditvi, vrednost uporaR 2 lahko spreminjamo in s tem vplivamo na ˇ sirino izhodnega pulza. Slika 2: Generator kratkih pulzov Slika 3 prikazuje izmerjen pulz na izhodu generatorja. ˇ Sirina pulza je 120 ps, kar zasede pasovno ˇ sirino od DC do 8 GHz. -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 t(picoseconds) -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 U[Volts] Slika 3: Izmerjen pulz na izhodu generatorja 2.2 Naˇ crtovanje vzorˇ cevalnega meˇ salnika Pulzni generator je laˇ zje naˇ crtovati in izdelati kot pa vzor- ˇ cevalni meˇ salnik (na kratko: vzorˇ cevalnik). Vzorˇ cevalnik mora biti sposoben zajeti ˇ sirokopasovni signal, v naˇ sem primeru od DC do 8 GHz. Kot smo omenili v uvodu, so direktni analogno-digitalni pretvorniki cenovno nepri- merni za uporabo v radarjih. Zaradi tega, predlagamo uporabo vzorˇ cevalnika, ki deluje na principu ekvivalen- tnega ˇ casa tipanja. V literaturi obstaja mnogo razliˇ cnih izvedb takˇ snega vzorˇ cevalnika. Kot osnovo, smo vzeli princip vzorˇ cevalnika na dveh vzorˇ cevalnih diodah [11] in ga nadgradili za naˇ se potrebe. Charging Discharging Slika 4: Shema predlaganega vzorˇ cevalnega meˇ salnika Slika 4 prikazuje shemo predlaganega vzorˇ cevalnega meˇ salnika. Vhodni RF signal vzorˇ cevalnik zajema z od- piranjem in zapiranjem hitrih Schottky diod (BAT2402). Odpiranje diod se vrˇ si s stroboskopskimi pulzi, ki jih ge- neriramo z generatorjem opisanim v prejˇ snjem poglavju. Pulzi morajo imeti zadostno veliko amplitudo, da odprejo 23 diode, v tem primeru najmanj 0,3 V , kolikor znaˇ sa bari- era uporabljenih diod. Generiran pulz je potrebno razde- liti na dva pulza, ki imata nasprotno polariteto, da odpi- rata obe diodi in stem zajemamo pozitivne in negativne RF signale. Pulz razdelimo z uporabo baluna. Generetor pulzov proˇ zimo z urinim signalom na vhodu. Frekvenca urinega signala je doloˇ cena glede na frekvenco pojav- nosti pulzov (ang.: PRF-Pulse Repetition Frequency) na oddajni strani. Vzorˇ cevalnik mora sekvenˇ cno zajemati delˇ cke signala v vsaki periodi, kar pomeni, da mora biti sinhorniziran z oddajnikom. Frekvenca ure na vzorˇ ceval- niku (f 0 f) je za nekaj deset ali sto Hz viˇ sja ali niˇ zja od PRF frekvence oddajnika, kar pomeni, da vzorˇ cevalna frekvenca skenira ˇ cez frekvenco oddajnika. Faktor raz- tezanja signala lahko doloˇ cimo kot: f0 = f . ˇ Ce izbe- remo f 0 = 10MHz in f = 100Hz, dobimo faktor raztezanja 100000. Z drugimi besedami: tako nastavljen vzorˇ cevalnik raztegne signal iz 200 ps na 20s . Ko sta diodi odprti, se vhodni RF signal shrani v kon- denzatorjih Ch. Ob zaprtju diod pa se shranjen signal pra- zni skozi upor Rh in polni kondenzator Cd. Raztegnjen signal zajamemo na obeh Cd kondenzatorjih in ga lahko digitaliziramo z uporabo manj zmogljivih AD pretvorni- kov. Zaradi zelo ˇ sirokega spektra signala in pa majhnih amplitud, je potrebno veliko pozornosti posvetiti naˇ crto- vanju tiskanega vezja. Pri tem smo si pomagali s simula- cijskimi orodji za naˇ crtovanje RF vezij. Rezultat simula- cije je tiskano vezje na sliki 5. Slika 5: Tiskano vezje vzorˇ cevalnika Tiskano vezje je izdelano na laminatu ROGERS RO- 4350B z dielektriˇ cno konstanto 3,66 in debelino substrata 0,762 mm. Izdelan vzorˇ cevalnik, pulzni generator in ge- nerator ure CDC6208 je prikazan na sliki 6. Za izvedbo meritev smo sklenili izhod generatorja z vhodom v vzor- ˇ cevalnik preko atenuatorja. Na sliki 7 je primerjava generiranega pulza zajeta z 40 GSa/s osciloskopom in pulza raztegnjenega z vzor- ˇ cevalnikom in kasneje zajetega z 2 GSa/s osciloskopom. Rumena krivulja predstavlja relativni pogreˇ sek, ki je v povpreˇ cju manjˇ si od 1 %. 3 Integracija komponent radarja in razvoj programske opreme Prvi prototip radarja je bil razvit modularno, zaradi laˇ zjega razvoja in izvedbo meritev. Ko so bili vsi sklopi raz- viti, smo se lotili integracije radarja na eno tiskano vezje. Sampler Pulse gen. OP Ampl. DC/DC Con. CLOCK Attenuator f ₀±Δf f ₀ RF In IF Out Slika 6: Tiskano vezje vzorˇ cevalnika -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Osciloscope time scale in [nanoseconds] -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Normalized amplitude Oscilloscope Sampling mixer Relative Error Sampling mixer time scale in [microseconds] 0 150 Slika 7: Primerjava zajetih pulzov z osciloskopom in vzorˇ cevalnikom. Rumena krivulja prikazuje relativni pogreˇ sek. Tiskano vezje je narejeno tako, da se lahko natakne na konektorje od Red Pitaye. Red Pitaya sluˇ zi kot proce- sna in krmilna enota za radar, omogoˇ ca tudi povezljivost preko etherneta za nadaljno obdelavo signalov. Na ti- skanem vezju so integrirane komponente, ki so znotraj ˇ crtkane ˇ crte na sliki 1. Morebitni izhodni in vhodni RF ojaˇ cevalniki ter antene se prikljuˇ cijo na radar preko SMA konektorjev. Sliki 8 in 9 prikazujeta integriran radar pri- kljuˇ cen na Red Pitayo. 3.1 Razvoj programske opreme in grafiˇ cnega vme- snika Razvoj programske opreme lahko razdelimo na dva dela: (i) program, ki se izvaja na Red Pitayi in skrbi za gene- riranje in zajemanje signalov, sinhronizacijo sprejemnika in oddajnika ter za komunikacijo preko etherneta, (ii) dru- gi del programske opreme se izvaja na osebnem raˇ cunal- niku ali laptopu in skrbi za vizualizacijo prejetih podat- kov. Red Pitaya nima svojega grafiˇ cnega vmesnika, zato poˇ siljamo podatke preko etherneta na drugo napravo, kjer 24 RF In RF Out LNA RF Ampl. Red Pitaya IF Out Sync. Input Integrated Radar Sampler Clock Pulse gen. Slika 8: Radar (modra ploˇ sˇ cica) nataknjen na Red Pitayo Red Pitaya Radar Slika 9: Stranski pogled na celoten radar lahko vizualiziramo podatke. Za vizualizacijo radarskih podatkov smo uporabili programski paket Matlab. V Ma- tlabu izrisujemo v realnem ˇ casu sprejete signala radarja v naˇ cinu B-scan (Slika 10). Slika 10: Grafiˇ cni vmesnik radarja. Na levi strani je prika- zan zajet signal na sprejemniku, v sredini so zaporedni signali zdruˇ zeni v radarsko sliko (B-scan). Na desni strani se prikazu- jejo GPS podatki, ˇ ce je na radar prikljuˇ cen GPS modul. 4 Zakljuˇ cek V ˇ clanku smo opisali razvoj in izdelavo cenovno ugo- dnega UWB pulznega radarja s pasovno ˇ sirino od DC do 8 GHz. Pulzni generator in vzorˇ cevalnik smo nad- gradili in uporabili komponente, ki so komercialno doba- vljive. Vse skupaj smo integrirali na eno tiskano vezje, ki se lahko prikljuˇ ci na Red Pitayo. Takˇ sen radarski sistem ima moˇ znost poljubnih nadgradenj, strojnih in program- skih ter se lahko uporabi v mnogih aplikacijah. Zahvala Del prispevka je nastajal v ˇ casu mobilnosti v okviru pro- jekta CEEPUS CIII-BG-1103-04-1920-M-139006 na T ¨ U Graz, julij 2020. Literatura [1] L. Li, A. E. Tan, K. Jhamb, and K. Rambabu. Buried object characterization using ultra-wideband ground pe- netrating radar. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 60(8):2654–2664, Aug 2012. [2] I. Nicolaescu, P. van Genderen, K. W. Van Dongen, J. van Heijenoort, and P. Hakkaart. Stepped frequency conti- nuous wave radar-data preprocessing. In Proceedings of the 2nd International Workshop onAdvanced Ground Pe- netrating Radar, 2003., pages 177–182, 2003. [3] D. ˇ Sipoˇ s and D. Gleich. A lightweight and low-power uav-borne ground penetrating radar design for landmine detection. Sensors, 8(20), April 2020. [4] G.L. Charvat. Small and Short-Range Radar Systems. CRC Press Inc.: Boca Raton, FL, USA, 2014. [5] L. Liu, X. Xia, S. Ye, J. Shao, and G. Fang. Development of a novel, compact, balanced, micropower impulse radar for nondestructive applications. IEEE Sensors Journal, 15(2):855–863, Feb 2015. [6] Nikolai Beev, Jonas Keller, and Tanja E. Mehlst¨ aubler. Note: An avalanche transistor-based nanosecond pulse ge- nerator with 25 mhz repetition rate. Review of Scientific Instruments, 88(12):126105, 2017. [7] A. Matiss, A. Poloczek, A. Stohr, W. Brockerhoff, W. Prost, and F. . Tegude. Sub-nanosecond pulse genera- tion using resonant tunneling diodes for impulse radio. In 2007 IEEE International Conference on Ultra-Wideband, pages 354–359, Sep. 2007. [8] J. M. Johnson, J. M. Parson, D. V . Reale, A. A. Neuber, J. J. Mankowski, and J. C. Dickens. 10 kv, 44 ns pulse generator for 1 khz trigatron reprate operation of nltl. In 2014 IEEE International Power Modulator and High Vol- tage Conference (IPMHVC), pages 108–110, June 2014. [9] L. Zou, S. Gupta, and C. Caloz. A simple picosecond pulse generator based on a pair of step recovery dio- des. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 27(5):467–469, May 2017. [10] J. Han and C. Nguyen. Development of a tunable multi- band uwb radar sensor and its applications to subsurface sensing. IEEE Sensors Journal, 7(1):51–58, Jan 2007. [11] C. Zhang, A. E. Fathy, and M. Mahfouz. Performance enhancement of a sub-sampling circuit for ultra-wideband signal processing. IEEE Microwave and Wireless Compo- nents Letters, 17(12):873–875, Dec 2007. [12] Red pitaya. 2020. [13] Cdcm6208 2:8 ultra low power, low jitter clock generator — ti.com. 2020.