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Zusammenfassung
  • 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.
Abstract
  • The angular resolution of a phased array antenna is inversely proportional to it’s aperture size. The high electrical losses limit the aperture size of modern all-electric radar systems to a few cm. This poses a significant problem for a variety of applications, especially for high resolution radar systems. In this doctoral thesis, various novel photonic radar systems are presented and mathematically analyzed. Furthermore, the different systems are simulated in the optical design environment Lumerical Interconnect. Since all other photonic radar architectures presented are based on the FMCW MIMO radar system with optical LO distribution and optical return path, this system is also simulated in the electrical design environment ADS. After a successful analysis, novel circuit topologies for the different photonic radar systems will be presented, including an novel optoelectronic mixer. Subsequently, the first transceiver chipset of a photonic radar system with optical LO distribution will be presented. A demonstrator based on this chipset, with an aperture size of 50 cm, achieves an angular resolution of 0.4°, which is close to the theoretically possible limit of 0.3°. The appendix of this work also presents two 77 GHz frequency synthesizers with extremely low phase noise - one with an optical output, the other with an electrical output. In addition, the appendix contains further mathematical considerations.
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