FBH Forschung: 23.02.2012

24-GHz-CMOS-VCO für Lokalisierungszwecke

Oszillator CMOS Technologie
Abb. 1. Zwei Varianten eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) für 24 GHz in 130 nm CMOS Technologie.
Kennlinie Phasenrauschen
Abb. 2. Einseitenband-Phasenrauschen der beiden VCO aus Bild 1 in Abhängigkeit von der Offsetfrequenz vom Träger.

Man stelle sich zwei Schweißroboter vor, die mit hoher Geschwindigkeit und ebenso hoher Kraft gleichzeitig eine Autokarosserie fügen. Geraten beide Roboterarme aneinander, so wird es teuer: Roboter beschädigt, Fließband steht – eine solche Kollision mit entsprechendem Schaden muss vermieden werden. Das könnten demnächst zwei kleine Lokalisierungsbausteine auf jedem der Roboter-Gelenkarme leisten, die ihre Position zueinander vermessen und vor drohenden Kollisionen rechtzeitig warnen können.

Kernstück eines solchen Lokalisierungs­bausteins, der nach dem Radarprinzip bei 24 GHz arbeitet, ist ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO), der das Radarsignal erzeugt. Für eine hohe Lokalisierungsgenauigkeit im Zentimeterbereich ist es wichtig, dass dieses Radarsignal ein besonders niedriges Phasenrauschen aufweist, denn das Phasenrauschen bestimmt unmittelbar die Lokalisierungsgenauigkeit. Im Rahmen des BMBF-Projektes LoWiLo (Low-power Wireless Sensor Network with Localization) wurde ein solcher phasenrauscharmer VCO für 24 GHz am FBH entwickelt [1]: In einer fortgeschrittenen CMOS-Technologie mit 130 nm Strukturbreite wurden mehrere Varianten eines kreuzgekoppelten spannungsgesteuerten Oszillators entworfen und aufgebaut.

Die beiden Varianten unterscheiden sich in der Dimensionierung der frequenzbestimmenden Spule hinsichtlich ihrer Güte und der Art der Varaktorankopplung, siehe Bild 1. Das daraus resultierenden Verhalten der beiden VCO hinsichtlich des Phasenrauschens ist in Bild 2 gezeigt. Es ist erkennbar, dass mit der optimierten Variante B das Phasenrauschen bei 100 kHz Offset um mehr als 10 dB verringert und damit die Lokalisierungsgenauigkeit deutlich verbessert werden kann.

Publikation:

[1] Hossain, M.; Kravets, A.; Pursche, U.; Meliani, C.; Heinrich, W.: "A Low Voltage 24 GHz VCO in 130nm CMOS For Localisation Purposes in Sensor Networks." Vortrag auf der German Microwave Conference 2012 in Ilmenau (Session 12 am 13. März 2012).