Photonic Radar Circuits and Systems for Coherent mm-Wave Large Aperture Phased Array MIMO Systems

Die Winkelauflösung einer phasengesteuerten Gruppenantenne ist umgekehrt proportional zur Aperturgröße. Die hohen elektrischen Verluste begrenzen die Aperturgröße moderner rein elektronischer Radarsysteme auf wenige cm. Dies stellt ein erhebliches Problem für eine Vielzahl von Anwendungen dar, insbesondere für Radarsysteme mit einer hohen Winkelauflösung. In dieser Doktorarbeit werden verschiedene neuartige photonische Radarsysteme vorgestellt und mathematisch analysiert. Darüber hinaus werden die unterschiedlichen Systeme in der optischen Entwurfsumgebung Lumerical Interconnect simuliert. Da alle weiteren vorgestellten photonischen Radararchitekturen auf dem FMCW-MIMO-Radarsystem mit optischer LO-Verteilung und optischem Rückpfad basieren, wird dieses System ebenfalls in der elektrischen Entwurfsumgebung ADS simuliert. Nach einer erfolgreichen Analyse werden neuartige Schaltungstopologien für die verschiedenen photonischen Radarsysteme vorgestellt, darunter ein neuartiger optoelektronischer Mischer. Anschließend wird der weltweit erste Transceiver-Chipsatz eines photonischen Radarsystems mit optischer LO-Verteilung präsentiert. Ein darauf basierender Demonstrator mit einer Aperturgröße von 50 cm erzielt eine Winkelauflösung von 0.4°, was nahe an der theoretisch möglichen Grenze von 0.3° liegt. Im Anhang dieser Arbeit werden zudem zwei 77 GHz-Frequenzsynthesizer mit extrem niedrigem Phasenrauschen vorgestellt – einer mit optischem Ausgang, der andere mit elektrischem Ausgang. Darüber hinaus enthält der Anhang weiterführende mathematische Betrachtungen.