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Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung zum Lokalisieren eines bewegten Objektes und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Antennenanordnung.
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Eine Lokalisierung bewegter Objekte in einer Umgebung kann über verschiedene Vorrichtungen und Verfahren erzielt werden, beispielsweise über Kameras oder eine Radarvorrichtung. Kameras bringen hier mehrere Nachteile mit sich. Bei einer Nutzung im Außenbereich besteht der Nachteil eines hohen Wartungsaufwands aufgrund von Verschmutzung des Kameraglases durch Witterungseinflüsse, Tiere, wie zum Beispiel durch Spinnennetze, oder aber auch durch absichtliche Verschmutzung. Im Innenbereich sind Kameras oftmals unerwünscht, da immer die Unsicherheit der Beobachtung besteht und es nicht vollständig auszuschließen ist, dass beispielsweise durch Schadsoftware Bilder oder Videos unerlaubterweise gespeichert oder vervielfältigt werden. Oft ist es auch aus datenschutzrechtlichen Gründen nicht erlaubt, Kameras aufzustellen, wie zum Beispiel in Firmen am Arbeitsplatz oder auf Toiletten. Bei Radarsystemen hat ein Dopplerradar aufgrund der extremen Schmalbandigkeit des verwendeten Signals im Hinblick auf das Signal-Rausch-Verhältnis einen entscheidenden Vorteil gegenüber Breitbandradarsystemen wie zum Beispiel Pulsradarsystemen oder frequenzmodulierten Dauerstrich-Radarsystemen. Mit einem Dopplerradar können bewegte Objekte der Größe eines Golfballes in mehr als 50 Meter Entfernung mit Signalleistungen von wenigen Milliwatt detektiert werden. Auch hat ein Dopplerradar den entscheidenden Vorteil einer Unempfindlichkeit gegen eine Mehrwegeausbreitung, wie sie bei breitbandigen Radarvarianten nicht gegeben ist. Ein Nachteil ist jedoch der Verzicht auf Auflösung, so dass eine Lokalisierung eines bewegten Objektes mit einem konventionellen Dopplerradar nicht möglich ist.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lokalisieren eines bewegten Objektes zu ermöglichen, welches einen geringen Wartungsaufwand erfordert, wenig Leistung verbraucht, technisch einfach zu realisieren ist und auch kleine Objekte lokalisiert, die in Gebäuden beziehungsweise Räumen oder im Freien auch von anderen, nicht-metallischen Objekten verdeckt sein können.
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Diese Aufgabe wird von einer Vorrichtung und einem Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
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Um ein Lokalisieren eines bewegten Objektes mit den genannten Vorteilen zu erzielen, ist erfindungsgemäß eine Antennenanordnung mit einer Mehrzahl von elektrisch gekoppelten Sendeantennenelementen, durch welche ein elektromagnetisches Sendesignal aussendbar ist, vorgesehen. Die Antennenanordnung verfügt ferner über eine Signalquelle, die das Sendesignal generiert und elektrisch mit den Sendeantennenelementen gekoppelt ist, sowie über eine Mehrzahl von elektrisch gekoppelten Empfangsantennenelementen, durch welche ein durch das bewegte Objekt reflektierter Anteil des Sendesignals empfangbar ist, und eine Mischeinheit, welche mit den Empfangsantennenelementen und der Signalquelle elektrisch gekoppelt ist. Diese Mischeinheit überlagert den reflektierten Anteil des Sendesignals aus den Empfangsantennenelementen mit dem Sendesignal aus der Signalquelle und bestimmt eine Amplitude eines Dopplersignalanteiles des reflektierten Anteils des Sendesignals, insbesondere nach dem In-Phase-&-Quadrature-Verfahren. Dies kann insbesondere durch eine in der Mischeinheit inbegriffene Rechen- oder Auswerteeinheit erfolgen.
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Wesentlich ist hier, dass die Sendeantennenelemente jeweils ausgelegt sind, das Sendesignal zeitgleich nur mit einer aktiven Teilmenge der Sendeantennenelemente auszusenden. Diese aktive Teilmenge kann ein oder mehrere Sendeantennenelemente umfassen, so dass zu einem vorgegebenen Zeitpunkt also nicht alle Sendeantennenelemente gleichzeitig aktiv das Sendesignal aussenden. Es wird also eine bestimmte Anzahl von einzelnen Sendeantennenelementen zusammen aktiv geschaltet, wodurch eine für eine bestimmte Entfernung angepasste Richtwirkung der Sendeantennenelemente erzielt wird. Mit anderen Worten wird ein Einschalten einer Gruppe von mehreren einzelnen Sendeantennenelementen zur Erzeugung einer Richtwirkung an einer bestimmten Position der Antennenanordnung vorgenommen. Diese Gruppe kann nach Art eines Schieberegisters „durchgeschoben“ werden, sodass zu unterschiedlichen Zeitpunkten unterschiedliche Gruppen von Sendeantennenelementen an jeweils unterschiedlichen Positionen der Antennenanordnung aktiv sind.
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Das hat den Vorteil, dass bewegte Objekte, die auch durch nicht-metallische Objekte verdeckt sein können, in einer durch die Anzahl der aktiv geschalteten Sendeantennenelemente bestimmten Richtung lokalisiert werden können. Andere, nicht bewegte Objekte relativ zu der Antennenanordnung verursachen hier keine beziehungsweise nur sehr geringe Störungen durch Mehrwegeausbreitung. Die Mehrwegeausbreitung spielt bei dem erfindungsgemäßen Lokalisieren nur eine untergeordnete Rolle, da, wie bei einem Dopplerradar üblich, nur von den Zielobjekten, die eine Bewegung aufweisen, ein Signal, die Amplitude des Dopplersignalanteils des reflektierten Anteils des Sendesignals, erzeugt wird. Alle anderen statischen Objekte liefern nur ein Gleichsignal, welches einfach herausgefiltert werden kann. Da im vorliegenden Fall kein kohärentes Radar vorliegt, sondern nur die Amplitude des Dopplersignalanteils bestimmt wird und diese Amplitude durch Mehrfachreflexionen stark gedämpft wird, ist das Radarsystem aufgrund der verwendeten Signalerfassung unempfindlich gegen Mehrwegeausbreitung. Es wird ein inkohärentes Detektieren der ortsabhängigen Signalamplitude eines kohärenten Dopplersignals durchgeführt.
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Auch wird aufgrund der begrenzten aktiven Teilmenge von Sendeantennenelementen, welche zeitgleich das Sendesignal aussenden, eine Richtwirkung erzielt, so dass auch die Empfangsantennenelemente größtenteils nur aus der Richtung des Zielobjekts empfangen. Tritt also eine Mehrwegeausbreitung in Zielobjektrichtung auf, vermindert dies Qualität der Detektion nicht. Mehrwegeausbreitung in allen anderen Richtungen wird durch die Richtwirkung der Empfangsantennenelemente gedämpft. Gerade im Inneren eines Gebäudes auftretende Multipfadwege über Decke oder Fußboden verursachen keine Störungen, da in dieser Richtung im allgemeinen keine Auflösung benötigt wird und diese Multipfadwege in Zielobjektrichtung liegen da anderen Richtungen durch sehr viele Reflexionsstellen stark gedämpft werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Antennenanordnung ist vorgesehen, dass die Sendeantennenelemente und/oder die Empfangsantennenelemente jeweils in Serie geschaltet sind und zwischen den einzelnen Sendeantennenelementen und/oder zwischen den einzelnen Empfangsantennenelementen Verzögerungselemente für elektrische Signale eingebaut sind. Insbesondere kann es sich bei diesen Verzögerungselementen um akustische Oberflächenwellenfilter handeln. Hier wird das für das Lokalisieren benötigte Durchschalten der jeweiligen Einzelantennenelemente dann mit einem pulsförmigen Hochfrequenzsignal erzielt. Durch die Verzögerungselemente zwischen den jeweiligen Antennenelementen wird aufgrund der hohen Gruppenlaufzeit der Filter das Signal so stark verzögert, dass so lange Pulse verwendet werden können, dass das Empfangssignal mit geringem Aufwand eingelesen und digitalisiert werden kann. Es wird also eine niedrige Bandbreite benötigt. Die benötigte Länge des Pulses bestimmt bei einer bestimmten Gruppenlaufzeit der Verzögerungselemente die Anzahl derjenigen Antennenelemente, welche gleichzeitig abstrahlen. Hier kann eine phasensynchrone Abstrahlung an den einzelnen Sendeantennenelementen erreicht werden, indem zusätzlich kurze Umwegleitungen zwischen den Sendeantennenelementen eingefügt werden, über deren Länge die Phase des Signals an den Sendeantennenelementen auf den gleichen Winkel eingestellt werden kann. Zusätzliche Verstärker oder Dämpfungsglieder können eingebaut werden, um die Signalamplitude in allen Sende- beziehungsweise Empfangsantennenelementen konstant zu halten. Es können nahezu beliebig viele Sendeantennenelemente und Empfangsantennenelemente aneinander gereiht werden.
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In dieser Ausführungsform liegt also eine pulsförmige Signaleinkopplung eines Hochfrequenzpulses mit einer bestimmten Länge in die Sendeantennenelemente vor, wobei das Signal aufgrund der Verzögerungselemente eine hohe Gruppenlaufzeit aufweist und der Puls somit verzögert, aber insbesondere trotzdem phasensynchron abstrahlt wird. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass ein pulsförmiges Hochfrequenzsignal verwendet werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sendeantennenelemente nach Art einer sogenannten „Phased-Array-Antenne“ in einen Leiter, der an die Signalquelle gekoppelt ist, eingekoppelt werden. Dabei ist jedoch zwischen Leiter und einem Sendeantennenelement je ein Hochfrequenzschalter geschaltet, der von einer Steuereinheit gesteuert wird. Insbesondere wird hier als Sendesignal von der Signalquelle ein Signal mit einer konstanten Frequenz generiert, insbesondere mit 5,8 GHz oder 2,4 GHz. Dabei sind die einzelnen Sendeantennenelemente insbesondere entlang einer Geraden in Form einer Antennenzeile angeordnet.
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Wie in einer konventionellen Wanderwellenantenne oder Phased-Array-Antenne wird also ein Signal konstanter Frequenz in einen Leiter mit geringer Dämpfung eingespeist. An Punkten des Leiters mit dem Abstand einer Wellenlänge λ des Sendesignals oder dem Vielfachen einer Wellenlänge wird ein Teil des Signals aus dem Leiter ausgekoppelt und von einem Sendeantennenelement, zum Beispiel einer Patchantenne, abgestrahlt. Der Leiter verfügt üblicherweise über einen Endwiderstand. Damit eine hohe Richtwirkung mit schwachen Nebenkeulen erzeugt wird, liegt der mechanische Abstand der Sendeantennenelemente, wie bei Phased-Array-Antennen üblich, im Bereich einer halben Wellenlänge. Entsprechend der Erfindung erfolgt das Auskoppeln aus dem Leiter an den Punkten mit dem Abstand einer Wellenlänge oder dem Vielfachen einer Wellenlänge über jeweils einen Hochfrequenzschalter. Als Hochfrequenzschalter können hier integrierte Bauteile oder aus einzelnen Pindioden und zum Beispiel λ/4-Leitungen aufgebaute Schalter verwendet werden. Insbesondere wird hier zur einfachen Ansteuerung der Elemente von der Steuereinheit eine verteilte Schieberegisterstruktur verwendet werden, wodurch eine bestimmte Anzahl von aktiven Sendeantennenelementen von einem Ende der Antennenordnung, insbesondere der Antennenzeile, zu dem anderen Ende der Antennenordnung „durchgeschoben“ wird.
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Es erfolgt also ein Durchschalten von mehreren Sendeantennenelementen in Gruppen insbesondere mit Hilfe eines verteilten Schieberegisters zur Erzeugung einer Richtwirkung an einer bestimmten Position der Antennenanordnung. Das hat den Vorteil, dass über eine geeignete Ansteuerung der Hochfrequenzschalter innerhalb der baulichen Grenzen eine beliebig starke Richtwirkung an einem beliebigen Ort der Antennenanordnung erzielt werden kann. Damit können Bewegungen in unterschiedlichen Bereichen erfasst werden und sich bewegende Objekte lokalisiert werden.
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Die Sendeantennenelemente beziehungsweise Empfangsantennenelemente können entweder jeweils eine getrennte Sendeantenne beziehungsweise Empfangsantenne bilden oder eine kombinierte Sende- und Empfangsantenne. Ist letzteres der Fall, so kann eine Signalüberkopplung zwischen den verschiedenartigen Elementen bei dem hier verwendeten Dopplerradar nur einen Gleichanteil erzeugen, welcher leicht herausgefiltert werden kann. Eine kombinierte Sende- und Empfangsantenne bringt Kostenvorteile, z.B. bei der Installation, mit sich und spart überdies Platz.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinheit ausgelegt ist, Hochfrequenzschalter unterschiedlich großer Gruppen benachbarter Antennenelemente gleichzeitig zu schalten. Das hat den Vorteil, dass nicht nur an unterschiedlichen Positionen der Antennenanordnung ein Sendesignal ausgesandt werden kann, sondern dass das ausgesandte Sendesignal unterschiedlich stark gerichtet sein kann, was es ermöglicht, zwischen dem Detektieren eines nahegelegenen und weiter entfernten bewegen Objektes zu unterscheiden. Die Steuereinheit kann auch in kurzer zeitlicher Abfolge für ein Abtasten unterschiedlicher Raumbereiche durch das abgestrahlte Sendesignal erzielen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sendeantennenelemente entlang einer Geraden angeordnet sind und eine Hauptabstrahlrichtung haben, welche mit einer Senkrechten auf die Gerade einen vorbestimmten ersten Winkel bildet und/oder die Empfangsantennenelemente entlang einer Geraden angeordnet sind und eine Hauptempfangsrichtung haben, welche mit einer Senkrechten auf die Gerade einen vorbestimmten zweiten Winkel bildet, wobei insbesondere die beiden Winkel betragsmäßig gleich sind und ein voneinander verschiedenes Vorzeichen aufweisen. Die beiden Winkel werden hier dann, wie bei Phased-Array-Antennen üblich, über den mechanischen Abstand der Sendeantennenelemente beziehungsweise der Empfangsantennenelemente voneinander bestimmt. Der erste Winkel wird auch über die elektrische Weglänge zwischen zwei benachbarten Punkten auf dem Leiter, an denen die Sendeantennenelemente in das Sendesignal eingekoppelt werden, bestimmt. Analog wird der zweite Winkel gegebenenfalls auch durch die Abstände der Empfangsantennenelemente auf einem diese Empfangsantennenelemente miteinander koppelnden Leiter variiert.
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Das hat den Vorteil, dass eine zweidimensionale Lokalisierung mit nur einer eindimensionalen Antennenanordnung erreicht werden kann. Wird eine Amplitude eines Dopplersignalanteils bestimmt, so ist der Abstand eines bewegten Zielobjektes von den Sende- beziehungsweise Empfangsantennenelementen über die Anzahl der aktiven Sende- beziehungsweise Empfangsantennenelementen gegeben. Die Position des Zielobjekts in einer Richtung parallel zu der Geraden, entlang der die Sende- beziehungsweise Empfangsantennenelemente angeordnet sind, ist dann über den Ort der aktiven Sendeantennenelemente relativ zu den aktiven Empfangsantennenelementen bestimmbar. Im Falle, dass für die Hauptsende- beziehungsweise Hauptempfangsrichtung von Sendeantennenelementen und Empfangsantennenelementen der gleiche Winkel gewählt wird, jedoch mit einem unterschiedlichen Vorzeichen, liegt die Position des bewegten Objektes genau in der Mitte zwischen den sendenden beziehungsweise detektierenden Sende- und Empfangsantennenelementen. Es ist also für die Detektion eines bewegten Objektes in einem zweidimensionalen Bereich lediglich eine einzige Antennenanordnung und ein Bestimmen der Amplitude eines Dopplersignalanteils erforderlich, insbesondere muss keine Phaseninformation berücksichtigt werden, was das beschriebene Verfahren schnell und billig macht.
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Schließlich ist gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, eine Antennenstruktur mit einer Mehrzahl der hier beschriebenen Antennenanordnungen auszubilden, bei der die Sende- und Empfangsantennenelemente einer Antennenanordnung jeweils entlang einer Geraden angeordnet sind und die zu den unterschiedlichen Antennenanordnungen gehörigen Geraden eine Fläche oder einen Raum aufspannen. Dabei sind die unterschiedlichen Antennenanordnungen auf ein unterschiedliches Sendesignal eingestellt. Es werden also mehrere ein- oder zweidimensionale Lokalisierungssysteme miteinander gekoppelt, um so eine zwei- oder dreidimensionale Lokalisierung eines bewegten Objektes zu ermöglichen. Um Interferenzen zu vermeiden, ist es sinnvoll, dass jede Antennenanordnung hier mit einer unterschiedlichen Sendesignalfrequenz arbeitet. Das hat den Vorteil, dass so bewegte Objekte, die verdeckt sein können, in der Ebene oder im Raum lokalisiert werden können und dabei nicht bewegte Objekte keine beziehungsweise nur geringe Störungen verursachen.
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Die Sende- und/oder Empfangsantennenelemente können streifenförmig insbesondere auf Teflon oder ähnlich verlustarmen Substanzen als Meterware ausgeführt sein. Das hat den Vorteil, dass bei der Hausinstallation an einer Wand die durch die Teflonmeterware mit den Sende- beziehungsweise Empfangsantennenelementen gebildete Antenne ohne großen Platzbedarf befestigt werden kann. Die Antennen können an die jeweilige Raumlänge leicht angepasst werden, indem der Teflonstreifen an der entsprechenden Stelle abgeschnitten wird und ein Jumper oder eine Brücke auf das letzte Sende- beziehungsweise Empfangsantennenelement gesetzt wird, so dass eine Rückleitung für ein Steuersignal der Steuereinheit gebildet ist. Damit können insbesondere auch durch die Steuereinheit die Antennenlänge und auch eine Raumlänge bestimmt werden. Als Signalleitung können beispielsweise Mikrostreifen oder Streifenleitungen verwendet werden.
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Die Erfindung enthält auch ein Verfahren zum Betreiben einer Antennenanordnung zum Lokalisieren eines Objektes mit einer Reihe von Schritten. Ein Schritt ist das Generieren eines Sendesignals durch eine Signalquelle. Ein weiterer Schritt ist das Übertragen des Sendesignals an eine Mischeinheit und an eine Mehrzahl von elektrisch gekoppelten Sendeantennenelementen. Noch ein Schritt ist das Aussenden des Sendesignals durch die Sendeantennenelemente und das Empfangen eines durch das bewegte Objekt reflektierten Anteils des Sendesignals durch eine Mehrzahl von elektrisch gekoppelten Empfangsantennen. Ein weiterer Schritt ist das Weiterleiten des reflektierten Anteils des Sendesignals an die Mischeinheit und das Überlagern des Sendesignals und des reflektierten Anteils des Sendesignals in der Mischeinheit. Schließlich ist ein Schritt auch das Bestimmten einer Amplitude eines Dopplersignalanteils des reflektierten Anteils des Sendesignals, insbesondere nach einem In-Phase-&-Quadrature-Verfahren. Wesentlich ist hier, dass das Aussenden des Sendesignals jeweils nur durch eine aktive Teilmenge der Sendeantennenelemente zeitgleich erfolgt. Das bringt die gleichen Vorteile mit sich, welche bereits oben für die entsprechende Vorrichtung beschrieben wurden.
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In einer Variante des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Verzögern des Übertragens des Sendesignals von der Signalquelle an unterschiedliche aktive Teilmengen der Sendeantennenelemente durch Verzögerungselemente für elektrische Signale, insbesondere akustische Oberflächenwellenfilter, erfolgt.
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In einer weiteren Variante des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Übertragen des Sendesignals von der Signalquelle zu den Sendeantennenelementen über einen Leiter erfolgt, mit dem die Sendeantennenelemente, wie oben beschrieben, nach Art einer Phased-Array-Antenne verbunden sind, wobei zwischen dem Leiter und den einzelnen Sendeantennenelementen je ein Hochfrequenzschalter geschaltet ist und durch ein Schalten der Hochfrequenzschalter gleichzeitig stets nur eine aktive Teilmenge der Sendeantennenelemente elektrisch an den Leiter gekoppelt wird.
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Schließlich ist in einer Variante des Verfahrens vorgesehen, dass die Schritte Aussenden, Empfangen, Weiterleiten, Überlagern und Bestimmen mehrmals hintereinander ausgeführt werden, und dabei die aktive Teilmenge der Sendeantennenelemente für jeden Durchlauf geändert wird, so dass das Aussenden des Sendesignals jeweils in einen anderen Raumbereich erfolgt. Die Raumbereiche können sich überlagern. Über ein Verändern der Richtcharakteristik der Sendeantennenelemente kann also das Sendesignal unterschiedlich stark fokussiert werden und von unterschiedlichen Bereichen an unterschiedlichen Positionen der Antennenanordnung abgestrahlt werden. Infolge gibt jeweils ein bewegtes Objekt in einem unterschiedlichen Raumbereich einen einfach messbaren reflektierten Anteil des Sendesignals, so dass über das mehrmalige hintereinander erfolgende Ausführen oben genannter Schritte mit unterschiedlichen aktiven Teilmengen der Sendeantennenelemente unterschiedliche Bereiche des die Antennenanordnung umgebenden Raumes abgetastet werden.
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Grundsätzlich ist das vorgestellte System symmetrisch bezüglich Sende- und Empfangsvorgang, so dass das Lokalisieren eines bewegten Objektes auch erfolgen kann, wenn sämtliche Sendeantennenelemente gleichzeitig das Sendesignal aussenden, jedoch nur eine aktive Teilmenge der Empfangsantennenelemente zeitgleich einen reflektierten Anteil des Sendesignals empfangen kann. Insofern beinhaltet die Erfindung sofern technisch möglich auch eine Ausgestaltung der Empfangsantennenelemente mit den genannten Merkmalen der Sendeantennenelemente.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung, sowie anhand der Figuren. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung des Grundprinzips der Erfindung anhand einer beispielhaften Ausführungsform;
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2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Sende- und Empfangsantennenanordnung mit einem bewegten Objekt;
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3 eine schematische Darstellung eines Blockschaltbilds eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung;
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4 eine schematische Darstellung einer zweidimensionalen Lokalisierung mit einer beispielhaften Ausführungsform einer Antennenanordnung; und
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5 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer Antennenanordnung.
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In den FIG werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 stellt das Grundprinzip der Erfindung anhand einer beispielhaften Ausführungsform dar. Eine Signalquelle 5 generiert ein Sendesignal 4, welches in einen Leiter 11 eingekoppelt wird. Der Leiter 11 verfügt hier über einen Endwiderstand 20. Das Sendesignal 4 ist hier als eine Wellenform im Inneren des Leiters 11 zeichnerisch dargestellt. Das Sendesignal 4 ist beispielsweise ein monofrequentes Sinussignal mit einer vorgegebenen konstanten Wellenlänge λ. An einer Reihe von Punkten P werden nun Sendeantennenelemente 3 elektrisch mit dem Leiter 11 verbunden und so an das Sendesignal 4 gekoppelt. Diese Punkte P haben dabei einen Abstand x·λ, eines insbesondere ganzzahligen Vielfachen von der Wellenlänge λ des Sendesignals 4. Zwischen die Sendeantennenelemente 3 und den Leiter 11 ist im gezeigten Beispiel je pro Sendeantennenelemente 3 ein Hochfrequenzschalter 10 geschaltet. Die Hochfrequenzschalter 10 werden von einer Steuereinheit gesteuert, so dass zu einem bestimmten Zeitpunkt ein oder mehrere Sendeantennenelemente 3 mit dem Sendesignal 4 gekoppelt sind und also aktiv das Sendesignal 4 aussenden. Andere Sendeantennenelemente 3 sind dann von dem Sendesignal 4 entkoppelt und inaktiv. Damit eine hohe Richtwirkung mit schwachen Nebenkeulen erzeugt wird, sind die Sendeantennenelemente 3 in einem mechanischen Abstand im Bereich einer halben Wellenlänge, λ/2, angeordnet. Der Aufbau ist also der übliche Aufbau einer Wanderwellen-Arrayantennenzeile, wobei jedoch die einzelnen Sendeantennenelemente 3 individuell in das Sendesignal 4 ein- oder ausgekoppelt werden können.
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2 zeigt eine Sendeantenne 13 mit einer Mehrzahl von Sendeantennenelementen 3, die auf einer Geraden entlang einer x-Richtung angeordnet sind. In y-Richtung senkrecht zu der Sendeantenne 13 sind hier zwei bewegte Objekte 2, 2’ gezeigt. Das erste bewegte Objekt 2 befindet sich hier in einem Abstand d1, das zweite bewegte Objekt 2’ in einem größeren Abstand d2. Die beiden bewegten Objekte 2, 2’ können jeweils über eine Amplitude des von ihnen verursachten Doppleranteils in einem reflektierten Anteil 7 beziehungsweise 7’ des Sendesignals 4 beziehungsweise 4’ detektiert werden. Mit der gezeigten Antennenanordnung können Bewegungen in einem nahegelegenen Raumbereich 12 wie auch in einem sich in weitere Ferne erstreckenden Raumbereich 12’ detektiert werden.
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Eine erste aktive Teilmenge 9 von im gezeigten Beispiel sechs aktiven Sendeantennenelementen 3 sendet je ein Sendesignal 7 aus. Da hier nur relativ wenige Sendeantennenelemente 3 aktiv sind, ist das Sendesignal 7 hier nur schwach gerichtet und strahlt in einen breiten, nahen Raumbereich 12 ab. Somit erzeugen nur bewegte Objekte 2 in diesem nahegelegenen Raumbereich 12 einen deutlichen, einfach messbaren reflektierten Anteil 7 des Sendesignals 4. Dieser reflektierte Anteil 7 wird bei Anwesenheit eines bewegten Objektes 2 dann detektiert. Dies kann über in einer separaten oder in Baueinheit mit der Sendeantenne 13 ausgeführten Empfangsantenne 14 mit auf einer Geraden angeordneten Empfangsantennenelementen 6 erfolgen.
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Eine weitere aktive Teilmenge 9’, welche im gezeigten Beispiel aus 13 aktiven Sendeantennenelementen 3 besteht, ist ebenfalls zu sehen. Aufgrund der größeren Anzahl der aktiven Sendeantennenelemente 3 wird das Sendesignal 4’ hier stärker gerichtet von der Antenne 13 abgestrahlt. Somit gelangt ein stärkerer Anteil des Signals 4’ zu dem bewegten Objekt 2’, welches weiter von der Sendeantenne 13 entfernt ist als das bewegte Objekt 2, als dies bei einer Aktivierung von weniger Sendeantennenelementen 3 der Fall wäre. Entsprechend ist auch der reflektierte Anteil 7’ des Sendesignals 4’ stärker, und das in dem Abstand d2 angeordnete weiter entfernte bewegte Objekt 2’ kann über die Amplitude eines Dopplersignals mit einfachen Mitteln detektiert werden. Es wird also ein weiter entfernter Raumbereich 12’ abgetastet. Der abgetastete Raumbereich 12’ umfasst natürlich auch einen schmalen Ausschnitt des unmittelbar benachbarten Raumes der Sendeantenne 13, jedoch unterliegt das stark fokussierte Sendesignal 4’ in der nahen Umgebung der Sendeantenne 13 nichtlinearen Effekten, da es sich hier um den sogenannten Fresnel-Bereich der Sendeantenne 13 handelt.
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Die aktiven Teilmengen 9, 9’ können beispielsweise über ein Ansteuern der Hochfrequenzschalter 10 entlang der Sendeantenne 13 in x-Richtung verschoben werden, so dass über eine Variation der Anzahl der aktiven Sendeantennenelemente 3 der abgetastete Raumbereich in y-Richtung verlagert werden kann und über die Wahl der Position der aktiven Sendeantennenelementen 3 beziehungsweise der Position der aktiven Teilmenge 9, 9’ der Sendeantennenelementen 3 der abgetastete Raumbereich in x-Richtung verschoben werden kann. So können also über ein serielles Abtasten der Umgebung der Sendeantenne 13 bewegte Objekte 2, 2’ lokalisiert werden.
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Mit einem stark gerichteten Sendesignal 4 wird also der in y-Richtung weit entfernte Bereich vor der Antenne abgetastet, mit einem schwach gerichteten Sendesignal 4 der nähergelegene Bereich. Somit kann also über das nacheinander erfolgende Ansteuern unterschiedlich großer aktiven Teilmengen 9 der Sendeantennenelemente 3 und das Durchschieben der aktiven Teilmenge in x-Richtung entlang der Sendeantenne 13 ein Raumbereich abgetastet werden. Hierbei bietet es sich insbesondere an, beispielsweise zunächst den Nahbereich der Antenne abzutasten mit einer kleinen aktiven Teilmenge 9, und infolge mit einer großen aktiven Teilmenge 9 den Fernbereich abzutasten.
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3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Sende- und Empfangsantennenanordnung mit einem bewegten Objekt. Hierbei sind die Sendeantennenelemente 3 und Empfangsantennenelemente 6 als zwei voneinander getrennte Antennen in Form einer Sendeantenne 13 und einer Empfangsantenne 14 angeordnet, welche jeweils eine zeilenartige Struktur haben, in welcher im vorliegenden Beispiel die entsprechenden Antennenelemente jeweils nebeneinander auf einer Gerade angeordnet sind. Eine Signalquelle 5 ist hier an die Sendeantenne 13 und eine Mischeinheit 8 gekoppelt, so dass ein von der Signalquelle erzeugtes Sendesignal 4 an Sendeantenne 13 und Mischeinheit 8 übertragen wird. Das Sendesignal 4 wird dann von einer aktiven Teilmenge 9 der Sendeantennenelemente 3 der Sendeantenne 13 abgestrahlt. Die Hauptabstrahlrichtung ist im gezeigten Beispiel senkrecht zur Sendeantenne 13. Das Sendesignal 4 trifft auf das in y-Richtung beabstandete bewegte Objekt 2, so dass der reflektierte Anteil 7 des Sendesignals 4 von den Empfangsantennenelementen 6 der Empfangsantenne 14 detektiert werden kann. Die Empfangsantenne 14 kann hier ebenfalls nach Art der Sendeantenne, wie sie in 1 gezeigt ist, gesteuert sein.
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Der reflektierte Anteil 7 wird dann an die Mischeinheit 8 weitergeleitet. Dort wird dieser reflektierte Anteil 7 mit dem aus der Signalquelle 5 stammenden Sendesignal 4 überlagert, so dass mit einfachen Mitteln, beispielsweise nach dem In-Phase-&-Quadrature-Verfahren, ein Doppleranteil in dem reflektierten Anteil des Sendesignals 4 bestimmt werden kann. Idealerweise sind Sendeantenne 13 und Empfangsantenne 14 hier gleich lang und parallel zueinander angeordnet, so dass bei einem Einkoppeln des Sendesignals 4 auf einer Seite der Sendeantenne 13 und einem entsprechendem Auskoppeln des empfangenen reflektierten Anteils 7 des Sendesignals 4 auf der anderen Seite, dann der Empfangsantenne 14, gleich lange Signalwege resultieren und somit die Dämpfung aller Signalwege gleich ist. Es kann hier auch eine kombinierte Sende- und Empfangsantenne verwendet werden. Bei dem hier verwendeten Dopplerradar kann dann eine Signalüberkopplung zwischen den unterschiedlichen Elementen nur einen Gleichanteil erzeugt und leicht herausgefiltert werden.
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Um bewegte Objekte in einer Ebene zu lokalisieren, kann nun von zwei Antennenanordnungen 1, beispielsweise in x- und y-Richtung orientiert, ein Raumbereich aufgespannt werden. Für ein Volumen wird eine zusätzliche Antenne in einer z-Richtung senkrecht zur x- und y-Richtung verwendet werden. Die z-Richtung kann dann für eine Unterscheidung von verschieden hohen Objekten verwendet werden, zum Beispiel, um erwachsene Personen von Kindern, Haustieren oder etwa Roboterstaubsaugern zu unterscheiden. Weiterhin kann die Antenne in z-Richtung dazu verwendet werden, dass nur Objekte eines Stockwerks zum Detektionssignal beitragen. Das ist erforderlich, wenn eine Zimmerdecke zu wenig Signaldämpfung zu einem nächsten Stockwerk aufweist. Für den Signalablauf gibt es dann verschiedene Möglichkeiten. In einer einfachen Version wird dann der Antennenanordnungen 1 in x-, y- und z-Richtung separat mit Sendesignalen 4 mit je unterschiedlichen Wellenlängen λ betrieben. Es können hier beispielsweise leicht variierte Wellenlängen wir 5,8GHz, 5,801GHz und 5,799GHz verwendet werden. Diese Antennenanordnungen 1 können dann die in x- und y-Richtung aufgespannte Fläche beziehungsweise das mit x, y und z aufgespannte Volumen wiederholend abscannen. Alternativ könnten die unterschiedlichen Antennenanordnungen 1 auch mit einem Sendesignal 4 der gleichen Wellenlänge λ betrieben werden und ein serielles Abtasten des Raumes erfolgen. In einer Erweiterung ist es beispielsweise auch möglich, mit einer Antenne, welche in einer x-Richtung orientiert ist, zu senden und mit einer anderen, beispielsweise in y-Richtung orientierten Antenne zu empfangen. Auch kann insbesondere in z-Richtung nur eine einzelne Richtantenne ohne eine Steuerung verwendet werden, so dass sich in z-Richtung keine Auflösung ergibt, sondern nur eine Information, ob sich ein bewegtes Objekt in einer bestimmten Ebene, also auf der Höhe der Antenne, befindet. Hier könnten alternativ auch mehrere solcher Antennen für eine feinere Unterscheidung auf unterschiedlichen Höhen, also zum Beispiel z-Koordinaten, verwendet werden. Eine weitere Alternative, um auf die Antenne in der z-Achse verzichten zu können, ist die Verwendung von x-y-Antennen mit stärkerer Richtwirkung in der x-y-Ebene.
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Prinzipiell kann dieses System für beliebige Wellenlängen λ realisiert werden. Je nach der Größe der zu detektierenden bewegten Objekte, der zu erzielenden Auflösung und eventuell auch der Umgebungsbedingungen gibt es einen idealen Frequenzbereich für das Sendesignal 4. Für eine Personendetektion ist eine Frequenz von 5,8 oder eventuell 2,4 Gigahertz am besten geeignet.
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4 stellt schematisch eine zweidimensionale Lokalisierung mit einer beispielhaften Ausführungsform einer Antennenanordnung dar. Wieder sind hier Sendeantennenelemente 3 entlang einer Geraden in x-Richtung angeordnet, welche eine Sendeantenne 13 bilden. Dabei ist im vorliegenden Beispiel eine von der Wellenlänge λ des Sendesignals 4 ungleiche elektrische Länge der Signalleitung gewählt, also die Antennenelemente nicht an Punkten, die im Abstand einer Wellenlänge λ oder eines Vielfachen der Wellenlänge, x·λ, an der Signalleitung beabstandet sind, eingekoppelt. Damit strahlen die Sendeelemente, wie von Phased-Array-Antennen bekannt, in einem bestimmten Winkel φ relativ zu einer Senkrechten auf die Erstreckung der Sendeantenne 13 aus. Auch eine Empfangsantenne, welche im vorliegenden Beispiel in die Sendeantenne 13 integriert ist, ist in diesem Beispiel mit einer bevorzugten Hauptempfangsrichtung, welche einen zweiten Winkel –φ relativ zu einer Senkrechten auf die Erstreckung der Sendeantenne 13 aufweist, versehen. Die Hauptsenderichtung ist in der 4 mit durchgezogenen parallelen Pfeilen gekennzeichnet, die Hauptempfangsrichtung mit gestrichelten parallelen Pfeilen. Wird ein Sendesignal 4’ also beispielsweise an einem bewegten Objekt 2’ reflektiert, so wird der reflektierte Anteil 7’ des Sendesignals 4’ unter dem zweiten Winkel –φ von der Antenne detektiert werden. Der Abstand d zwischen der Sendeposition des Sendesignals 4’ und der Empfangsposition des reflektierten Anteils 7’ des Sendesignals 4’ kann dann zur Bestimmung der Position des bewegten Objektes 2’ in x-Richtung herangezogen werden. Weisen Sende- und Empfangsantennen jeweils Winkel der Hauptsenderichtung beziehungsweise Hauptempfangsrichtung auf, welche betragsmäßig gleich sind, aber das entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen, so liegt die Position des bewegten Objektes 2’ genau in der Mitte zwischen Sendeposition und Empfangsposition. Weisen die Winkel auch einen anderen Betrag auf, so verschiebt sich die Position des bewegten Elements 2’ entsprechend relativ zu den Empfangs- beziehungsweise Sendepositionen. In y-Richtung kann die Position des bewegten Objektes 2’ wie bereits in den anderen FIG beschrieben erfolgen. Somit kann bereits mit einer Antennenanordnung 1 eine Lokalisierung in zwei Dimensionen erfolgen.
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5 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Antennenanordnung. Im gezeigten Beispiel erzeugt eine Signalquelle 5 ein pulsförmiges Sendesignal 4, welches einerseits in eine Mischeinheit 8 und andererseits in eine Sendeantenne 13 eingespeist wird. In der Antenne wird das Sendesignal 4 aufgespaltet und an ein Sendeantennenelement 3 und an ein Verzögerungselement 15, hier als akustischer Oberflächenwellenfilter ausgeführt, weitergeleitet. Nach dem Verzögerungselement 15 gelangt das Signal zu einem Verstärker 17 und wird in weiteren Komponenten optimiert, bevor es wieder aufgespalten wird und einerseits zu einem weiteren Sendeantennenelement 3 und einem weiteren Verzögerungselement 15 geleitet wird. Die Baueinheit, welche aus dem Verzögerungselement 15, dem Verstärker 17, den weiteren Komponenten der Aufteileinheit sowie dem Sendeantennenelement 3 aufgebaut ist, wird als Sendearraystufe 18 bezeichnet. Solch eine Sendearraystufe 18 kann beliebig oft hintereinander seriell geschaltet werden, so dass eine Antennenanordnung 1 mit einer Mehrzahl von elektrisch gekoppelten Sendeantennenelementen 3 entsteht. Am Ende einer solchen Aneinanderreihung muss diese Serienschaltung dann mit einem Endwiderstand 20 abgeschlossen werden. In der FIG sind zwei derartige Sendearraystufen 18 hintereinandergeschaltet.
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Ähnlich ist auch die Empfangsantenne 14 aufgebaut. Ein Empfangsantennenelement 6 ist hier elektrisch mit einem Verstärker 17 gekoppelt, welcher das empfangene Signal über ein Verzögerungselement 15 und weitere Bauteile zur Optimierung des empfangenen Signals an eine Empfangsarraystufe 19 weiterleitet. In der Empfangsarraystufe 19 wird das eingespeiste Signal mit einem Signal, welches von dem zur Empfangsarraystufe 19 gehörigen Empfangsantennenelement empfangen wird, kombiniert und dieses kombinierte Signal seinerseits über einen Verstärker 17 und ein Verzögerungselement 15 an weitere Einheiten zur Optimierung des Signals weitergeleitet. Von dort wird das Signal aus der Empfangsarraystufe 19 herausgeführt. Grundsätzlich kann das Signal aus der Empfangsarraystufe 19 in eine weitere Empfangsarraystufe 19 weitergeleitet werden und so beliebig viele Empfangsarraystufen 19 in Serie geschaltet werden. Im vorliegenden Beispiel wird das Signal jedoch mit einem von einem weiteren Empfangsantennenelement 6 empfangenen Signal zusammengeführt. Dieses zusammengeführte Signal wird in einer letzten Verstärkereinheit 17 nochmals verstärkt, bevor es zur Mischeinheit 8 weitergeleitet wird. In der Mischeinheit 8 wird das Signal aus der Empfangsantenne 14 mit dem Sendesignal 4 aus der Signalquelle 5 überlagert und im gezeigten Beispiel nach dem In-Phase-&-Quadrature-Verfahren eine Amplitude des Doppleranteils vom Signal bestimmt.
