Hochfrequenzentfernungsmesssystem zur Personenortung

Im Rahmen dieser Arbeit wurde als Teil des von der Europäischen Union geförderten Forschungsprojektes Lynceus ein Entfernungsmesssystem zur Ortung von Passagieren im Falles eines Schiffsunglücks auf hoher See entwickelt. Durch Verwendung des Radarprinzips mit einem geschalteten Oszillator als preiswertem aktiven Reflektor wird mit kontinuierlicher Messung der Paketumlaufzeit die Distanz zu dem Passagier bestimmt. Das dem entworfenen System zugrundeliegende Konzept wurde bereits in der Literatur durch [Wie03, VG08, Str14] beschrieben und wird in dieser Arbeit erstmals in dem 2,45 GHz-Frequenzband realisiert. Die in [Str14] vorgestellten Entwurfskriterien für geschaltete Oszillatoren wurden bei einer Betriebsfrequenz von 2,45 GHz angewandt und verifiziert. Die entworfenen Schaltungen wurden in einer SiGe-BiCMOS-Technologie gefertigt. Dabei wurde die niedrigste bisher veröffentlichte eingangsbezogene Rauschleistung von −79 dBm für einen geschalteten Oszillator basierend auf der Topologie des Common-Base Colpitts sowie kreuzgekoppelten Oszillators mit einer Ausgangsleistung von 12,3 dBm bzw. 12,6 dBm gemessen. Die Effizienz betrug sowohl für den kreuzgekoppelten SILO als auch für den Common-Base Colpitts-SILO 26 %. Die Theorie des geschalteten Oszillators wurde hinsichtlich des Einflusses von Störsignalen und dem Modulationssignal erweitert. Ein Störsignal beeinflusst das Anschwingverhalten des geschalteten Oszillators derart, dass eine Distanzmessung fehlerhaft ist. Es wurde gezeigt, dass Störsignale im Bereich von 868 MHz, 2,4 GHz und 5,8 GHz aufgrund der hohen Signalleistung keine fehlerfreie Distanzmessung ermöglichen. Es wird daher empfohlen eine Betriebsfrequenz nicht in unmittelbarer Nähe von Störsignalen, wie beispielsweise das 24 GHz-Frequenzband, zu wählen, um den Messfehler zu minimieren und eine genaue Distanzmessung zu ermöglichen. Weiterhin wurde gezeigt, dass ein phasenkohärentes Anschwingen auf ein empfangenes Injektionssignal durch das Modulationssignal beeinflusst wird. Dabei erfolgt bei geringen Injektionsleistungen kein Anschwingen des Oszillators auf das injizierte Signal, sondern auf das Modulationssignal selbst, wodurch eine genaue Distanzmessung nicht möglich ist. Durch geeignete Beschaltung des Fußpunktstromspiegels mit einer Modulationskapazität wird dieser Effekt verhindert und auch die eingangsbezogene Rauschleistung des geschalteten Oszillators verbessert. Die Funktionalität des Distanzmesssystems wurde sowohl für den kreuzgekoppelten als auch den Common-Base Colpitts-SILO verifiziert. Die Reichweite des Systems beträgt im besten Fall für einen geschalteten Oszillator basierend auf der Common-Base Colpitts-Topologie 120 m, bei einer Genauigkeit von 53 cm sowie einer Präzision von 42 cm. Die Ergebnisse hinsichtlich Genauigkeit und Präzision übertreffen die Spezifikation des Projektes demnach bei weitem.