DE102005050348B4

DE102005050348B4 - Mikrowellenbilderzeugungssystem und Verfahren zur Mikrowellenbilderzeugung unter Verwendung eines programmierbaren Übertragungsarrays

Info

Publication number: DE102005050348B4
Application number: DE102005050348.9A
Authority: DE
Inventors: Izhak Baharav; Robert T. Taber; Gregory S. Lee; John Stephen Kofol
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2004-11-24
Filing date: 2005-10-20
Publication date: 2019-06-13
Anticipated expiration: 2025-10-21
Also published as: US7298318B2; GB0523930D0; JP2006184277A; JP5695286B2; GB2422261A; GB2422261B; DE102005050348A1; US20060109174A1

Abstract

Mikrowellenbilderzeugungssystem, das folgende Merkmale aufweist:eine Mehrzahl von Mikrowellenantennen (60a - 60d), die als Mikrowellenquellen zum Liefern einer Mikrowellenbeleuchtung einer elektromagnetischen Strahlung einer Wellenlänge zwischen 0,3 mm und 30 cm, um ein Zielobjekt (420) zu beleuchten, und als Mikrowellenempfänger zum Empfangen einer reflektierten Mikrowellenbeleuchtung, die von dem Zielobjekt (420) reflektiert wird, wirksam sind;vier Abtastfelder (50a - 50d), die jeweils eine Mehrzahl von reflektierenden Antennenelementen (200) umfassen, wobei jedes reflektierende Antennenelement (200) eine planare Patch-Antenne (320a), die auf einer Seite eines gedruckten Schaltungsplatinensubstrats (314) gebildet ist, und einen oberflächenbefestigten Feldeffekttransistor (322), der auf einer gegenüberliegenden Seite des gedruckten Schaltungsplatinensubstrats (314) befestigt ist, aufweist, wobei eine Masseebene (336) zwischen der planaren Patch-Antenne (320a) und dem oberflächenbefestigten Feldeffekttransistor positioniert ist, wobei die reflektierenden Antennenelemente (200) zum Programmiertwerden mit einer jeweiligen Phasenverzögerung in der Lage sind, um die Mikrowellenbeleuchtung von einer der Mikrowellenquellen zu einer Position an einem Zielobjekt (420) in einem Zielobjektbereich hin zu richten, wobei die reflektierenden Antennenelemente (200) ferner zum Programmiertwerden mit einer jeweiligen Phasenverzögerung in der Lage sind, um eine reflektierte Mikrowellenbeleuchtung zu empfangen, die von der Position an dem Zielobjekt (420) reflektiert wird, und die reflektierte Mikrowellenbeleuchtung zu einem der Mikrowellenempfänger hin zu richten, wobei zwei Abtastfelder (50a, 50b) auf einer Seite des Zielobjektbereichs und zwei Abtastfelder (50c, 50c) auf einer gegenüberliegenden Seite des Zielobjektbereichs derart angeordnet sind, dass ein Abdeckungsbereich jedes Abtastfeld (50a - 50d) einen Quadranten des Zielobjekts abdeckt; undeinen Prozessor (100), der betreibbar ist, um eine Intensität der reflektierten Mikrowellenbeleuchtung zu messen, um einen Wert eines Pixels innerhalb eines Bilds des Zielobjekts (420) zu bestimmen, das durch den Prozessor (100) aufgebaut ist.

Description

Ansprechend auf eine erhöhte Terrorismusbedrohung wird eine Überprüfung von Personen und anderen Gegenständen auf Waffen und andere Typen von Schmuggelware bei Sicherheitskontrollpunkten wesentlich, wie beispielsweise diesen, die an Flughäfen, bei Konzerten, Sportereignissen, in Gerichtssälen, Bundesgebäuden, Schulen und anderen Typen öffentlicher und privater Einrichtungen zu finden sind, die möglicherweise von terroristischen Anschlägen bedroht sind. Herkömmliche Sicherheitsüberprüfungssysteme, die sich gegenwärtig an Sicherheitskontrollpunkten befinden, umfassen eine physische Überprüfung, wie beispielsweise eine visuelle und/oder taktile Überprüfung, die durch Sicherheitspersonal, Metalldetektoren und Röntgensysteme durchgeführt wird. Eine physische Überprüfung durch Sicherheitspersonal jedoch ist ermüdend, unzuverlässig und invasiv. Zusätzlich sind Metalldetektoren anfällig für falsch Alarme und sind nicht zum Erfassen nichtmetallischer Objekte in der Lage, wie beispielsweise Kunststoff- oder Flüssigsprengstoffe, Kunststoff- oder Keramikhandfeuerwaffen oder Messer und Drogen. Ferner stellen Röntgensysteme ein Gesundheitsrisiko dar, besonders für diese Menschen, die wiederholt einer Röntgenstrahlung ausgesetzt sind, wie beispielsweise Flughafenpersonal, und Röntgensysteme sind ferner nicht in der Lage, bestimmte Materialien/Geometrien zu erfassen, wie beispielsweise Keramikmesser.
Als eine Folge des Bedarfs nach verbesserten Sicherheitsüberprüfungssystemen wurden verschiedene Mikrowellenbilderzeugungssysteme als eine Alternative zu existierenden Systemen vorgeschlagen. Eine Mikrowellenstrahlung ist allgemein als eine elektromagnetische Strahlung definiert, die Wellenlängen zwischen Funkwellen und Infrarotwellen aufweist. Ein Vorteil einer Mikrowellenstrahlung gegenüber einer Röntgenstrahlung besteht darin, dass eine Mikrowellenstrahlung nicht ionisierend ist und deshalb bei mittleren Leistungspegeln keine bekannten Gesundheitsrisiken für Menschen darstellt. Zusätzlich sind über dem Spektralband einer Mikrowellenstrahlung die meisten dielektrischen Materialien, wie beispielsweise Kleidung, Papier, Kunststoff und Leder beinahe transparent. Deshalb weisen Mikrowellenbilderzeugungssysteme die Fähigkeit auf, Kleidung zu durchdringen, um Gegenstände abzubilden, die durch Kleidung verborgen sind.
Gegenwärtig gibt es mehrere verfügbare Mikrowellenbilderzeugungstechniken. Beispielsweise verwendet eine Technik ein Array von Mikrowellendetektoren, um entweder eine passive Mikrowellenenergie, die durch das Zielobjekt emittiert wird, oder eine reflektierte Mikrowellenenergie, die von dem Zielobjekt ansprechend auf eine aktive Mikrowellenbeleuchtung des Zielobjekts reflektiert wird, zu erfassen bzw. aufzunehmen. Ein zweidimensionales oder dreidimensionales Bild einer Person oder eines anderen Gegenstands wird durch ein Hin- und Herbewegen (Bewegen) des Arrays von Detektoren mit Bezug auf die Position des Gegenstands und/oder ein Einstellen der Frequenz (oder Wellenlänge) der Mikrowellenenergie, die gesendet oder erfasst wird, aufgebaut. Beispielsweise beschreibt ein Artikel von David M. Sheen et al., „Three-Dimensional Millimeter-Wave Imaging for Concealed Weapon Detection“, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Bd. 49, Nr. 9, Sept. 2001, S. 1581 - 1592 eine dreidimensionale holografische Mikrowellenbilderzeugungstechnik, die einen sich bewegenden Stab bzw. Abtaststab verwendet, um ein lineares Array von Detektoren mechanisch zu bewegen, um einen Gegenstand oder eine Person abzutasten. Die resultierenden Messdaten werden verwendet, um ein holografisches Bild des Gegenstands zu rekonstruieren. Derartige Abtastsysteme erfordern jedoch typischerweise ein mechanisches Bewegen von Teilen und/oder eine intensive Nachverarbeitungsrekonstruktion des Bilds, was beides die Kosten und die Komplexität des Mikrowellenbilderzeugungssystems erhöht.
Eine andere Technik verwendet Linsen, um einen Strahl einer Mikrowellenbeleuchtung an dem Array von Mikrowellendetektoren zu fokussieren. Dieser Typ einer Technik ist beispielsweise in dem Artikel P. F. Goldsmith, et al., „Focal Plane Imaging Systems for Millimeter Wavelengths" IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Bd. 41, Nr. 10, Okt. 1993, S. 1664 - 1675, beschrieben. Mikrowellenbilderzeugungssysteme jedoch, die Linsen verwenden, um die Mikrowellenenergie zu fokussieren, weisen typischerweise ein begrenztes Betrachtungsfeld und eine geringe Aperturgröße auf. Zusätzlich können die Kosten des Linsensystems bei vielen Anwendungen untragbar hoch sein.
Aus der EP 0 812 028 A2 ist ein Nahfeldradar für ein Suchfahrzeug beschrieben, das in einer Reihe angeordnete Antennenarrays aufweist.
Die US 5 764 187 A offenbart ein phasengesteuertes Antennenarray zum Senden und Empfangen von Funksignalen, bei dem, um Signale zu senden, eine Reihe von digitalen Synthesizern verwendet wird, um Antennenelemente, die das phasengesteuerte Array bilden, treiben. Um Signale zu empfangen, werden Signale von jedem Antennenelement in dem phasengesteuerten Array durch Analog/Digitalwandler verarbeitet.
Aus der US 3 435 453 ist ebenfalls ein phasengesteuertes Antennenarray zum Senden und Empfangen von Funksignalen bekannt.
Aus der WO 99/21148 A1 ist ein Personen-Scannersystem bekannt, dass ein Tor aufweist, durch das eine Person ohne Unterbrechung laufen kann. Zu diesem Zweck sind Millimeterwellenkameras auf zwei gegenüberliegenden Seiten eines Zielobjektbereichs vorgesehen.
Was deshalb benötigt wird, ist ein kosteneffektives und einfaches Mikrowellenbilderzeugungssystem für eine Verwendung bei einer Sicherheitsüberprüfung von Personen oder anderen Gegenständen, das keine sich bewegenden Teile benötigt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mikrowellenbilderzeugungssystem und ein Verfahren zur Mikrowellenbilderzeugung eines Zielobjekts mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein System gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst.
Die offenbarte Erfindung wird mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, die wichtige beispielhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen und die durch Bezugnahme in die Beschreibung hiervon aufgenommen sind.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 ein schematisches Diagramm eines vereinfach ten, exemplarischen Mikrowellensicherheitsüberprüfungssystems gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
2 ein schematisches Diagramm eines vereinfachten exemplarischen Abtastfelds für eine Verwendung bei dem Überprüfungssystem von 1 gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
3 eine Querschnittsansicht eines Antennenelements des Abtastfelds von 2 gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
4 ein schematisches Diagramm einer Draufsicht eines exemplarischen Abtastfelds für eine reflektierende Mikrowellenbeleuchtung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
5 ein schematisches Diagramm eines exemplarischen Mikrowellensicherheitsüberprüfungssystems, das ein Zielobjekt an einer menschlichen Versuchsperson beleuchtet, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
6 ein schematisches Diagramm eines exemplarischen Mikrowellensicherheitsuberprüfungssystems, das mehrere Zielobjekte an einer menschlichen Versuchsperson beleuchtet, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
7 ein schematisches Diagramm, das den Abdeckungsbereich jedes Abtastfelds bei dem exemplarischen Mikrowellensicherheitsüberprüfungssystem gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung darstellt;
8 eine bildliche Darstellung verschiedener möglicher Strahlen einer Mikrowellenbeleuchtung, die durch das Mikrowellensicherheitsüberprüfungssystem erzeugt werden, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
9 ein schematisches Diagramm, das die Verwendung unterschiedlicher Mikrowellenantennen und Abtastfelder für eine Sendung und einen Empfang gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung darstellt;
10 ein schematisches Diagramm, das die Verwendung anderer Mikrowellenantennen und Abtastfelder für eine Sendung und einen Empfang gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung darstellt;
11 ein Flussdiagramm, das einen exemplarischen Prozess zum Durchführen einer Mikrowellensicherheitsüberprüfung einer menschlichen Versuchsperson oder eines anderen Gegenstands gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung darstellt;
12 ein exemplarisches aktives Antennenelement für eine Verwendung bei einem Sende-/Empfangsarray; und
13 ein schematisches Diagramm, das ein exemplarisches transmissives Abtastfeld zum Richten einer Mikrowellenbeleuchtung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung darstellt.

Wie dieselben hierin verwendet sind, beziehen sich die Ausdrücke Mikrowellenstrahlung und Mikrowellenbeleuchtung jeweils auf das Band einer elektromagnetischen Strahlung, das Wellenlängen zwischen 0,3 mm und 30 cm aufweist, was Frequenzen von etwa 1 GHz bis etwa 1000 GHz entspricht.
Somit umfassen die Ausdrücke Mikrowellenstrahlung und Mikrowellenbeleuchtung jeweils eine herkömmliche Mikrowellenstrahlung sowie das, was allgemein als Millimeterwellenstrahlung bekannt ist.
1 ist ein schematisches Diagramm eines vereinfachten exemplarischen Mikrowellensicherheitsüberprufungssystems 10 gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Das Mikrowellensicherheitsüberprüfungssystem 10 umfasst ein Portal 20, durch das eine menschliche Versuchsperson 30 laufen kann. Das Portal 20 umfasst keine sich bewegenden Teile und deshalb ist die menschliche Versuchsperson 30 in der Lage, normalen Schrittes in eine einzige Richtung 40 durch das Portal 20 zu laufen. Durch ein Ermöglichen, dass die menschliche Versuchsperson 30 durch das Portal 20 läuft, ist der Durchsatz des Systems 10 maximiert, während ferner die Unannehmlichkeit für die menschliche Versuchsperson 30 minimiert ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist das Portal 20 ein Bereich, durch den ein Gegenstand, wie beispielsweise Gepäck, eine Handtasche, ein Aktenkoffer, ein Laptop, eine Tasche oder ein anderer Typ eines Gegenstands durchlaufen kann. Der Gegenstand kann in dem Portal 20 platziert sein oder an einem Förderband das Portal 20 durchlaufen.
Das Mikrowellensicherheitsüberprüfungssystem 10 umfasst ferner eines oder mehrere Abtastfelder 50 und eine oder mehrere Mikrowellenantennen 60. Jede der Mikrowellenantennen 60 ist zum Senden einer Mikrowellenstrahlung und/oder Empfangen einer Mikrowellenstrahlung in der Lage. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst eines oder umfassen mehrere der Abtastfelder 50 ein passives programmierbares Reflektorarray, das aus reflektierenden Antennenelementen gebildet ist. Jedes der reflektierenden Antennenelemente ist zum Programmiertwerden mit einer jeweiligen Phasenverzogerung in der Lage, um eine Mikrowellenbeleuchtung zu der menschlichen Versuchsperson 30 hin und/oder zu einer der Mikrowellenantennen 60 hin zu richten. Die Phasenverzögerung kann entweder binar oder kontinuierlich sein.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine der Mikrowellenantennen 60 beispielsweise eine empfangende Mikrowellenantenne 60, die bei einem vorbestimmten räumlichen Ort positioniert ist. Eine Mikrowellenbeleuchtung, die durch eines der Abtastfelder 50 von einer Zielobjektposition an der menschlichen Versuchsperson 20 empfangen wird, wird durch ein Programmieren jedes der einzelnen reflektierenden Antennenelemente mit einer jeweiligen Phasenverzögerung zu der empfangenden Mikrowellenantenne 60 hin reflektiert. Die sendende Mikrowellenantenne 60 kann entweder bei dem gleichen räumlichen Ort wie die empfangende Mikrowellenantenne 60 als eine getrennte Antenne oder als ein Teil der empfangenden Mikrowellenantenne positioniert sein und die Zielobjektposition durch das Abtastfeld 50 beleuchten oder kann bei einem unterschiedlichen räumlichen Ort von der empfangenden Mikrowellenantenne 60 positioniert sein und entweder die Zielobjektposition an der menschlichen Versuchsperson 30 direkt oder durch eines der Abtastfelder 50 (z. B. das gleiche Abtastfeld 50 wie die empfangende Mikrowellenantenne 60 oder ein unterschiedliches Abtastfeld 50) beleuchten.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst eines oder umfassen mehrere der Abtastfelder 50 ein aktives Sender-/Empfängerarray, das aus aktiven Antennenelementen gebildet ist, die zum Erzeugen und Senden einer Mikrowellenbeleuchtung und einem Empfangen und Erfassen bzw. Aufnehmen einer reflektierten Mikrowellenbeleuchtung in der Lage sind. Zum Beispiel kann ein aktives Array in der Form eines Sende-Arrays sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Mikrowellenantennen 60 nicht verwendet, wenn die Abtastfelder 50 als die Quelle einer Mikrowellenstrahlung wirksam sind. Jedes der aktiven Antennenelemente in dem aktiven Sender-/Empfangerarray ist einzeln mit einer jeweiligen Phasenverschiebung programmierbar, um einen Strahl einer Mikrowellenbeleuchtung zu einer Zielobjektposition an der menschlichen Versuchsperson 30 hin zu lenken.
Das Mikrowellenbilderzeugungssystem 10 umfasst ferner einen Prozessor 100, ein computerlesbares Medium 110 und eine Anzeige 120. Der Prozessor 100 umfasst irgendeine Hardware, Software, Firmware oder eine Kombination derselben zum Steuern der Abtastfelder 50 und der Mikrowellenantennen 60 und Verarbeiten der empfangenen Mikrowellenbeleuchtung, die von der menschlichen Versuchsperson 30 reflektiert wird, um ein Mikrowellenbild der menschlichen Versuchsperson 30 aufzubauen. Der Prozessor 100 kann beispielsweise einen oder mehrere Mikroprozessoren, Mikrosteuerungen, programmierbare Logikvorrichtungen, Digitalsignalprozessoren oder einen anderen Typ von Verarbeitungsvorrichtungen umfassen, die konfiguriert sind, um Anweisungen eines Computerprogramms auszuführen, sowie einen oder mehrere Speicher (z. B. Cache-Speicher), die die Anweisungen und andere Daten speichern, die durch den Prozessor 100 verwendet werden. Es ist jedoch klar, dass andere Ausführungsbeispiele des Prozessors 100 verwendet werden können. Der Speicher 110 ist irgendein Typ einer Datenspeichervorrichtung, einschließlich eines Festplattenlaufwerks, eines Direktzugriffsspeichers (RAM = random access memory), eines Nur-Lese-Speichers (ROM = read only memory), einer CD (compact disc), einer Diskette, eines ZIP®-Laufwerks, eines Bandlaufwerks, einer Datenbank oder irgendeines anderen Typs einer Speichervorrichtung oder eines Speichermediums, aber nicht begrenzt darauf.
Der Prozessor 100 ist wirksam, um die Phasenverzogerungen oder Phasenverschiebungen jedes der einzelnen Antennenelemente in den Abtastfeldern 50 zu programmieren, um mehrere Zielobjektpositionen an der menschlichen Versuchsperson 30 mit einer Mikrowellenstrahlung zu beleuchten und/oder eine reflektierte Mikrowellenbeleuchtung von mehreren Zielobjektpositionen an der menschlichen Versuchsperson 30 zu empfangen. Somit ist der Prozessor 100 in Verbindung mit den Abtastfeldern 50 wirksam, um die menschliche Versuchsperson 30 abzutasten.
Der Prozessor 100 ist ferner zum Aufbauen eines Mikrowellenbilds der menschlichen Versuchsperson 30 unter Verwendung der Intensität der reflektierten Mikrowellenbeleuchtung in der Lage, die durch die empfangenden Mikrowellenantennen 60 von jeder Zielobjektposition an der menschlichen Versuchsperson 30 empfangen wird. Jede empfangende Mikrowellenantenne 60 ist zum Kombinieren der reflektierten Mikrowellenbeleuchtung in der Lage, die von jedem Antennenelement in einem der Abtastfelder 50 reflektiert wird, um einen Wert der wirksamen Intensität der reflektierten Mikrowellenbeleuchtung bei der Zielobjektposition an der menschlichen Versuchsperson 30 zu erzeugen. Der Intensitätswert wird zu dem Prozessor 110 geleitet, der den Intensitätswert als den Wert eines Pixels verwendet, das der Zielobjektposition an der menschlichen Versuchsperson 30 entspricht.
Der Prozessor 100 empfängt mehrere Intensitätswerte von jeder der empfangenden Mikrowellenantennen 60 und kombiniert die Intensitätswerte, um das Mikrowellenbild der menschlichen Versuchsperson 30 zu erzeugen. Zum Beispiel ordnet der Prozessor 100 einen empfangenden Intensitätswert einer Zielobjektposition an der menschlichen Versuchsperson zu und bestuckt den Wert eines Pixels in dem Mikrowellenbild mit dem empfangenen Intensitätswert. Der Ort des bestückten Pixels in dem Mikrowellenbild entspricht der Zielobjektposition an der menschlichen Versuchsperson 30. In Betrieb kann das Mikrowellensicherheitsüberprufungssystem 10 bei Frequenzen wirksam sein, die ermöglichen, dass Millionen von Zielobjektpositionen an der menschlichen Versuchsperson 30 pro Sekunde abgetastet werden.
Das resultierende Mikrowellenbild der menschlichen Versuchsperson 30 kann von dem Prozessor 100 zu der Anzeige 120 geleitet werden, um das Mikrowellenbild der menschlichen Versuchsperson 30 anzuzeigen. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Anzeige 120 eine zweidimensionale Anzeige zum Anzeigen eines dreidimensionalen Mikrowellenbilds der menschlichen Versuchsperson 30 oder eines oder mehrerer zweidimensionaler Mikrowellenbilder der menschlichen Versuchsperson 30. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Anzeige 120 eine dreidimensionale Anzeige, die zum Anzeigen eines dreidimensionalen Mikrowellenbilds der menschlichen Versuchsperson 30 in der Lage ist.
2 ist ein schematisches Diagramm eines vereinfachten exemplarischen Abtastfelds 50 für eine Verwendung bei dem Überprüfungssystem von 1 gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Das Abtastfeld 50 in 2 ist ein Reflektorantennenarray, das getrennte reflektierende Antennenelemente 200 umfasst, die eine elektromagnetische Strahlung mit einer variierenden Phase abhängig von dem Impedanzzustand derselben reflektieren. Idealerweise reflektieren die reflektierenden Antennenelemente 200 eine elektromagnetische Strahlung mit einer Phasenverschiebung von 180 Grad (binär phasenverschoben), wenn die Impedanz derselben hoch ist, relativ dazu, wenn die Impedanz derselben niedrig ist. Die reflektierenden Antennenelemente 200 sind einzeln steuerbar und das Reflektorantennenarray ist typischerweise durch Treiberelektronik (in 2 nicht gezeigt) unterstützt. Das Reflektorantennenarray ist an und/oder in einem Substrat gebildet, wie beispielsweise einer gedruckten Schaltungsplatine. Bei einem Beispiel weist das Reflektorantennenarray eine Oberflächenflache von näherungsweise einem Quadratmeter auf und ist mit 10000 bis 100000 einzeln steuerbaren reflektierenden Antennenelementen 200 bedeckt, die in Zeilen 210 und Spalten 220 angeordnet sind.
Jedes reflektierende Antennenelement 200 umfasst eine Antenne und eine nicht ideale Schaltvorrichtung. Die Antenne wirkt, um einen Strahl einer elektromagnetischen Strahlung abhängig von dem Impedanzpegel des reflektierenden Antennenelements 200 in veränderlichen Ausmaßen zu absorbieren oder zu reflektieren. Beispielhafte Antennentypen, die in ein Reflektorantennenarray eingegliedert sein können, umfassen Patch-, Dipol-, Monopol-, Schleifen- und Dielektrisch-Resonatortyp-Antennen. Bei Reflektorantennenarray-Anwendungen sind die Antennen häufig in einer einzigen Ebene an der Oberfläche des Reflektorantennenarraysubstrats gebildet. Die Antennen weisen eine Impedanzcharakteristik auf, die eine Funktion der Antennenentwurfsparameter ist. Entwurfsparameter von Antennen umfassen physische Attribute wie beispielsweise das dielektrische Material eines Aufbaus, die Dicke des dielektrischen Materials, eine Form der Antenne, eine Länge und eine Breite der Antenne, einen Speisungsort und eine Dicke der Antennenmetallschicht, aber sind nicht darauf begrenzt.
Die nicht ideale Schaltvorrichtung verändert den Impedanzzustand des reflektierenden Antennenelements 200 durch ein Verändern des Widerstandszustands derselben. Ein Niedrigwiderstandszustand (z. B. eine geschlossene Schaltung oder ein „Kurz“-Schluss) ergibt eine niedrige Impedanz. Umgekehrt ergibt ein Hochwiderstandszustand (z. B. eine offene Schaltung) eine hohe Impedanz. Eine Schaltvorrichtung mit idealen Leistungsfähigkeitscharakteristika (hierin als eine „ideale“ Schaltvorrichtung bezeichnet) erzeugt effektiv Null Impedanz (Z = 0), wenn sich der Widerstandswert derselben bei dem niedrigsten Zustand befindet, und effektiv eine unendliche Impedanz (Z = ∞), wenn sich der Widerstandswert derselben bei dem höchsten Zustand befindet. Wie es hierin beschrieben ist, ist eine Schaltvorrichtung „ein“, wenn sich die Impedanz derselben bei dem niedrigsten Zustand befindet (z. B. Z_ein = 0), und „aus“, wenn sich die Impedanz derselben bei dem höchsten Zustand befindet (z. B. Z_aus = ∞). Weil der Ein- und der Aus-Impedanzzustand einer idealen Schaltvorrichtung effektiv Z_ein = 0 und Z_aus = ∞ betragen, ist eine ideale Schaltvorrichtung in der Lage, die maximale Phasenverschiebung ohne eine Absorption einer elektromagnetischen Strahlung zwischen dem Ein- und dem Aus-Zustand zu liefern. Das heißt, die ideale Schaltvorrichtung ist in der Lage, ein Umschalten zwischen einem Phasenzustand von 0 und 180 Grad zu liefern. In dem Fall einer idealen Schaltvorrichtung kann eine maximale Phase-Amplitude-Leistungsfähigkeit mit einer Antenne erreicht werden, die irgendeine finite Impedanz von nicht Null zeigt.
Im Gegensatz zu einer idealen Schaltvorrichtung ist eine „nicht ideale“ Schaltvorrichtung eine Schaltvorrichtung, die keine Ein- und Aus-Impedanzzustände von Z_ein = 0 bzw. Z_aus = ∞ zeigt. Vielmehr liegen der Ein- und der Aus-Impedanzzustand einer nicht idealen Schaltvorrichtung beispielsweise irgendwo zwischen Zein = 0 und Z_aus = 4. Eine nicht ideale Schaltvorrichtung kann ideale Impedanzcharakteristika innerhalb bestimmter Frequenzbereiche (z. B. < 10 GHz) und stark nicht ideale Impedanzcharakteristika bei anderen Frequenzbereichen (z. B. > 20 GHz) zeigen.
Weil der Ein- und der Aus-Impedanzzustand einer nicht idealen Schaltvorrichtung irgendwo zwischen Zein = 0 und Z_aus = 4 liegen, liefert die nicht ideale Schaltvorrichtung nicht notwendigerweise die maximale Phasenzustandsleistungsfähigkeit ungeachtet der Impedanz der entsprechenden Antenne, wobei eine maximale Phasenzustandsleistungsfähigkeit ein Umschalten zwischen Phasenzuständen von 0 und 180 Grad betrifft. Gemäß der Erfindung sind die Antennen eines Reflektorantennenarrays, das nicht ideale Schaltvorrichtungen verwendet, spezifisch entworfen, um eine optimale Phasenleistungsfahigkeit zu liefern, wobei die optimale Phasenzustandsleistungsfähigkeit eines reflektierenden Antennenelements der Punkt ist, an dem das reflektierende Element am nächsten zu einem Umschalten zwischen Phase-Amplitude-Zuständen von 0 und 180 Grad ist. Bei einem Ausführungsbeispiel sind, um eine optimale Phasenzustandsleistungsfähigkeit zu erreichen, die Antennen als eine Funktion der Impedanz der nicht idealen Schaltvorrichtungen konfiguriert. Die Antennen sind beispielsweise entworfen, derart, dass die Impedanz der Antennen eine Funktion von Impedanzcharakteristika der nicht idealen Schaltvorrichtungen ist.
Ferner sind die Antennen als eine Funktion der Impedanz der nicht idealen Schaltvorrichtungen in dem Ein-Zustand Z_ein und der Impedanz der nicht idealen Schaltvorrichtung in dem Aus-Zustand Z_aus konfiguriert. Bei einem speziellen Ausfuhrungsbeispiel ist die Phasenzustandsleistungsfähigkeit eines reflektierenden Elements optimiert, wenn die Antennen konfiguriert sind, derart, dass die Impedanz jeder Antenne konjugiert ist zu der Quadratwurzel der Impedanz der nicht idealen Schaltvorrichtungen, wenn sich dieselben in dem Ein- und dem Aus-Impedanzzustand, Z_ein und Z_aus, befinden. Genau gesagt ist die Impedanz jeder Antenne die konjugiert Komplexe des geometrischen Mittels des Ein- und des Aus-Impedanzzustands, Zein und Z_aus, der entsprechenden nicht idealen Schaltvorrichtung. Diese Beziehung ist dargestellt als: $Z_{A n t e n n e} * = \sqrt{Z_{e i n} Z_{a u s}}$
Die oben beschriebene Beziehung ist unter Verwendung der gut bekannten Formel für den komplexen Reflektionskoeffizienten zwischen einer Quellimpedanz und einer Lastimpedanz abgeleitet. Wenn die Quelle gewählt ist, um die Antenne zu sein, und die Last, um die nicht ideale Schaltvorrichtung zu sein, ist der Ein-Zustand-Reflektionskoeffizient gesetzt, um gleich dem entgegengesetzten des Aus-Zustand-Reflektionskoeffizienten zu sein, um zu Gleichung (1) zu gelangen.
Ein Entwerfen einer Antenne, die eine optimale Phase-Amplitude-Leistungsfähigkeit zeigt, betrifft ein Bestimmen der Ein- und der Aus-Impedanz, Z_ein und Z_aus, der speziellen nicht idealen Schaltvorrichtung, die bei den reflektierenden Antennenelementen 200 verwendet wird. Entwurfsparameter der Antenne werden dann manipuliert, um eine Antenne mit einer Impedanz zu erzeugen, die mit der Beziehung übereinstimmt, die in Gleichung (1) oben ausgedrückt ist. Eine Antenne, die die Gleichung (1) erfüllt, kann entworfen werden, solange Z_ein und Z_aus bestimmt sind, um getrennte Werte zu sein.
Typen von Schaltvorrichtungen, die nicht ideale Impedanzcharakteristika über dem interessierenden Frequenzband zeigen, umfassen kostengünstige Oberflächenbefestigungsvorrichtungen, wie beispielsweise Oberflächenbefestigungsfeldeffekttransistoren (FETs = field effect transistors) und Oberflächenbefestigungsdioden. Obwohl Oberflächenbefestigungs-FETs nicht ideale Impedanzcharakteristika über dem interessierenden Frequenzband zeigen, sind dieselben relativ kostengünstig und können für eine Verwendung bei Reflektorantennenarrayanwendungen einzeln gehäust sein.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Antennen in dem Reflektorantennenarray planare Patch-Antennen. 3 ist eine Querschnittsansicht eines Antennenelements 200, das eine planare Patch-Antenne 320a mit einem oberflächenbefestigten FET 322 als der nicht idealen Schaltvorrichtung verwendet, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Das reflektierende Antennenelement 200 ist an und in einem gedruckten Schaltungsplatinensubstrat 314 gebildet und umfasst den oberflächenbefestigten FET 322, eine Patch-Antenne 320a, eine Drain-Durchkontaktierung 322, eine Masseebene 336 und eine Source-Durchkontaktierung 338. Der oberflächenbefestigte FET 322 ist an der gegenüberliegenden Seite des gedruckten Schaltungsplatinensubstrats 314 wie die planare Patch-Antenne 320a befestigt und die Masseebene 336 ist zwischen der planaren Patch-Antenne 320a und dem oberflächenbefestigten FET 322 positioniert. Die Drain-Durchkontaktierung 332 verbindet das Drain 328 des oberflächenbefestigten FET 322 mit der planaren Patch-Antenne 320a und die Source-Durchkontaktierung 338 verbindet die Source 326 des oberflächenbefestigten FET 322 mit der Masseebene 336. Bei einem Ausführungsbeispiel werden die oberflächenbefestigten FETs 322 an dem gedruckten Schaltungsplatinensubstrat 314 unter Verwendung eines Roboter-„Aufnehmen-und-Platzieren“-Prozesses platziert und dann an die gedruckte Schaltungsplatine 314 schwallgelötet.
Bei einem arbeitenden Produkt ist das Reflektorantennenarray mit einer Steuerungsplatine 340 verbindbar, die Treiberelektronik umfasst. Eine exemplarische Steuerungsplatine 340 ist ebenfalls in 3 gezeigt und umfasst eine Masseebene 344, eine Treibersignaldurchkontaktierung 346 und Treiberelektronik 342. Die Steuerungsplatine 340 umfasst ferner Verbinder 348, die zu Verbindern 350 des Reflektorantennenarrays kompatibel sind. Die Verbinder 348 der zwei Platinen können miteinander beispielsweise unter Verwendung eines Schwalllotens verbunden sein. Es ist klar, dass bei anderen Ausführungsbeispielen der FET 322 an der gleichen Seite des gedruckten Schaltungsplatinensubstrats 314 wie die planare Patch-Antenne 320a oberflächenbefestigt sein kann. Zusätzlich kann Treiberelektronik 342 direkt an die gleiche gedruckte Schaltungsplatine gelötet sein, in der das reflektierende Antennenelement 200 gebaut ist.
Bei einem Reflektorantennenarray, das FETs als die nicht idealen Schaltvorrichtungen verwendet, hangt die Strahlbewegungsgeschwindigkeit bzw. Strahlabtastgeschwindigkeit, die erreicht werden kann, von einer Anzahl von Faktoren ab, einschließlich eines Signal-zu-Rausch-Verhältnisses, eines Übersprechens und einer Schaltzeit. In dem Fall eines FET hängt die Schaltzeit von einer Gate-Kapazität, einer Drain-Source-Kapazität und einem Kanalwiderstandswert (d. h. Drain-Source-Widerstandswert) ab. Der Kanalwiderstandswert ist tatsachlich raumabhangig sowie zeitabhängig. Um die Schaltzeit zwischen Impedanzzuständen zu minimieren, ist das Drain des FET zu allen Zeiten gleichstromkurzgeschlossen. Das Drain ist zu allen Zeiten gleichstromkurzgeschlossen, weil ein Floaten des Drains einen großen Aus-Zustand-Kanalwiderstandswert sowie eine große Drain-Source-Kapazität aufgrund des großen Parallelplattenbereichs der Patch-Antenne darstellt. Dies impliziert, dass die Antenne gleichstromkurzgeschlossen ist, aber man wünscht sich, dass der einzige „HF-Kurzschluss“, den die Antenne sieht, bei der Source liege. Deshalb muss der zusätzliche Antenne/Drain-Kurzschluss optimal positioniert sein, um die Antenne minimal zu stören.
Bei anderen Ausführungsbeispielen kann das Reflektorantennenarray durch ein Ersetzen der FETs mit variablen Kondensatoren (z. B. Barium-Strontium-Titanat-Kondensatoren (BST-Kondensatoren)) kontinuierlich phasenverschobene Antennenelemente 200 umfassen. Bei den mit variablen Kondensatoren geladenen Patchs kann ein kontinuierliches Phasenverschieben für jedes Antennenelement 200 erreicht werden, anstelle des binären Phasenverschiebens, das durch die FET-geladenen Patchs erzeugt wird. Kontinuierlich phasengesteuerte Arrays können eingestellt sein, um irgendeine erwünschte Phasenverschiebung zu liefern, um einen Mikrowellenstrahl in einem Strahlabtastmuster zu irgendeiner Richtung hin zu lenken.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist das Abtastfeld ein aktives Sende-/Empfangsarray, das aktive Antennenelemente umfasst. Ein Beispiel eines aktiven Antennenelements 1200 für eine Verwendung bei einem Sende-/Empfangsarray ist in 12 gezeigt. Das aktive Antennenelement 1200 ist ein binär phasengesteuertes Breitbandantennenelement, das eine Antenne 1210 umfasst, die mit einem jeweiligen Schalter 1215 verbunden ist. Der Schalter 1215 kann beispielsweise ein einpoliger Umschalter (SPDT-Schalter; SPDT = single-pole double-throw) oder ein doppelpoliger Umschalter (DPDT-Schalter; DPDT = double-pole double-throw) sein. Der Betriebszustand des Schalters 1215 steuert die Phase des jeweiligen Antennenelements 1200. In einem ersten Betriebszustand des Schalters 1215 beispielsweise kann sich das Antennenelement 1200 in einem ersten Binärzustand (z. B. 0 Grad) befinden, während sich in einem zweiten Betriebszustand des Schalters 1215 das Antennenelement 1200 in einem zweiten Binärzustand (z. B. 180 Grad) befinden kann. Der Betriebszustand des Schalters 1215 definiert die Anschlussverbindungen des Schalters 1215. Bei dem ersten Betriebszustand beispielsweise kann sich der Anschluss 1218 in einer geschlossenen (Kurzschluss-) Position befinden, um eine Zuführleitung 1216 zwischen die Antenne 1210 und den Schalter 1215 zu schalten, während sich ein Anschluss 1219 in einer offenen Position befinden kann. Der Betriebszustand jedes Schalters 1215 ist durch eine Steuerschaltung (nicht gezeigt) unabhängig gesteuert, um die Phase jedes Antennenelements 1200 einzeln zu setzen.
Wie derselbe hierin verwendet ist, bezieht sich der Ausdruck symmetrische Antenne 1210 auf eine Antenne, die bei einem von zwei Speisungspunkten 1211 oder 1213 abgegriffen oder gespeist werden kann, um eine von zwei entgegengesetzten symmetrischen Feldverteilungen oder elektrischen Strömen zu erzeugen. Wie es in 12 gezeigt ist, werden die zwei entgegengesetzten symmetrischen Feldverteilungen durch ein Verwenden einer symmetrischen Antenne 1210 erzeugt, die in einer Form symmetrisch um eine Spiegelachse 1250 derselben ist. Die Spiegelachse 1250 verlauft durch die Antenne 1210, um zwei symmetrische Seiten 1252 und 1254 zu erzeugen. Die Speisungspunkte 1211 und 1213 sind an jeder Seite 1252 und 1254 der Spiegelachse 1250 der Antenne 1210 positioniert. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Speisungspunkte 1211 und 1213 an der Antenne 1210 im Wesentlichen symmetrisch um die Spiegelachse 1250 positioniert. Die Spiegelachse 1250 beispielsweise kann parallel zu einer Abmessung 1260 (z. B. Länge, Breite, Hohe etc.) der Antenne 1210 verlaufen und die Speisungspunkte 1211 und 1213 können nahe einem mittleren Punkt 1270 der Abmessung 1260 positioniert sein. In 12 sind die Speisungspunkte 1211 und 1213 nahe einem mittleren Punkt 1270 der Antenne 1210 an jeder Seite 1252 und 1254 der Spiegelachse 1250 positioniert gezeigt.
Die symmetrische Antenne 1210 ist zum Erzeugen von zwei entgegengesetzten symmetrischen Feldverteilungen in der Lage, die mit A und B etikettiert sind. Der Betrag (z. B. die Leistung) der Feldverteilung A ist im Wesentlichen identisch mit dem Betrag der Feldverteilung B, aber die Phase der Feldverteilung A unterscheidet sich von der Phase der Feldverteilung B um 180 Grad. Somit ähnelt die Feldverteilung A der Feldverteilung B bei ± 180° in dem elektrischen Zyklus.
Die symmetrische Antenne 1210 ist mit dem symmetrischen Schalter 1250 über Zuführleitungen 1216 und 1217 verbunden. Der Speisungspunkt 1211 ist mit dem Anschluss 1218 des symmetrischen Schalters 1215 über die Zuführleitung 1216 verbunden und der Speisungspunkt 1213 ist mit dem Anschluss 1219 des symmetrischen Schalters 1215 über die Zuführleitung 1217 verbunden. Wie derselbe hierin verwendet ist, bezieht sich der Ausdruck symmetrischer Schalter auf entweder einen SPDT- oder einen DPDT-Schalter, bei dem die zwei Betriebszustände des Schalters um die Anschlüsse 1218 und 1219 symmetrisch sind.
Falls beispielsweise in einem ersten Betriebszustand eines SPDT-Schalters die Impedanz eines Kanals α 10 Ω beträgt und die Impedanz eines Kanals β 1 kΩ beträgt, dann betragt in dem zweiten Betriebszustand des SPDT-Schalters die Impedanz des Kanals α 1 kQ und betragt die Impedanz des Kanals β 10 Ω. Es ist klar, dass die Kanalimpedanzen keine perfekten Leerlaufzustände oder Kurzschlüsse oder nicht einmal real sein müssen. Zusätzlich kann es ein Übersprechen zwischen den Kanälen geben, solange das Übersprechen zustandssymmetrisch ist. Im Allgemeinen ist ein Schalter symmetrisch, falls die S-Parametermatrix des Schalters bei den zwei Betriebszuständen des Schalters (z. B. zwischen den zwei Anschlüssen 1218 und 1219) identisch ist.
Es ist klar, dass andere Typen von Antennenelementen und Abtastfeldern verwendet werden konnen, um eine Mikrowellenbeleuchtung zu und von einer menschlichen Versuchsperson oder einem anderen Gegenstand, der abgetastet wird, zu senden, zu empfangen und/oder zu reflektieren. Zusätzlich ist klar, dass mehrere Abtastfelder verwendet werden können, um unterschiedliche Abschnitte der menschlichen Versuchsperson oder des anderen Gegenstands abzutasten. Beispielsweise kann das Mikrowellensicherheitsuberprüfungssystem mit zwei Abtastfeldern implementiert sein, die jeweils ein 1 m x 1 m großes Array von Antennenelementen umfassen, um eine Hälfte einer menschlichen Versuchsperson abzutasten. Als ein anderes Beispiel kann das Mikrowellensicherheitsüberprufungssystem mit vier Abtastfeldern implementiert sein, die jeweils ein 0,5 m x 0,5 m großes Array von Antennenelementen umfassen, die zum Abtasten eines Quadranten der menschlichen Versuchsperson in der Lage sind.
4 ist ein schematisches Diagramm einer Draufsicht eines exemplarischen Abtastfelds 50 zum Reflektieren einer Mikrowellenbeleuchtung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. In 4 wird eine Mikrowellenbeleuchtung 400, die von einer Mikrowellenantenne 60 gesendet wird, durch verschiedene Antennenelemente 200 in dem Abtastfeld 50 empfangen. Die Antennenelemente 200 sind jeweils mit einer jeweiligen Phasenverzögerung programmiert, um eine reflektierte Mikrowellenbeleuchtung 410 zu einem Zielobjekt 420 hin zu richten. Die Phasenverzögerungen sind ausgewählt, um eine positive Interferenz der reflektierten Mikrowellenbeleuchtung 410 von jedem der Antennenelemente 200 bei dem Zielobjekt 420 zu erzeugen. Idealerweise ist die Phasenverschiebung jedes der Antennenelemente 200 eingestellt, um die gleiche Phasenverzogerung für jeden Weg der reflektierten Mikrowellenbeleuchtung 410 von der Quelle (dem Antennenelement 200) zu dem Zielobjekt 420 zu liefern.
13 ist ein schematisches Diagramm eines exemplarischen Überprufungssystems, das transmissive Abtastfelder 50a und 50b zum Richten einer Mikrowellenbeleuchtung verwendet, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. In 13 umfassen die Abtastfelder 50a und 50b Sendearrays, bei denen die Mikrowellenantennen (z. B. Hörner) 60a und 60b hinter den Abtastfeldern 50a und 50b positioniert sind, um die Sende- und Empfangsarrays von hinten zu beleuchten (d. h. die Arrays sind zwischen dem Zielobjekt und den Hörnern 60a und 60b gelegen).
In Betrieb wird eine Mikrowellenbeleuchtung 1310, die von einer Mikrowellenantenne 60a gesendet wird, durch verschiedene Antennenelemente 200 in dem Abtastfeld 50a empfangen. Die Antennenelemente 200 in dem Abtastfeld 50a sind mit einem jeweiligen Übertragungskoeffizienten programmiert, um eine Mikrowellenbeleuchtung 1320 zu einer Position 420 an einem Zielobjekt 1300 zu richten. Die Übertragungskoeffizienten sind ausgewählt, um eine positive Interferenz der reflektierten Mikrowellenbeleuchtung 1320 von jedem der Antennenelemente 200 bei der Position 420 zu erzeugen. Die reflektierte Mikrowellenbeleuchtung 1330, die von der Position 420 an dem Zielobjekt 1300 reflektiert wird, wird durch verschiedene Antennenelemente 200 in dem Abtastfeld 50b empfangen. Die Antennenelemente 200 in dem Abtastfeld 50b sind mit einem jeweiligen Übertragungskoeffizienten programmiert, um eine reflektierte Mikrowellenbeleuchtung 1340 zu dem Horn 60b hin zu richten.
Obwohl in 13 zwei getrennte Abtastfelder 50a und 50b gezeigt sind, wird bei anderen Ausfuhrungsbeispielen ein einziges Abtastfeld verwendet, um die Mikrowellenbeleuchtung 1320 zu dem Zielobjekt 1300 zu richten und die reflektierte Mikrowellenbeleuchtung 1330 von dem Ziel 1300 zu empfangen. Obwohl zwei Hörner 60a und 60b in 13 gezeigt sind, wird zusätzlich bei anderen Ausfuhrungsbeispielen ein einziges Horn verwendet, um sowohl die Mikrowellenbeleuchtung 1310 zu senden als auch die reflektierte Mikrowellenbeleuchtung 1340 zu empfangen. Bei weiteren Ausführungsbeispielen sind Hybridentwürfe möglich, bei denen eines der Abtastfelder 50a oder 50b ein Reflektorarray ist, das von vorne beleuchtet ist, und das andere Abtastfeld 50a oder 50b ein Sendearray ist, das von hinten beleuchtet ist. Bei noch weiteren Ausführungsbeispielen sind nicht konfokale Entwürfe unter Verwendung eines einzigen Abtastfelds 50a oder 50b möglich, bei denen entweder das Horn 60a das Zielobjekt 1300 mit der Mikrowellenbeleuchtung 1310 abdeckungsmäßig beleuchtet oder das Horn 60b die reflektierte Mikrowellenbeleuchtung 1330 von dem Zielobjekt 1300 abdeckungsmäßig empfängt.
5 ist ein schematisches Diagramm eines exemplarischen Mikrowellensicherheitsüberprüfungssystems 10, das ein Zielobjekt 420 an einer menschlichen Versuchsperson 30 beleuchtet, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Das Mikrowellenüberprüfungssystem 10 ist als vier Abtastfelder 50a, 50b, 50c und 50d und vier Mikrowellenantennen 60a, 60b, 60c und 60d umfassend gezeigt. Um einen speziellen Punkt (das Zielobjekt 420) an der menschlichen Versuchsperson 30 anzusprechen, wird eine Mikrowellenbeleuchtung 500 von einer speziellen Mikrowellenantenne (z. B. der Mikrowellenantenne 60d) zu einem speziellen Abtastfeld (z. B. dem Abtastfeld 50d) hin abgestrahlt. Die Antennenelemente in dem Abtastfeld 50d sind jeweils mit einer jeweiligen Phasenverzögerung programmiert, um die Mikrowellenbeleuchtung 500 zu reflektieren und eine reflektierte Mikrowellenbeleuchtung 510 zu dem Zielobjekt 420 hin zu richten. Diese Phasenverzögerung stellt ferner das Fokussieren der reflektierten Welle von dem Zielobjekt 420 zu der empfangenden Antenne 60d hin sicher.
6 ist ein schematisches Diagramm eines exemplarischen Mikrowellensicherheitsüberprüfungssystems 10, das mehrere Zielobjekte 420a und 420b an einer menschlichen Versuchsperson 30 beleuchtet, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. In 6 wird eine Mikrowellenbeleuchtung 620 von einer speziellen Mikrowellenantenne (z. B. einer Mikrowellenantenne 60c) zu einem speziellen Abtastfeld (z. B. einem Abtastfeld 50c) hin abgestrahlt. Die Antennenelemente in dem Abtastfeld 50c sind jeweils mit einer jeweiligen Phasenverzögerung programmiert, um die Mikrowellenbeleuchtung 620 zu reflektieren und eine reflektierte Mikrowellenbeleuchtung 630 zu einem speziellen Zielobjekt 420a hin zu richten. Zusätzlich wird eine Mikrowellenbeleuchtung 600 von einer speziellen Mikrowellenantenne (z. B. einer Mikrowellenantenne 60d) zu einem speziellen Abtastfeld (z. B. einem Abtastfeld 50d) hin abgestrahlt. Die Antennenelemente in dem Abtastfeld 50d sind jeweils mit einer jeweiligen Phasenverzögerung programmiert, um die Mikrowellenbeleuchtung 600 zu reflektieren und eine reflektierte Mikrowellenbeleuchtung 610 zu einem speziellen Zielobjekt 420b hin zu reflektieren. Obwohl es nicht spezifisch gezeigt ist, können zusätzlich die Antennenelemente innerhalb jedes Abtastfelds 50c und 50d verschachtelt sein, um eine Mikrowellenbeleuchtung, die von den Zielobjekten 420a und 420b reflektiert wird, zu den jeweiligen Mikrowellenantennen 60c und 60d hin zu richten. Durch ein Betreiben von mehr als einem Abtastfeld 50a - 50d zu einer Zeit kann ein Zeitmultiplexen erreicht werden.
7 ist ein schematisches Diagramm, das einen exemplarischen Abdeckungsbereich 700, 710, 720 und 730 jedes Abtastfelds 50a, 50b, 50c bzw. 50d bei dem exemplarischen Mikrowellensicherheitsuberprufungssystem 10 gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung darstellt. Der Abdeckungsbereich 700, 710, 720 und 730 jedes Abtastfelds 50a, 50b, 50c bzw. 50d umschließt einen unterschiedlichen Abschnitt der menschlichen Versuchsperson 30. Wie es in 7 gezeigt ist, ist die menschliche Versuchsperson 30 beispielsweise in Quadranten eingeteilt und der Abdeckungsbereich 700, 710, 720 und 730 jedes Abtastfelds 50a, 50b, 50c bzw. 50d umfasst einen der Quadranten. Somit ist ein Zeitmultiplexen des Mikrowellenbilds durch ein simultanes Betreiben jedes Abtastfelds 50a, 50b, 50c und 50d erzielt, um alle der Quadranten der menschlichen Versuchsperson 30 abzutasten. Zusätzlich zu oder anstelle von einem Zeitmultiplexen können jedes Abtastfeld 50a - 50d und jede Mikrowellenantenne 60a - 60d ebenfalls programmiert sein, um ein Frequenzmultiplexen aufzunehmen, um mehrere Zielobjekte in einem Quadranten der menschlichen Versuchsperson 30 unter Verwendung unterschiedlicher Frequenzen simultan abzutasten.
8 ist eine bildliche Darstellung verschiedener möglicher Strahlen einer Mikrowellenbeleuchtung, die durch das Mikrowellensicherheitsuberprüfungssystem erzeugt werden, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Jedes Abtastfeld 50a und 50b erzeugt ein Strahlungsmuster 800 bzw. 810 einer Mikrowellenbeleuchtung bei einem Zielobjekt 420. Jedes Strahlungsmuster 800 und 810 stellt einen Strahl einer Mikrowellenbeleuchtung dar, der eine spezielle Strahlbreite aufweist, die die Auflösung des Bilds bestimmt, wobei große Strahlbreiten eine schlechte Auflösung erzeugen. Die Strahlbreite ist von der Wellenlänge der Mikrowellenbeleuchtung und der Größe und Programmierung jedes Abtastfelds 50a und 50b abhängig.
Um die Auflösung des Mikrowellenbilds zu verbessern, können unterschiedliche Abtastfelder 50a und 50b und unterschiedliche Mikrowellenantennen 60a und 60b zum Senden und Empfangen verwendet werden. Wie es in 8 gezeigt ist, ist beispielsweise die Mikrowellenantenne 60a eine sendende Mikrowellenantenne und ist die Mikrowellenantenne 60b eine empfangende Mikrowellenantenne. Die sendende Mikrowellenantenne 60a sendet eine Mikrowellenbeleuchtung zu dem Abtastfeld 50a hin. Das Abtastfeld 50a wiederum reflektiert die Mikrowellenbeleuchtung zu dem Zielobjekt 420 hin als einen Strahl 800 einer Mikrowellenbeleuchtung. Die Mikrowellenbeleuchtung, die von dem Zielobjekt 420 reflektiert wird, wird als ein Strahl 820 einer Mikrowellenbeleuchtung durch das Abtastfeld 50b empfangen und zu der empfangenden Mikrowellenantenne 60b hin reflektiert. Unter Verwendung einer Kenntnis der Strahlbreite jedes Mikrowellenstrahls 800 und 810 kann die Auflösung des Mikrowellenbilds auf den Schnitt (oder die Multiplikation) 820 der zwei Strahlungsmuster 800 und 810 reduziert werden.
9 ist ein schematisches Diagramm, das die Verwendung unterschiedlicher Mikrowellenantennen und Abtastfelder für eine Sendung und einen Empfang gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung darstellt. In 9 wird die Mikrowellenantenne 60a als die sendende Mikrowellenantenne verwendet und wird die Mikrowellenantenne 60c als die empfangende Mikrowellenantenne verwendet, um ein Zielobjekt 420 an der Vorderseite der menschlichen Versuchsperson 30 abzubilden. Die sendende Mikrowellenantenne 60a sendet eine Mikrowellenbeleuchtung 900 zu dem Abtastfeld 50a hin. Das Abtastfeld 50a wiederum reflektiert die Mikrowellenbeleuchtung zu dem Zielobjekt 420 hin als einen Strahl 910 einer Mikrowellenbeleuchtung. Die Mikrowellenbeleuchtung, die von dem Zielobjekt 420 reflektiert wird, wird als ein Strahl 920 einer Mikrowellenbeleuchtung durch das Abtastfeld 50c empfangen und zu der empfangenden Mikrowellenantenne 60c hin reflektiert.
10 ist ein schematisches Diagramm, das die Verwendung anderer Mikrowellenantennen und Abtastfelder für eine Sendung und einen Empfang gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung darstellt. In 10 wird die Mikrowellenantenne 60c als die sendende Mikrowellenantenne verwendet und wird die Mikrowellenantenne 60d als die empfangende Mikrowellenantenne verwendet, um ein Zielobjekt 420 an der Seite der menschlichen Versuchsperson 30 abzubilden. Die sendende Mikrowellenantenne 60c sendet eine Mikrowellenbeleuchtung 1000 zu dem Abtastfeld 50c hin. Das Abtastfeld 50c wiederum reflektiert die Mikrowellenbeleuchtung zu dem Zielobjekt 420 hin als einen Strahl 1010 einer Mikrowellenbeleuchtung. Die Mikrowellenbeleuchtung, die von dem Zielobjekt 420 reflektiert wird, wird als ein Strahl 1020 einer Mikrowellenbeleuchtung durch das Abtastfeld 50d empfangen und zu der empfangenden Mikrowellenantenne 60d hin reflektiert.
11 ist ein Flussdiagramm, das einen exemplarischen Prozess 1100 zum Durchführen einer Mikrowellensicherheitsuberprufung einer menschlichen Versuchsperson oder eines anderen Gegenstands gemäß Ausfuhrungsbeispielen der vorliegenden Erfindung darstellt. Anfänglich wird ein Reflektorantennenarray, das eine Mehrzahl von Antennenelementen umfasst, bei einem Block 1110 bereitgestellt. Bei einem Block 1120 wird jedes der Antennenelemente mit einer jeweiligen Phasenverzögerung programmiert. Danach wird das Reflektorantennenarray bei einem Block 1130 durch eine Mikrowellenquelle mit einer Mikrowellenstrahlung beleuchtet und reflektiert die Mikrowellenbeleuchtung zu einem Zielobjekt an einer menschlichen Versuchsperson oder einem anderen Gegenstand hin basierend auf den programmierten Phasenverzögerungen jedes der Antennenelemente bei einem Block 1140. Bei einem Block 1150 empfängt das Reflektorantennenarray eine Mikrowellenbeleuchtung, die von dem Zielobjekt an der menschlichen Versuchsperson oder dem anderen Gegenstand reflektiert wird.
Bei einem Block 1160 wird die Intensität der reflektierten Mikrowellenbeleuchtung, die bei dem Reflektorantennenarray von dem Zielobjekt an der menschlichen Versuchsperson oder dem Gegenstand empfangen wird, gemessen, um den Wert eines Pixels innerhalb eines Bilds der menschlichen Versuchsperson oder des Gegenstands zu bestimmen. Falls es bei einem Block 1170 mehr Zielobjekte an der menschlichen Versuchsperson oder dem Gegenstand abzutasten gibt, werden die Antennenelemente bei dem Block 1120 mit neuen jeweiligen Phasenverzögerungen neu programmiert, um eine Mikrowellenbeleuchtung zu einem neuen Ziel an der menschlichen Versuchsperson oder dem Gegenstand zu reflektieren. Wenn einmal alle der Zielobjekte an der menschlichen Versuchsperson oder dem Gegenstand abgetastet wurden, wird bei einem Block 1180 ein Mikrowellenbild der menschlichen Versuchsperson oder des Gegenstands aus den gemessenen Pixelwerten bei jedem Zielobjekt (Punkt) an der menschlichen Versuchsperson oder dem Gegenstand aufgebaut.
Wie es Fachleuten auf dem Gebiet ersichtlich ist, können die innovativen Konzepte, die in der vorliegenden Anmeldung beschrieben sind, über einen breiten Bereich von Anwendungen modifiziert und variiert werden. Folglich sollte der Schutzbereich des Gegenstands des Patents nicht auf irgendeine der spezifischen, exemplarischen, erörterten Lehren begrenzt sein, sondern ist anstelle dessen durch die folgenden Ansprüche definiert.

Claims

Mikrowellenbilderzeugungssystem, das folgende Merkmale aufweist: eine Mehrzahl von Mikrowellenantennen (60a - 60d), die als Mikrowellenquellen zum Liefern einer Mikrowellenbeleuchtung einer elektromagnetischen Strahlung einer Wellenlänge zwischen 0,3 mm und 30 cm, um ein Zielobjekt (420) zu beleuchten, und als Mikrowellenempfänger zum Empfangen einer reflektierten Mikrowellenbeleuchtung, die von dem Zielobjekt (420) reflektiert wird, wirksam sind; vier Abtastfelder (50a - 50d), die jeweils eine Mehrzahl von reflektierenden Antennenelementen (200) umfassen, wobei jedes reflektierende Antennenelement (200) eine planare Patch-Antenne (320a), die auf einer Seite eines gedruckten Schaltungsplatinensubstrats (314) gebildet ist, und einen oberflächenbefestigten Feldeffekttransistor (322), der auf einer gegenüberliegenden Seite des gedruckten Schaltungsplatinensubstrats (314) befestigt ist, aufweist, wobei eine Masseebene (336) zwischen der planaren Patch-Antenne (320a) und dem oberflächenbefestigten Feldeffekttransistor positioniert ist, wobei die reflektierenden Antennenelemente (200) zum Programmiertwerden mit einer jeweiligen Phasenverzögerung in der Lage sind, um die Mikrowellenbeleuchtung von einer der Mikrowellenquellen zu einer Position an einem Zielobjekt (420) in einem Zielobjektbereich hin zu richten, wobei die reflektierenden Antennenelemente (200) ferner zum Programmiertwerden mit einer jeweiligen Phasenverzögerung in der Lage sind, um eine reflektierte Mikrowellenbeleuchtung zu empfangen, die von der Position an dem Zielobjekt (420) reflektiert wird, und die reflektierte Mikrowellenbeleuchtung zu einem der Mikrowellenempfänger hin zu richten, wobei zwei Abtastfelder (50a, 50b) auf einer Seite des Zielobjektbereichs und zwei Abtastfelder (50c, 50c) auf einer gegenüberliegenden Seite des Zielobjektbereichs derart angeordnet sind, dass ein Abdeckungsbereich jedes Abtastfeld (50a - 50d) einen Quadranten des Zielobjekts abdeckt; und einen Prozessor (100), der betreibbar ist, um eine Intensität der reflektierten Mikrowellenbeleuchtung zu messen, um einen Wert eines Pixels innerhalb eines Bilds des Zielobjekts (420) zu bestimmen, das durch den Prozessor (100) aufgebaut ist.
System gemäß Anspruch 1, bei dem zumindest eines der Mehrzahl von Abtastfeldern (50a - 50d) konfiguriert ist, um die reflektierte Mikrowellenbeleuchtung zu empfangen, die von der Position an dem Zielobjekt (420) reflektiert wird, und die reflektierte Mikrowellenbeleuchtung zu einem der Mikrowellenempfänger hin basierend auf der jeweiligen Phasenverzögerung zu richten, die den reflektierenden Antennenelementen (200) zugeordnet ist.
System gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem zumindest eines der Mehrzahl von Abtastfeldern (50a - 50d) konfiguriert ist, um die Mikrowellenbeleuchtung von einer der Mikrowellenquellen zu empfangen und die Mikrowellenbeleuchtung zu der Position an dem Zielobjekt (420) hin basierend auf der jeweiligen Phasenverzögerung zu richten, die den reflektierenden Antennenelementen (200) zugeordnet ist.
System gemäß Anspruch 3, bei dem das zumindest eine Abtastfeld ferner konfiguriert ist, um die reflektierte Mikrowellenbeleuchtung, die von der Position an dem Zielobjekt (420) reflektiert wird, zu empfangen und die reflektierte Mikrowellenbeleuchtung zu einem der Mikrowellenempfänger hin basierend auf einer jeweiligen Phasenverzögerung zu richten, die jedem der reflektierenden Antennenelemente (200) zugeordnet ist.
System gemäß Anspruch 4, bei dem die Mehrzahl von Abtastfeldern (50) ein erstes Abtastfeld (50a) und ein zweites Abtastfeld (50b) umfasst, wobei das erste Abtastfeld (50a) die Mikrowellenbeleuchtung zu der Position an dem Zielobjekt (420) hin richtet und das zweite Abtastfeld (50b) die reflektierte Mikrowellenbeleuchtung zu dem Mikrowellenempfänger (60b) hin richtet.
System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Zielobjektbereich ein Portal ist, durch das eine menschliche Versuchsperson laufen kann.
Verfahren zur Mikrowellenbilderzeugung eines Zielobjekts, das folgende Schritte aufweist: Bereitstellen einer Mehrzahl von Mikrowellenantennen (60a - 60d), die als Mikrowellenquellen zum Liefern einer Mikrowellenbeleuchtung einer elektromagnetischen Strahlung einer Wellenlänge zwischen 0,3 mm und 30 cm, um ein Zielobjekt (420) zu beleuchten, und als Mikrowellenempfänger zum Empfangen einer reflektierten Mikrowellenbeleuchtung, die von dem Zielobjekt (420) reflektiert wird, wirksam sind; Bereitstellen von vier Abtastfeldern (50a - 50d), die jeweils eine Mehrzahl von reflektierenden Antennenelementen (200) umfassen, wobei jedes reflektierende Antennenelement (200) eine planare Patch-Antenne (320a), die auf einer Seite eines gedruckten Schaltungsplatinensubstrats (314) befestigt ist, und einen oberflächenbefestigten Feldeffekttransistor (322), der auf einer gegenüberliegenden Seite des gedruckten Schaltungsplatinensubstrats (314) gebildet ist, aufweist, wobei eine Masseebene (336) zwischen der planaren Patch-Antenne (320a) und dem oberflächenbefestigten Feldeffekttransistor positioniert ist, wobei die reflektierenden Antennenelemente (200) zum Programmiertwerden mit einer jeweiligen Phasenverzögerung in der Lage sind, wobei zwei Abtastfelder (50a, 50b) auf einer Seite eines Zielobjektbereichs und zwei Abtastfelder (50c, 50c) auf einer gegenüberliegenden Seite des Zielobjektbereichs derart angeordnet sind, dass ein Abdeckungsbereich jedes Abtastfelds (50a - 50d) einen Quadranten eines Zielobjekts abdeckt; Empfangen einer Mikrowellenbeleuchtung einer elektromagnetischen Strahlung einer Wellenlänge zwischen 0,3 mm und 30 cm bei einem der Mehrzahl von Abtastfeldern (50a - 50d) von einer Mikrowellenantenne, die als Mikrowellenquelle wirksam ist; Richten der Mikrowellenbeleuchtung zu einer Position an dem Zielobjekt (420) hin basierend auf der jeweiligen Phasenverzögerung, die den reflektierenden Antennenelementen (200) zugeordnet ist; Empfangen einer reflektierten Mikrowellenbeleuchtung, die von der Position an dem Zielobjekt (420) reflektiert wird, an einem der Mehrzahl von Abtastfeldern (50) ; Richten der reflektierten Mikrowellenbeleuchtung, die von der Position an dem Zielobjekt (420) reflektiert wird, zu einer Mikrowellenantenne, die als Mikrowellenempfänger (60a - 60d) wirksam ist, hin basierend auf einer Phasenverzögerung, die den reflektierenden Antennenelementen (200) zugeordnet ist; Messen einer Intensität der reflektierten Mikrowellenbeleuchtung, um ein Pixel zu bestimmen; und Aufbauen eines Bilds, das mehrere Pixelwerte umfasst, die mehreren Positionen an dem Zielobjekt (420) zugeordnet sind.
Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem ein Abtastfeld (50) ein erstes Abtastfeld (50a) und ein zweites Abtastfeld (50b) umfasst und bei dem das Empfangen der Mikrowellenbeleuchtung von der Mikrowellenquelle (60a) ferner ein Empfangen der Mikrowellenbeleuchtung von der Mikrowellenquelle (60a) an dem ersten Abtastfeld (50a) umfasst und bei dem das Empfangen der reflektierten Mikrowellenbeleuchtung ferner ein Empfangen der reflektierten Mikrowellenbeleuchtung, die von der Position an dem Zielobjekt (420) reflektiert wird, an dem zweiten Abtastfeld (50b) umfasst.