DE102019122612A1

DE102019122612A1 - Radarbewegungsmelder

Info

Publication number: DE102019122612A1
Application number: DE102019122612.0A
Authority: DE
Inventors: Ludger Wilken; Florian Heine
Original assignee: Selux AG
Current assignee: Selux AG
Priority date: 2019-08-22
Filing date: 2019-08-22
Publication date: 2021-02-25

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Bewegungsmelder, welcher insbesondere zur Steuerung von Leuchten im Außenbereich vorgesehen ist. Der Bewegungsmelder umfasst einen Radarsensor, welcher eingerichtet ist, zum Detektieren einer Bewegung ein Radarfeld zu erzeugen und Reflexionen des Radarfeldes zu empfangen. Es ist des Weiteren eine Richteinrichtung vorgesehen, um das Radarfeld auf zumindest einen ersten Detektionsbereich zu richten, so dass Bewegungen nur in dem ersten Detektionsbereich detektierbar sind. Die Richteinrichtung umfasst zumindest eine Hornantenne zum gerichteten Abstrahlen des Radarfeldes auf den ersten Detektionsbereich, wobei insbesondere ein Hohlleiter-Antennensystem (32) vorgesehen sein kann, welches die zumindest eine Hornantenne und zumindest einen Hohlleiter, in den mittels des Radarsensors das Radarfeld einkoppelbar ist, aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Bewegungsmelder, insbesondere einen Radarbewegungsmelder, welcher insbesondere zur Steuerung von Leuchten im Außenbereich dient.
Hintergrund
Für Bewegungsmeldung im Außenbereich werden heute meistens Passiv-Infrarot-(PIR) Bewegungsmelder eingesetzt. Diese haben einen infrarotempfindlichen Sensor, der Wärmeänderungen detektiert. In der Regel wird das Infrarotlicht von einer Fresnel-Linse auf den Sensor gebündelt. Diese Infrarot-Bewegungsmelder sprechen auf die von Objekten und Personen ausgestrahlte Wärme an. Durch Abdeckungen auf den zumeist halbkugelförmigen Fresnel-Linsen werden Bewegungen, die aus diesen Bereichen kommen ausgeblendet und führen nicht zum Einschalten des Lichts. Es gibt heute PIR-Einheiten mit mehreren Sensoren, die in verschiedenen Raumrichtungen ausgerichtet sind, womit es möglich ist für die verschiedenen Raumrichtungen unterschiedliche Detektions-Entfernungen einzustellen.
Im Winter, wenn die Menschen dick eingekleidet sind, wird jedoch nur wenig Wärmestrahlung nach außen abgeben, womit der Infrarot-Sensor gerade wenn es sehr dunkel ist, die Bewegung dieser Person nicht erkennt und die Leuchte nicht anschaltet. PIR-Sensoren haben häufig dünne Fenster zum Beispiel in Form einer Halbkugel. Der PIR Sensor muss durch das Fenster freie Sicht auf die sich bewegenden Objekte haben. Diese Infrarotdurchlässigen Fenster können das Leuchten-Design verschlechtern. Ebenso kann diese Fresnel-Linse sehr leicht bemalt werden, womit die Funktion beeinträchtigt wird und damit die Vandalismus-Sicherheit nicht so groß ist wie bei der Leuchte selbst.
Radarbewegungsmelder haben einige prinzipielle Vorteile gegenüber den zuvor genannten PIR-Bewegungsmeldern. Die ausgestrahlten Mikrowellen, z.B. mit 5,8 GHz, durchdringen dielektrische Materialien, wie fast alle Kunststoffe und Gläser nahezu ungestört. Damit ist es möglich einen Radar-Bewegungsmelder nicht sichtbar in die Leuchte, zu integrieren. Das Aussehen der Leuchte wird nicht verändert. Außerdem bietet die Leuchte nach außen hin keine besonderen „Angriffspunkte“, womit die Vandalismus-Sicherheit der Leuchte durch den Radarsensor nicht verschlechtert wird.
Kostengünstige Radarsensoren basieren zumeist auf dem Continous Wave Verfahren. Ein solcher Radarsensor sendet kontinuierlich Mikrowellen, z.B. mit f₀ = 5,8 GHz aus, und wertet das reflektierte dopplerverschobene Signal, das proportional der Geschwindigkeit v des sich bewegenden Objektes ist, aus. Mit der Lichtgeschwindigkeit c = 3 * 10⁸ m/s berechnet sich die Dopplerfrequenz zu f_D = 2f₀ v/c cos(α). Bei direktem Zugehen auf den Sensor α = 0° und bei 1 Schritt pro Sekunde, d.h. v = 1 m/s ist die Dopplerfrequenz f_D = 37,7 Hz. Elektronische oder digitale Filter werden benutzt, um sehr hohe und sehr niedrige Dopplerfrequenzen auszufiltern. Ebenso kann die Empfindlichkeit des Radarsensors eingestellt werden, d.h. die Amplitude des dopplerverschobenen und gefilterten Signals. Hierbei werden bei Einstellen einer größeren Empfindlichkeit weiter entfernt stattfindende Bewegungen detektiert. Bekannte Radarbewegungsmelder haben eine Leiterplattenantenne, in der Form eines koaxialen Leiters. Ein solcher Radarsensor hat eine sehr breite Ausstrahlungscharakteristik. Der in 1 gezeigte Radarsensor hat bei einem Messabstand von 4 m, bei dem halben Abstand (2 m) eine Breite von 4 m. Das entspricht einem Halbwertswinkel von 127°.
Radarbewegungsmelder mit breiten Empfindlichkeitskurven können für die Bewegungserkennung in Parkhäusern, Fluren, Treppenhäusern eingesetzt werden. Durch dicke Wände wird der Detektionsbereich begrenzt. Die Radarsignale können allerdings dünne Türen und Glasscheiben durchdringen und damit Bewegungen hinter diesen Türen und Glasscheiben detektieren.
Es gibt weiterhin Radarbewegungsmelder mit zwei Sensoren, die in entgegengesetzten Richtungen in einem Winkel von 180° eingestellt sind (2). In diesem Beispiel hat der Radarsensor eine maximale Reichweite von L_M = 8 m und hat bei halbem Abstand eine Breite von etwa 3 m, was einem Halbwertswinkel von Θ_H = 42° entspricht. Dieser Radarbewegungsmelder ist gut geeignet für die beidseitige Bewegungserfassung in längeren Fluren.
Diese Radarsensoren können jedoch nicht auf die Erfordernisse für die Straßen-, Weg- und Parkbeleuchtung eingestellt werden. Sowohl in der horizontalen Richtung als auch in der vertikalen Richtung können die Radar-Wellen Bäume, Sträucher und Grünanlagen beleuchten womit durch Wind erzeugte Bewegungen zum störenden Einschalten des Lichtes führen können.
Zusammenfassung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Radarbewegungsmelder zu schaffen, mit dem es möglich ist die Bewegungen in einem oder mehreren festgelegten Raumbereichen zu erfassen. Er soll vorzugsweise in Leuchten für die Außenbeleuchtung, insbesondere für die Weg- und Straßenbeleuchtung eingesetzt werden. Hierbei sollen Bewegungen von Bäumen und Sträuchern, die sich außerhalb des Weges befinden, nicht bzw. nur im geringen Maße zum Auslösen des Bewegungsmelders führen, während Bewegungen von Personen, die sich in den definierten Raumbereichen bewegen, erkannt werden und zum Einschalten des Lichtes führen sollen.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Bewegungsmelder mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie eine Beleuchtungsvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 10 gelöst.
Gemäß einem Aspekt ist ein Bewegungsmelder, insbesondere ein Radarbewegungsmelder geschaffen, welcher einen Radarsensor umfasst, welcher eingerichtet ist, zum Detektieren einer Bewegung ein Radarfeld zu erzeugen. Der Bewegungsmelder umfasst des Weiteren eine Richteinrichtung, um das Radarfeld auf zumindest einen ersten Detektionsbereich zu richten, so dass Bewegungen nur oder zumindest hauptsächlich in dem ersten Detektionsbereich detektierbar sind. Die Richteinrichtung umfasst zumindest eine Hornantenne, in die mittels des Radarsensors das Radarfeld einkoppelbar, wobei die zumindest eine Hornantenne zum gerichteten Abstrahlen des Radarfeldes auf den ersten Detektionsbereich eingerichtet ist. Die Richteinrichtung kann außerdem zumindest einen Hohlleiter umfassen, über welchen das Radarfeld von dem Radarsensor in die Hornantenne einkoppelbar ist. Die Richteinrichtung kann somit ein Hohlleiter-Antennensystem umfassen.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere für den Außenbereich, geschaffen, welche den Bewegungsmelder sowie zumindest ein Leuchtmittel und eine Steuerung umfasst, wobei der Bewegungsmelder eingerichtet ist, bei Detektion einer Bewegung ein Aktivierungssignal an die Steuerung zu senden, welche wiederum eingerichtet ist, daraufhin das Leuchtmittel zu aktivieren, d.h. insbesondere einzuschalten oder dessen Helligkeit zu erhöhen. Der Bewegungsmelder ist vorzugsweise in einem Gehäuse der Beleuchtungsvorrichtung integriert und ist dadurch von außen nicht direkt zugänglich und nicht sichtbar.
Mittels der Richteinrichtung, insbesondere durch geeignete Ausgestaltung des Hohlleiter-Antennensystems kann das Radarfeld gezielt auf einen gewünschten Detektionsbereich gerichtet werden. Dadurch kann ein ungewolltes Detektieren einer Bewegung, beispielsweise durch die Bewegung eines Baums oder Strauchs, reduziert oder gar vermieden werden.
Die Richteinrichtung kann weiter eingerichtet sein, das Radarfeld des Weiteren auf zumindest einen zweiten Detektionsbereich zu richten. Dazu kann die Richteinrichtung bzw. das Hohlleiter-Antennensystem des Weiteren zumindest eine zweite Hornantenne zum gerichteten Abstrahlen des Radarfeldes auf den zweiten Detektionsbereich sowie vorteilhaft zumindest eine Hohlleiter-Verzweigung umfassen. Der erste und zweite Detektionsbereich können in unterschiedliche Richtungen weisen. Die erste und zweite Hornantenne können beispielweise in einem Winkel von 90° bis 180° angeordnet sein. Insbesondere umfasst der Bewegungsmelder nur einen einzigen Radarsensor, dessen Radarfeld mittels der ersten und zweiten Hornantenne auf unterschiedliche Detektionsbereiche gerichtet werden kann. Zuvor wird das erzeugte Radarfeld in das Hohlleiter-Antennensystem eingekoppelt und über eine geeignete Anordnung von Hohlleitern und zumindest einer Hohlleiter-Verzweigung auf die Hornantennen verteilt, welche das Radarfeld schließlich abstrahlen. Als Hohlleiter-Verzweigung wird dabei ein Teil des Hohlleiter-Antennensystems bezeichnet, über den das Radarfeld aufgeteilt wird, um über zumindest zwei Hornantennen abgestrahlt werden zu können. Dies kann auch Teil eines Hohlleiters selbst oder eine Verbindungsstelle zweier Hohlleiter sein.
In einem Ausführungsbeispiel kann die Richteinrichtung bzw. das Hohlleiter-Antennensystem zumindest eine dritte Hornantenne zum gerichteten Abstrahlen des Radarfeldes auf einen dritten Detektionsbereich aufweisen, wobei die erste, zweite und dritte Hornantenne derart ausgebildet sind, dass mittels des ersten, zweiten und dritten Detektionsbereichs Bewegungen in einem horizontalen Bereich von 360° detektierbar sind. Vorzugsweise im Falle von drei Hornantennen sind diese in einem Winkel von 120° angeordnet. Allgemein sind die Hornantennen vorzugsweise in gleichen Abständen in horizontaler Winkelrichtung angeordnet.
Es kann eine Kurzschlusseinrichtung vorgesehen sein, welche in dem Hohlleiter-Antennensystem lösbar anbringbar ist, um einen Durchgang des Radarfeldes zu einem Teil des Hohlleiter-Antennensystems zu unterbinden, welcher auf einer dem Radarsensor abgewandten Seite der Kurzschlusseinrichtung liegt. Insbesondere falls mehrere Hornantennen vorhanden sind und z.B. eine der Antennen vorübergehend außer Betrieb genommen werden soll, mit anderen Worten, eine Bewegungserfassung in dem entsprechenden Detektionsbereich vorübergehend nicht gewünscht oder erforderlich ist, kann eine entsprechende Kurzschlusseinrichtung in die entsprechende Hornantenne eingebracht werden.
In einem Ausführungsbeispiel kann die Richteinrichtung ein Dielektrikum aufweisen, welches derart angeordnet ist, dass es einen Querschnitt eines Durchgangs der Richteinrichtung zumindest teilweise ausfüllt. Insbesondere kann in dem Hohlleiter-Antennensystem ein Dielektrikum angeordnet sein, welches einen Querschnitt des Hohlleiter-Antennensystems zumindest teilweise ausfüllt, wobei der Hohlleiter vorzugsweise vollständig mit dem Dielektrikum gefüllt ist und sich das Dielektrikum vollständig über den Querschnitt der Hornantenne erstreckt und eine nach außen weisende kugelförmige Oberfläche aufweist. Dadurch können die Abstrahlungseigenschaften positiv beeinflusst werden.
Der Hohlleiter oder die Hornantenne kann zumindest einen Schlitz aufweisen, vorzugsweise mit einer Länge λ / 2 (wobei λ die Wellenlänge der Mikrowellen des Radarfeldes ist), durch den ein Teil des Radarfelds aus dem Hohlleiter-Antennensystem hinausdringen kann. Es können beispielsweise zwei Schlitze vorgesehen sein, welche schräg angeordnet sind, um eine gewünschte zusätzliche Abstrahlung des Radarfeldes zu erreichen.
Der Radarsensor kann eine Elektrode aufweisen, welche sowohl zum Erzeugen als auch zum Empfangen des Radarfelds eingerichtet ist. Alternativ kann der Radarsensor aber auch eine erste Elektrode zum Erzeugen des Radarfeldes und eine zweite Elektrode zum Empfangen des reflektierten Feldes aufweisen. Dabei können die erste Elektrode und die zweite Elektrode jeweils, d.h. getrennt voneinander, mit einer Hornantenne gekoppelt sein, welche vorzugsweise parallel zueinander verlaufen.
Vorzugsweise weist die Hornantenne eine pyramidische Form auf. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Hornantenne eine flache Form aufweist, bei welcher die E-Feldrichtung vorzugsweise vertikal und die H-Feldrichtung vorzugsweise horizontal ausgerichtet ist und sich die Hornantenne in E-Feldrichtung im Querschnitt öffnet und in H-Feldrichtung im Querschnitt konstant ist.
Schließlich kann in einem Ausführungsbeispiel eine Einstelleinrichtung vorgesehen sein um die Reichweite des abgestrahlten Radarfeldes einstellen zu können. Die Einstelleinrichtung kann eine einfache Stellschraube umfassen, welche in den Querschnitt eines Durchgangs der Richteinrichtung, z.B. einen Querschnitt des Hohlleiters einschraubbar ist, um ein eingekoppeltes Radarfeld zu beeinflussen. Durch die Beeinflussung des Radarfeldes, welche gewissermaßen eine Störung darstellt, kann die Reichweite des Radarfeldes eingestellt werden. Je weiter die Stellschraube in den Durchgang bzw. in den Hohlleiter hineinragt, desto geringer ist die Reichweite des Radarfeldes. Abhängig von der Position der Stellschraube im Hohlleiter-Antennensystem kann so die Reichweite einzelner Hornantennen beeinflusst werden.
Figurenliste
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 Stand der Technik: Empfindlichkeitsdiagramm eines Radar-Bewegungsmelders mit großem Halbwertswinkel.
2 Stand der Technik: Empfindlichkeitsdiagramm für Radarbewegungsmelder mit zwei Sensoren, die unter einem Winkel von 180° abstrahlen.
3 Horizontales Empfindlichkeitsdiagramm für eine Leuchte an einem geraden Weg mit einigen Sträuchern mit einem Radarbewegungsmelder mit zwei Sensoren, wobei der erste um 22° und der zweite um 158° bezüglich der Weg-Achse gedreht ist.
4 Vertikales Empfindlichkeitsdiagramm für eine Leuchte mit 1 m Höhe an einem geraden Weg mit einem Radarbewegungsmelder mit zwei Sensoren, die jeweils in der horizontalen mit 22° bzw. 158° auf den Weg gerichtet sind.
5 Stand der Technik: Bauelemente der Hohlleitertechnik.
6: Querschnitt des Bewegungsmelders (5,8 GHz) mit angebauter Antenne, welche in zwei Richtungen unter einem Winkel von α₂ = 15° und α₃ = 165° zur Achse hin, ausgerichtet ist.
7: Foto eines Bewegungsmelders mit einem Sensor und zwei Hornantennen, die um 15° und 165° gegenüber der Wegachse ausstrahlen.
8: Gemessene Empfindlichkeitskurve des Radarsensors (5,8 GHz), bei der Empfindlichkeit 30%, wobei sich der Sensor bei x = y = 0 befindet, und die untere und obere Grenze des Weges durch die Linien angedeutet sind.
9: Querschnitt des Bewegungsmelders (5,8 GHz) mit kapazitiver Kopplung an die Antenne, der in eine Leuchte mit einem inneren Reflektor und einer äußeren zylindrischen Glasscheibe eingebaut ist.
10: Querschnitt der Hohlleiter-Antenne (5,8 GHz) bestehend aus einem Kunststoffgrundkörper, der im Innern mit Metall beschichtet ist und einem eingesetzten Kurzschluss.
11: Radar-Bewegungsmelder (5,8 GHz) mit dielektrisch gefüllter Hohlleiter-Antenne mit äußerer metallischer Beschichtung.
12: Frontansicht auf Radar-Bewegungsmelder (5,8 GHz) mit Hohlleiter-Antenne mit zwei Schlitzen mit einer Länge von λ / 2,
13: Querschnitt des Radar-Bewegungsmelders (24 GHz) mit angebauter Antenne, welche in zwei Richtungen unter einem Winkel von 15° bzw. -165° zur Achse hin, ausgerichtet ist.
14: Doppelte E-Feld-Hornantenne und Sensor, z.B. für 24 GHz, mit einer sehr guten Richtwirkung in der vertikalen Ebene und einer sehr breiten Verteilung in der horizontalen Ebene, wobei hier die eine Elektrode des Sensors und eine E-Feld Hornantenne für die Abstrahlung und die andere für den Empfang der Mikrowellen benutzt wird.
15: Oben Draufsicht, unten Quersicht auf einen Platz mit Bäumen, sowie auf eine Leuchte und Empfindlichkeitsdiagramm des integrierten Bewegungsmelders wobei der horizontale Halbwertswinkel mit Θ_H2 = 95° sehr groß und der vertikale Halbwertswinkel mit Θ_V2 = 15° sehr klein ist.
16: Seitenansicht auf eine Einstelleinheit für 24 GHz, die in das Hohlleiter-Antennensystem des Bewegungsmelders in die einzelnen Arme integriert wird.
17: Schnittansicht von einem Radarbewegungsmelder mit dem Sensor, eines Teiles vom Hohlleiter-Antennensystem mit einem Schraubverbinder (24 GHz).
18: Sicht auf eine Straßenleuchte.
19: Links Draufsicht, rechts partielle Quersicht auf das Empfindlichkeitsdiagramm eines Radarbewegungsmelders zusammen mit den maximalen Entfernungen, den Winkel in der horizontalen und vertikalen Achse, sowie den horizontalen und vertikalen Halbwertswinkeln, welcher in einer 8 m hohe Leuchte eingebaut ist und eine Kreuzung mit vier zulaufenden 8 m breiten Straßen überwachen soll.
20: Draufsicht und Seitenansicht des Radarsensors mit Hohlleiter-Antennensystem mit 24 GHz, der in eine Straßenleuchte mit einer Höhe von 8 m eingebaut und für die Bewegungsdetektion auf einer Kreuzung mit vier zuführenden Straßen mit 8 m Breite vorgesehen ist.
21: Schrägansicht auf eine schematisch dargestellte Straßenleuchte mit integriertem Radarbewegungsmelder (24 GHz) für die Beleuchtung und Bewegungsdetektion an einer Kreuzung und einer unten dargestellten Einheit aus Kunststoff.
22: Sicht auf Gehäuse für die Montage an eine Außenleuchte.
23: Oben Draufsicht und Seitenansicht des Empfindlichkeitsdiagramms zusammen mit den maximalen Entfernungen, den Winkeln in horizontalen und vertikalen Richtung, sowie den horizontalen und vertikalen Halbwertswinkeln eines Radarbewegungsmelders, der die Bewegungen auf den in T-förmiger Weise zulaufenden 6 m breiten Straßen detektieren soll und sich in einem Modul befindet, welches von unten an eine 5 m hohe Straßen-Leuchte montiert ist.
24: Magic-T Hohleiter Verteiler für 24 GHz mit den eingetragenen Winkeln.
25: Gehäuse mit ausgeblendetem Gehäuseoberteil mit integriertem Radar Bewegungsmelder (24 GHz) für den Anbau an eine 5 m hohe Leuchte zur Bewegungserkennung auf eine T-förmige Kreuzung mit 6 m breiten Straßen bis zu Entfernungen von 20 m.

Radarsensoren arbeiten mit Mikrowellen im Frequenzbereich zwischen einigen zehn MHz und bis zu einigen hundert GHz. Sie arbeiten in der Regel in frei gegebenen Frequenzbereichen, z.B. 2,4 GHz, 5,8 GHz, 24 GHz und 77 GHz und auch 122 GHz. Es gibt eine Vielzahl von Anwendungen für Radarsensoren. Hierzu gehört die Bewegungsverfolgung von Flugzeugen oder die Geschwindigkeitsermittlung von Autos. Ebenso werden mit Radarsensoren Füllstände in Behältern gemessen. Heute werden im Automobilbereich Radarsensoren mit 24 GHz und 77 GHz mit hoher Reichweite und getrennt einstellbaren horizontalen und vertikalen Abstrahlwinkeln für die Kollisionsvermeidung eingesetzt. Für das autonome Fahren, werden ortsauflösende Radar-Bewegungsmelder entwickelt. Radar-Bewegungsmelder, die in Innenleuchten eingesetzt werden arbeiten zumeist mit dem continous wave (CW) Verfahren und benutzen Frequenzen im Bereich von 5,8 GHz, 10,5 GHz und 24 GHz.
Radarbewegungsmelder, die in der Platz-, Weg- und Straßenbeleuchtung integriert werden sollen, müssen für sehr unterschiedliche Bedingungen einstellbar sein. Eine Leuchte kann zum Beispiel neben einem geraden Weg in einem Park stehen. Sie kann aber ebenso an einer Wegabbiegung oder an einer Wegkreuzung stehen. Es ist auch denkbar, dass die Leuchten an einer Seite einen ebenen Weg und auf der anderen Seite die Bewegung auf einen ansteigenden Weg erfassen sollen. Ebenso soll die Bewegung auf Straßen und unterschiedlichen Kreuzungen erfasst werden. Das bedeutet schließlich, dass je nach örtlicher Situation, einer, zwei, drei, vier oder mehr Bereiche vorhanden sein können, die unterschiedliche Richtungen aufweisen und auf denen Fußgänger, Fahrradfahrer, Autos, Lkw und dergleichen in unterschiedlichen Entfernungen detektiert werden sollen.
In einem ersten Beispiel (3) soll in einer Standleuchte, wie einem Poller z.B. in Form einer zylindrischen Leuchte mit einer Höhe von z.B. 1 Meter (m) ein Radarbewegungsmelder integriert werden. Dieser Poller soll einen geraden Weg im Park beleuchten. Der Abstand der Leuchte vom Weg ist 0,3 m und die Wegbreite 3 m. Ab einer Entfernung von 7 m links und rechts des Pollers auf dem Weg soll der Bewegungsmelder die Leuchte anschalten.
Eine Möglichkeit der Realisierung besteht darin, die in 2 gezeigte Anordnung so zu verändern, dass die zwei Radarsensoren etwas zum Weg gedreht werden. Hier werden der eine Sensor um 22° und der andere Sensor um 158° bezüglich der Weg-Achse gedreht. Die horizontale Empfindlichkeitskurve der beiden Radarsensoren liegt in großen Teilen auf dem Weg, während nur ein kleiner Teil dieser Empfindlichkeits-Kurve im Bereich der Leuchte außerhalb des Weges liegt. Im oberen Bereich des Weges würde die Leuchte bei einer Entfernung von 7,5 m anschalten und im unteren Bereich des Weges bei etwa 6 m. Das vertikale Empfindlichkeitsdiagramm in 4 zeigt, dass der obere Bereich der Empfindlichkeitskurve eine Höhe von etwa 2,5 m hat, was noch unterhalb der Äste des Baumes liegt.
Die Wahl von zwei oder mehreren Radarsensoren ist jedoch kostenintensiv. In das Gehäuse müssen vorzugsweise in der Nähe der Außenwandungen Halterungen für die Sensoren integriert werden. Es müssen zwei Sensor mit mindestens zwei Schrauben oder ähnliche Einheiten befestigt werden. Ebenso müssen die Sensoren mit mindestens zwei Leitungen verbunden und auch getestet werden.
Erfindungsgemäß wird hier eine Lösung vorgestellt, bei der nur ein Radarsensor eingesetzt wird, und die Ausstrahlungscharakteristik durch eine Antenne so geformt wird, dass Bewegungen innerhalb der ausgewählten Bereiche detektiert und Bewegungen außerhalb dieser Bereiche nicht oder nur wenig detektiert werden. Hierzu wird ein Hohlleiter-Antennensystem bereitgestellt.
In der Mikrowellentechnik werden zur Übertragung der Mikrowellen häufig Hohlleiter eingesetzt. Dieses sind unter anderem rechteckige Rohre mit der Breite a und der Höhe b. Damit sich freie Wellen im Hohlleiter, z.B. eine TM01 Welle ausbreiten kann, soll die Breite a = λ / 2 sein, was bei 5,8 GHz etwa 26 mm ist. Die Höhe sollte mindestens b = a / 2 und wird für das folgende Ausführungsbeispiel auf b = a gesetzt. Mit einer Hohlleiter T-Verzweigung (5, links oben) ist es möglich, die Hohlleiterwellen in zwei Bereichen und mit einem Magic-T (5, rechts oben) in drei Bereiche aufzuteilen. Durch Schrauben in den einzelnen Pfaden ist es möglich die Amplitude der Hohlleiterwellen einzustellen oder in den jeweiligen Pfad die Anpassung einzustellen. Winkelstücke (5, links unten) werden schließlich benutzt, um die Hohlleiterwellen in einem Winkel von z.B. 90°, zu drehen. Andere Dreh-Winkel sind ebenso möglich. Pyramidische Hornstrahler (auch als Hornantennen bezeichnet; 5, rechts unten) werden benutzt, um die Hohlleiterwellen abzustrahlen. Hierbei wird ausgenutzt, dass durch die Aufweitung der Wände der Wellenwiderstand des Hohlleiters an den Wellenwiderstand des Vakuums mit 377 Ohm angepasst wird. Durch die Länge sowie die Aufweitung der Hornantenne in Breite und Höhe wird die Richtwirkung oder der Halbwertswinkel eingestellt.
Erfindungsgemäß werden die Grundbauelemente der Hohlleitertechnik so vereint und dimensioniert, dass der Radarbewegungsmelder ausreichend klein und so aufgebaut ist, dass er in eine gewünschte Leuchte integriert werden kann und auch die gewünschte Ausstrahlungscharakteristik entsteht.
Für den in 3 gezeigten Weg soll ein Radarbewegungsmelder geschaffen werden, der in einen Poller integriert werden kann (6). Ein Radarsensor 1 wird bereitgestellt und gegebenenfalls auf eine gewünschte Empfindlichkeit, z.B. von 30% eingestellt. Mithilfe des DALI Signals wird ein LED-Treiber angesteuert, welcher eine LED-Platine betreibt. Der Deckel des Radarsensors wird abgenommen. Der obere Bereich wird gestrichelt dargestellt. Es wird eine T-Verzweigung bzw. eine Y-Verzweigung 2 mit drei Armen aus 0.4 mm dickem Kupferblech aufgebaut. Bei einer Arbeitsfrequenz von f = 5.8 GHz ist die Vakuumwellenlänge λ = 51.6 mm. Für die freie Ausbreitung einer TM01 Welle wird die minimale Innenseitenlänge a₂ = b₂ = a₃ = b₃ = 26 mm ≅ λ / 2 für die Arme A₂ und A₃ gesetzt. Die beiden Arme 2 und 3 haben gegenüber der Achse eine Verdrehung von α₂ = 15° und α₃ = 165° und die Höhe h₂ = h₃ = 11 mm. Der Arm A₁ wird direkt auf den Außenleiter 2 des Radarsensor im Bereich 3 aufgelötet. Er hat eine Seitenlänge von a₁ = b₁ = 20 mm und eine Höhe von h₁ = 9 mm. Durch die Elektrode 4 am Radarsensor mit einem Kreis-Durchmesser von 15 mm werden die Mikrowellen kapazitiv in den Hohlleiter eingekoppelt. Auf die Hohlleiterarme A₂ und A₃ werden zur Abstrahlung der Wellen in den freien Raum pyramidische Hornantennen 5 mit den äußeren Seitenlängen von a_H2 = b_H2 = a_H3 = b_H3 = 50 mm und der Höhe h_H2 = h_H3 = 20 mm aufgesetzt.
Im Idealfall wird mit dieser pyramidischen Hornantenne eine maximale Richtwirkung von etwa 9 dBi erreicht.
Für die Messung wird der Radar-Bewegungsmelder mit der Antenne in einen großen Raum an der Position x = y = 0 aufgestellt. Durch Zugehen auf den Sensor mit etwa 1 Schritt pro Sekunde, was etwa 2 m/s entspricht, solange bis der Sensor anspricht, werden die Abstände zum Sensor bzw. die x und y Koordinaten gemessen, an denen der Sensor das Licht anschaltet. Für eine Anzahl von Messungen ergibt sich die in 8 dargestellte Empfindlichkeitskurve. Ebenso dargestellt ist die obere und untere Grenze des 3 m breiten Weges, der einen Abstand von 0,3 m zum Bewegungsmelder hat. Es ist erkennbar, dass der Weg im linken und rechten Bereich gut mit Mikrowellen bestrahlt wird. Das Entfernungs-Maximum auf der linken Seite bei -7,9 m hat einen Winkel von 14° gegenüber der Wegachse. Auf der rechten Seite bei 6,7 m hat das Maximum einen Winkel von etwa 15°. Das ist in guter Übereinstimmung mit den Konstruktionswerten. Es ist erstaunlich, dass trotz der kurzen Längen der Arme bei der Y-Verzweigung mit h₂ = h₃ = 11 mm < λ / 4 die gute Richtwirkung erreicht wird.
Es ist erkennbar, dass die Antenne bezüglich der Ausrichtungsachsen einen größeren Anteil nach vorne ausstrahlt. Aufgrund eines leicht asymmetrischen Aufbaus der Antenne ist die Empfindlichkeit im rechten Weg-Bereich etwas kleiner als linken Bereich. Ebenso zeigt die Empfindlichkeit Kurve, dass auch im negativen Bereich, z.B. bei y = - 1,5 m und x = 3 m, Bewegungen erkannt werden. Durch weitere Optimierungen lässt sich dieser Bereich noch verkleinern.
Durch die Erhöhung der Empfindlichkeit auf z.B. 45% vergrößert sich die maximale Reichweite auf etwa 11 m und die Breite nach vorne auf 4 m.
Bei dem in 7 gezeigten Bewegungsmelder wird das Gehäuse geöffnet und die Antenne auf der Platine aufgelötet. In einer Weiterentwicklung wird die Antenne daher so modifiziert, dass das Gehäuse des Bewegungsmelders geschlossen bleiben kann. Die Hohlleiter-Antenne wird so ausgeformt, dass das Gehäuse möglichst weit mit dem Metall der Antenne umschlossen wird (6) und zwar mindestens so weit, dass der Außenleiter des internen Sensors komplett eingehaust wird, was hier einer Länge von 5 mm entspricht (10). Um eine bessere Abschirmung zur Seite und eine bessere kapazitive Kopplung zwischen der Antenne und dem Außenleiter des Sensors zu erzielen, wird die Seitenlänge möglichst groß gewählt, z.B. 20 mm.
Dieser Bewegungsmelder wird in den Poller, also die zylinderförmige Leuchte integriert ( 10). Diese Leuchte hat im Innern einen Reflektor 7, der aus einem Kunststoff, z.B. PE oder PC besteht und mit einem elektrisch nichtleitenden, z.B. chromfarbenen Lack beschichtet ist. Außen besteht diese Leuchte aus einem zylinderförmigen lichttransmittierenden Material 8, das elektrisch isolierend ist, z.B. Plexiglas.
Der Einbau des Bewegungsmelders in der Leuchte (9) und ebenso die kapazitive Kopplung ergeben, dass die Empfindlichkeitskurve deutlich kleinere maximale Entfernungen hat. Durch den Kunststoffreflektor 7 und die Plexiglasscheibe 8 entstehen zusätzliche Reflexionen und stehende Wellen. Durch die Veränderung der Höhe h₁ (9) ist es möglich, die Impedanz der Hohlleiter-Antennensystems an die Impedanz des Sensors anzupassen. Hierbei wird die Länge h₁ so vergrößert oder verkleinert, dass die Entfernung der Empfindlichkeitskurve maximal wird. Der Einspeise-Hohlleiter kann hier als Phasenschieber betrachtet werden. Alternativ ist es auch möglich, eine Metallschraube in diesen Bereich einzuführen, um diese Anpassung vorzunehmen. Im Ausführungsbeispiel wird die Länge h₁ von 9 mm auf 3 mm reduziert.
Das im Beispiel gezeigte Hohlleiter-Antennensystem besteht aus 0,4 mm dickem Kupferblech, was den Vorteil bietet, dass es manuell leicht hergestellt, leicht gebogen und mit Weichlot verlötet werden kann. Um Aufwendungen für die Herstellung zu reduzieren, wird vorgeschlagen, dass das Hohlleiter-Antennensystem (10) aus einem Kunststoff, z.B. PE, PC hergestellt wird (10) und von innen mit Metall 11 wie Aluminium oder Kupfer beschichtet wird. Die Herstellung des Kunststoffgrundkörpers kann kostengünstig im 3D-Druck oder im Spritzgussverfahren erfolgen. Ebenso kann die Beschichtung mit einer dünnen und dichten Metallschicht mit einer Dicke von 1 µm bis 20 µm mit PVD, CVD oder anderen Verfahren preisgünstig realisiert werden.
Bei der Detektion von Bewegungen auf Wegen ist es in manchen Fällen erforderlich, nur auf einer Seite des Weges Bewegungen zu detektieren. In diesem Fall ist es möglich, nachträglich durch das Einbringen eines Kurzschlusses 12 (10) die Ausstrahlung aus diesem Arm, zu unterbinden. Dieser Kurzschluss soll im Abstand kλ/2 + λ/4, wobei k = 0, 1, 2, ... ist, bezüglich des Zentrums in den Hohlleiter eingebracht werden. Durch geeignete Kontakteeinheiten soll ein guter HF sicherer Kontakt zu der Metallfläche realisiert werden. Eine Möglichkeit ist der Einsatz von HF leitendem Schaumstoff an der Seitenfläche, des Kurzschlusses. Durch eine Haltevorrichtung 13 ist es möglich, diesen Kurzschluss sehr einfach in den Hohlleiter einzustecken.
Die Hohlleiter-Antenne in 10 hat jedoch noch relativ große Abmessungen. Sie passt in eine Leuchte, bei der im Innern ein freies zylindrisches Volumen mit einem Durchmesser von 87 mm vorhanden ist. Durch Wahl kleinerer Höhen beim T-Verteiler h₂, h₃ und bei den pyramidischen Hornantennen h_H2, h_H3 und auch durch kleinere Seitenlängen bei der Hornantenne aH2, bH2, aH3, bH3 kann man die Abmessungen verkleinern, nimmt hiermit aber eventuell eine Verschlechterung der Abstrahlungseigenschaften in Kauf. Durch den Aufbau einer dielektrisch gefüllten Hohleiter-Antenne ist es möglich, bei ähnlichen Eigenschaften, die Abmessungen, zu verkleinern. Das gewählte Dielektrikum habe die Dielektrizitätskonstante ε_r. Die minimalen Seitenabmessungen des Hohlleiters für die Ausbreitung einer TM01 Welle berechnen sich durch $α_{2} = α_{3} = λ / (2 \sqrt{ε_{r}}) .$
PTFE oder Teflon wird in der Mikrowellentechnik wegen seiner geringen Verluste und seiner frequenzunabhängigen Dielektrizitätskonstante mit ε_r = 2,1 häufig verwendet. Etwas größere Dielektrizitätskonstanten können zum Beispielmit LCP (liquid crystal polymer) mit ε_r = 3,0 erreicht werden. Wird LCP mit Glass oder Keramik gefüllt können noch deutlich höhere Dielektrizitätskonstanten erreicht werden, z.B. hat das LCP E130id bei 1 GHz ein ε_r = 3,95.
Für das Ausführungsbeispiel wird LCP mit ε_r = 3,0 benutzt, womit für eine Frequenz von 5,8 GHz a₂ = a₃ = b₂ = b₃ = 15 mm gesetzt wird. In 11 ist ein Radarbewegungsmelder mit einem dielektrisch gefüllten Hohlleiter-Antennensystem 14 gezeigt. Um eine möglichst guten Übergang vom Dielektrikum in Luft zu erreichen, hat das Dielektrikum im Bereich der pyramidischen Hornantenne eine kugelförmige Oberfläche 15 mit einem Radius von 24,5 mm. Das Dielektrikum bzw. der isolierende Körper können kostengünstig mit einem 3D-Drucker oder im Spritzguss-Verfahren hergestellt werden. Dieses Kunststoffbauteil wird von außen mit Metall 16 wie Aluminium oder Kupfer beschichtet. Hierzu können bekannte Techniken wie PVD oder CVD benutzt werden. Gegenüber der Beschichtung einer Innenfläche wie oben besteht der Vorteil, dass diese Beschichtung deutlich einfacher realisiert werden kann. Dieses Kunststoffbauteil wird so gestaltet, dass es das Gehäuse des Bewegungsmelders umgibt 17. Im Bereich der pyramidischen Hornantenne ist der Kunststoffbereich verlängert 18. Er stellt die Halterung für die metallische Grenzfläche dar. Im Ergebnis kann der Bewegungsmelder in eine Leuchte mit einem freien Innendurchmesser 19 von 68 mm eingebaut werden.
Die Empfindlichkeitskurve in 8 zeigt, dass an der Position x = 0 die maximale Entfernung nach vorne nur y = 1,7 m beträgt. Durch die Integration eines oder mehrerer Schlitze im vorderen Bereich des Hohlleiter-Antennensystems wird ein Teil der Mikrowellen nach vorne ausgestrahlt, womit dort die Entfernung in y-Richtung bei kleinen x-Abständen vergrößert werden kann, z.B. auf 3 m. Damit ist es möglich, auch den Weg vor der Leuchte mit Mikrowellen zu bestrahlen und dort Bewegungen zu erkennen, während nur in kleinen Bereichen außerhalb des Weges störende Bewegungen detektiert werden.
In 12 ist die Frontansicht auf den Querschnitt in 9 gezeigt. Im Hohlleiterbereich sind zwei schräg gestellte Schlitze 20 mit der Länge λ / 2 = 26 mm und der Breite 1 mm gezeigt, durch die ein Teil der Mikrowellen aus dem Hohlleiter im vorderen Bereich nach außen dringen kann. Alternativ ist es auch möglich, diese Schlitze im vorderen Bereich der Hornantennen an den Armen A₂ und A₃ einzubringen.
Der Radarbewegungsmelder mit der dielektrisch gefüllten Hohlleiter-Antenne, der aktuell in der Leuchte ein minimales zylinderförmiges Volumen mit einem Durchmesser von etwa 66 mm verlangt, kann in den Abmessungen noch ein wenig weiter reduziert werden, aber letztendlich werden die minimalen Abmessungen durch die Arbeitsfrequenz des Radarsensors hier 5,8 GHz bzw. die Vakuum-Wellenlänge mit 51,7 mm bestimmt. Eine signifikante Verkleinerung wird durch die Wahl höherer Arbeitsfrequenzen möglich. Als Bespiel wird hier f = 24 GHz mit eine Vakuumwellenlänge von λ = 12,5 mm gewählt. Hiermit kann beim Hohlleiter, der die Ausbreitung einer TM01 Welle gewährleisten soll, die minimale Innenseitenlänge a₂ = b₂ = a₃ = b₃ = 6,3 mm ≈λ / 2 und eine Höhe von h₂ = h₃ = 5 mm verwendet werden.
Für das Ausführungsbeispiel mit 24 GHz soll ein Bewegungsmelder für den in 3 gezeigten Weg geschaffen werden. Die Mikrowelle wird wieder in eine T- oder Y-Verteilung eingekoppelt (13), wobei α₂ = 15 ° und α₃ = 165° bezüglich der Wegachse ist. Bei der Antenne auf dem Sensor beträgt der Durchmesser der Elektrode 3,6 mm und der Außendurchmesser 4,8 mm. Es wird a₁ = b₁ = 5 mm und h₁ = 4 mm gesetzt. Die pyramidische Hornantenne hat die Abmessungen a_H2 = b_H2 = a_H3 = b_H3 = 12,6 mm und die Höhe h_H2 = h_H3 = 5 mm. Die berechnete maximale Richtwirkung beträgt ähnlich wie im oberen Beispiel etwa 9 dBi. Im Ergebnis passt der Radar-Bewegungsmelder für 24 GHz in eine Leuchte mit einem freien Innendurchmesser von 28 mm.
Ähnlich wie oben in 11 gezeigt, kann auch hier ein dielektrisch gefüllter Hohlleiter eingesetzt werden. Hierbei kann der Kunststoffgrundkörper durch 3D-Druck oder Spritzguss hergestellt werden. Die metallische Beschichtung der äußeren Oberfläche kann kostengünstig mit bekannten Beschichtungsmethoden realisiert werden. Ebenso ist es möglich, Schlitze in die Metallschicht einzubringen, womit es möglich ist, einen kleinen Teil der Mikrowellenstrahlung nach vorne abzustrahlen. Ebenso ist es möglich, einen Kurzschluss zu gestalten, der einen Ausgang verschließt.
In den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen wurden Sensoren mit einer Elektrode eingesetzt, bei der die Mikrowellenstrahlung über die gleiche Elektrode gesendet und empfangen wird. Zur Trennung wird intern ein Koppler benutzt, der die empfangene bzw. rücklaufende Welle von der gesendeten hinauslaufenden Welle trennt. Um eine bessere Trennung zwischen gesendeter und empfangener Welle zu erzielen, ist es möglich, die beiden Einheiten getrennt aufzubauen. In dem Ausführungsbeispiel wird der Sensor 21 (14) mit zwei Elektroden 22, 23 und eine Antenne mit zwei parallelen Hornantennen 24 und 25 eingesetzt. Der Sensor wird auf die beiden Öffnungen 26 und 27 an den Hornantennen angeflanscht.
Eine weitere Anwendung ist die Detektion von Bewegungen auf einen großen Platz vor der Leuchte. Hierfür wird ein großer Halbwertswinkel in horizontaler Richtung und ein kleiner Halbwertswinkel in der vertikalen Richtung benötigt (15). Dieses kann mit einem Bewegungsmelder mit einer Antenne die in zwei Richtungen ausstrahlt, wobei die Ausrichtung der beiden Arme, z.B. mit 45° und 135° eingestellt wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine sektorielle pyramidische Hornantenne einzusetzen.
Im Ausführungsbeispiel 14 wird eine E-Feld-Hornantenne eingesetzt. Beim Hohlleiter ist die E-Feldrichtung vertikal ausgerichtet und festgelegt durch die Seitenlänge a₂ = 6,3 mm ≈ λ / 2 während die H-Feldrichtung horizontal ausgerichtet ist mit b₂ = 3,9 mm. Die E-Feld-Hornantenne öffnet sich in E-Feldrichtung, das heißt hier (14) nach oben und unten auf a_H2 = 50 mm über eine Höhe h_H2 = 77 mm, während die H-Feldrichtung die horizontale Breite konstant bleibt, bei b_H2 = b₂ = 3,9 mm. Im Ergebnis hat der hiermit realisierte Bewegungsmelder einen sehr großen horizontalen Halbwertswinkel Θ_H2= 95° und einen kleinen vertikalen Halbwertswinkel von Θ_V2 =15° (15). Bei einer Leuchtenhöhe bzw. Höhe des Radarsensors von 1 m beträgt bei einem Abstand von etwa 8 m die Höhe des Empfindlichkeitsbereiches nur 2,5 m was in der Regel unterhalb der Äste liegt, womit Bewegungen dieser Äste nicht erfasst werden. In der horizontalen Richtung werden dagegen Bewegungen in einem sehr großen Bereich mit einer Tiefe von 20 m und einer Breite von bis zu +/- 12 m erfasst.
In einer Weiterentwicklung dieser Konfiguration ist es möglich, zwei Hornantennen im Winkel von 180° bzw. drei Hornantennen im Winkel von 120° zu setzen über eine T-Verteiler bzw. über ein Magic-T zu verbinden. Damit lässt sich ein Radarbewegungsmelder realisieren, der in der horizontalen Richtung über 360° Bewegungen erfassen kann, wobei in der vertikalen Richtung der Halbwertswinkel weiterhin 15° beträgt. Mit diesem Radarbewegungsmelder kann eine in der Mitte eines Platzes stehende Leuchte die Bewegungen auf diesem Platz erfassen.
Bei den Bewegungsmeldern wird in der Regel die Entfernung über die abgestrahlte Mikrowellen-Leistung oder über die Empfindlichkeit des empfangenen Signals eingestellt. Das kann elektronisch über Potentiometer, Trimmer oder andere Bauelemente erfolgen. Diese Größe kann z.B. über Funk wie Bluetooth vom Smartphone und anderen Einheiten digital eingestellt werden.
Bei den hier beschriebenen Radar-Bewegungsmeldern, die auch in zwei oder mehreren Richtungen ausgerichtet sind, kann es sein, dass durch Fertigungstoleranzen, die Entfernungen in den einzelnen Richtungen unterschiedlich sein können. Ebenso kann es sein, dass die Entfernungen in den einzelnen Richtungen unterschiedlich sein sollen. Unterschiedliche Entfernungen werden durch eine Einstelleinheit realisiert, welche in die einzelne Arme des Hohlleiter-Antennensystems integriert werden.
In dem hier vorgestellten Beispiel besteht die Einstelleinheit aus einem Stück Hohlleiter 28 mit einer definierten Länge, z.B. λ / 2 (16). In der Mitte bei λ / 4 befindet sich ein metallischer Stift 29, z.B. aus Kupfer, der bis zu einer bestimmten Tiefe in den Hohlleiter eingeführt wird. Dieser Stift kann ein Gewindestift mit einem metrischen Gewinde sein, z.B. mit einem Gewindedurchmesser von 2 mm. Auf den Hohlleiter ist eine passende Mutter 30 metallisch kontaktiert. Wenn der Stift nicht in den Hohlleiter eintritt, also T_s = 0 mm ist, wird das Feld im Hohlleiter nicht gestört, und die Entfernung in diesem Arm ist maximal. Wenn der Stift in den Hohlleiter eintritt also T_s > 0 mm ist, wird das Feld im Hohlleiter gestört, es entstehen höhere Wellen-Moden, die einen höheren Wellenwiderstand darstellen und letztlich ohne wesentliche ohmsche Verluste einen Teil der Welle reflektieren. In der Folge nehmen mit zunehmender Tiefe des Stiftes die Reflektionen zu und die Entfernungen bei diesem Arm, auf dem der Bewegungsmelder Bewegungen detektiert, werden kleiner. Durch Messungen kann herausgefunden werden, wie groß die Verringerung des maximalen Abstandes in Abhängigkeit von der Tiefe T_s des Stiftes ist. Damit ist es schließlich möglich, den Stift in der Fertigung definiert auf ein bestimmtes Maß einzustellen.
Es sind einige weitere Techniken aus der Mikrowellentechnik bekannt, um solche Einstelleinheiten zu realisieren. Damit ist es auch möglich, Einstelleinheiten mit kürzerer Bauform umzusetzen.
Der hier entwickelte Radarbewegungsmelder ist kostengünstig und flexibel einsetzbar. Er soll in Außenleuchten für die Weg- und Platzbeleuchtung mit niedriger Höhe, als auch in Leuchten mit großer Bauhöhe, für die Straßen- und Kreuzungsbeleuchtung eingesetzt werden. Im Idealfall soll für alle Anwendungen der gleiche Radarsensor benutzt werden. Die sehr unterschiedlichen Ausstrahlungscharakteristiken sollen durch unterschiedliche Hohlleiter-Antennensysteme realisiert werden. In der Grundidee wird der Sensor in die Leuchte montiert und das passende Antennensystem wird auf den Sensor gesetzt. Hierzu ist eine geeignete elektrische und mechanische Schnittstelle zwischen dem Sensor und dem Hohlleiter-Antennensystem erforderlich. In der Mikrowellentechnik gibt es diverse Schnittstellen-Lösungen. Hier im Ausführungsbeispiel soll basierend auf bekannten Schraubsteckverbinder, zum Beispiel SMB, ein Verbinder verwendet werden.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist in 17 eine Schnittansicht von einem Sensor 31 mit der Einkoppeleinheit vom Hohlleiter-Antennensystem 32 gezeigt. Der Arm 1 vom zuführenden Hohlleiter ist hier als Rohr mit einem Innendurchmesser mit 5 mm realisiert. Auf diesem Rohr mit einer Wandstärke von 2 mm wird eine Kopfmutter 33 mit einem metrischen Gewinde mit 10 mm aufgeschoben, die oben eine Reduzierung zu einem Durchmesser von 7,2 mm hat. Im Rohr des Arms 1 ist eine Nut mit einer Tiefe und Breite von 1 mm eingebracht. In dieser Nut wird ein Sprengring oder Federring 34 mit einer Breite von 2 mm und einer Dicke von 0,9 mm eingesetzt. Dieser Federring fixiert die Kopfmutter. Auf den Sensor befindet sich ein rohrförmiges Teil 35 mit einem metrischen Gewinde mit einem Durchmesser von 10 mm. Schließlich wird das Hohlleiter-Antennensystem auf den Sensor aufgesetzt und mit der Mutter festgeschraubt.
Als Ausführungsbeispiel soll der Radarbewegungsmelder (18) in eine Straßenleuchte 40 mit einer LED-Platine 41 im Design einer Trillerpfeife eingebaut werden. Hierzu eignet sich der hintere Bereich 42 in welchem sich unter anderem der LED-Treiber befindet mit den äußeren Abmessungen 246 x 120 x 103 mm. Diese Leuchte soll an einem Mast mit einer Höhe von 8 m montiert werden und eine Kreuzung mit vier zuführenden Straßen, wobei die Straßen eine Breite von 8 m haben und die vier zuführenden Straßen einen Winkel von jeweils 90° zueinander haben, beleuchten. Der integrierte Radarbewegungsmelder soll auf der Kreuzung Bewegungen bis zu einer Entfernung von etwa 20 m erfassen.
In 20 sind die Empfindlichkeitskurven eingetragen. Die maximalen Entfernungen sollen I₁ = 22 m, I₂ = 28 m, I₃ = 28 m, I₄ = 22 m sein. Die erforderlichen horizontalen und vertikalen Halbwertswinkel sind Θ_H1 = Θ_H1 = Θ_H3 = Θ_H4 = Θ_V1 = Θ_V2 = Θ_V3 = Θ_V4 = 45°. Die horizontalen Winkel zur Leuchten-Achse betragen α₁ = 68°, α₂= 150°, α₃ = 210°, α₄= 292° und die Winkel zur vertikalen Achse β₁= β₂ = β₃ = β₄ = 15°.
Erfindungsgemäß wird für den Radarbewegungsmelder, der in die Leuchte nach 18 integriert wird und der Bewegungen auf der Kreuzung nach 19 erfassen soll, ein Hohleiter-Antennensystem mit vier Armen vorgeschlagen (20). Dieser Radarbewegungsmelder besteht aus dem Radarsensor 43, einem Haupt-T-Verteiler 44 mit dem rohrförmigen Arm und der Kopfmutter 45, zwei gleich langen Hohlleitern 46 mit einer Länge von 31,5 mm, zwei Winkelhohlleiter 47 und 48 mit einem Winkel von 20,5° in der horizontalen Ebene bezüglich der Ausbreitungsachse und zwei Winkelhohlleiter 49 und 50 mit einem Winkel von 15° in der vertikalen Ebene. Schließlich folgen zwei unterschiedliche T-Verteiler. Der eine T-Verteiler 51 ist so aufgebaut, dass er mit dem Arm 2 den Ausstrahlungswinkel von 68° und Arm 3 den Winkel 150° bezüglich der Leuchten Achse realisiert. Der andere T-Verteiler 52 realisiert mit dem Arm 3 den Winkel 210° und mit Arm 2 den Winkel 292°. Es folgen vier Einstelleinheiten 53, 54, 55 und 56. Die vier gleich aufgebauten pyramidischen Hornantennen 57, 58, 59 und 60 haben die Seitenlängen a_H1 = b_H1 = a_H2 = b_H2 = a_H3 = b_H3 = a_H4 = b_H4 = 25.2 mm sowie eine Höhe von h_H1 = h_H2 = h_H3 = h_H4 = 15.2 mm der Halbwertswinkel für die Empfindlichkeitskurve Θ_H1 = Θ_H2 = Θ_H3 = Θ_H4 = Θ_V1 = Θ_V2 = Θ_V3 = Θ_V4 = 45° erzielt wird. Die Einstelleinheiten 53, 54, 55 und 56 werden erst voll geöffnet, womit Ts = 0 mm ist. Am Haupt-V-Verteiler 44 kann über die Länge des Rohres 61 am Arm 1 die Impedanz Hohlleiter-Antennensystems an die Impedanz des Radar-Sensors angepasst werden. Eine optimale Anpassung ist erreicht, wenn die Entfernung maximal ist. Für das Finden der optimalen Anpassung ist es möglich auf das Rohr vom Sensor Zwischenringe bekannter Dicke zu legen. Die Empfindlichkeit des Radarsensors wird so eingestellt, dass die maximale Entfernung I₂ = 28 m bzw. I₃ = 28 m wird. Anschließend werden die Einstellschrauben so eingestellt, dass die Entfernungen I₁ = 22 m, I₂ = 28 m, I₃ = 28 m, I₄ = 22 m sich ergeben. Mithilfe der Haltevorrichtungen 62 kann der Radarbewegungsmelder auf eine ebene Fläche befestigt werden.
Für die Integration dieses Radarbewegungsmelders in die Leuchte in 18 ist es erforderlich, dass die Mikrowellen im Bereich der pyramidischen Hornantennen ungehindert und mit geringen Reflexionen nach außen abgestrahlt werden können. Folglich sollen sich im Bereich der Mikrowellen-Ausstrahlung möglichst keine metallischen bzw. elektrisch leitenden Materialien befinden. Vorzugsweise sollten Kunststoffe wie Polycarbonat, Polyethylene oder auch Glass eingesetzt werden. In den Mikrowellen-Ausstrahlungs-Bereichen sollte die Grenzfläche glatt und möglichst dünn sein, z.B. 3 mm. Ebenso sollten keine Verstrebungen und Verdickungen in diesem Bereich vorhanden sein.
Der Radar-Bewegungsmelder aus 20 wird in die Straßenleuchte aus 18 integriert. In diese eher schematisch gezeigte Straßenleuchte (21) ist der Radarbewegungsmelder 63 auf ein Montageblech 64 montiert. Mechanische Befestigungen und dergleichen sind nicht gezeigt. Unten gezeigt ist das Austrittsfenster 65 aus Kunststoff, z.B. Polycarbonat. Dieses hat im Bereich der Antenne eine weitgehend homogene Dicke, z.B. 3 mm (nicht gezeigt). In Straßen-Leuchten sind für Wartungszwecke normalerweise Einheiten eingebaut, die es ermöglichen, die Leuchte nach unten zu öffnen. Mit einer derart geöffneten Leuchte ist es möglich die Einstelleinheiten 53, 54, 55 und 56 am Radar-Bewegungsmelder, zu justieren.
Zum Energieeinsparen, zur Reduzierung der Wartungskosten und für die Verbesserung der Performance werden in Straßenleuchten Steuerungen eingesetzt, die häufig funkbasierte Systeme für die Kommunikation mit der Außenwelt haben. Das kann GSM sein, bei Frequenzen im Bereich von z.B. 890 bis 930 MHz, Bluetooth oder WLAN bei 2,4 GHz, LoRa-Wan bei 433 MHz oder 863 MHz oder GPS für Geodaten und Uhrzeit bei 1,1 GHz bis 1,5 GHz. Da die Gehäuse von Straßenleuchten in der Regel aus Metall sind, womit der Einbau der Antennen zu undefinierten Ausstrahlungsverhalten führt, wurden externe hochfrequenzdurchlässige Gehäuse und Steckverbinder für Straßenleuchten entwickelt und nach dem Zhaga Book 18 standardisiert. Diese Gehäuse (22) bestehen aus einer Grundplatte 71 und einem Gehäuseoberteil 72 aus Kunststoff, z.B. Polycarbonat. Es gibt verschiedene Größen. Hier ausgewählt ist das Gehäuse mit einem Durchmesser von 80 mm. Ein bei TE Connectivity verfügbares Gehäuse hat ein Gehäuseoberteil mit einem maximalen Außendurchmesser von 69,5 mm und einer Gehäusehöhe von etwa 58 mm. Über den vierpoligen Steckverbinder können ein DALI Signal und eine Versorgungsspannung von der Leuchte in das Gehäuse übertragen werden. Diese Zhaga Book 18 Gehäuse können unten an eine Leuchte montiert werden. Damit eignen sich diese Gehäuse für den Einbau eines RadarBewegungsmelders.
In diesem Ausführungsbeispiel soll der Radar-Bewegungsmelder in das Zhaga Book 18 Gehäuse (21) integriert werden. Dieser Radar-Bewegungsmelder soll an eine 5 m hohe Leuchte montiert werden und die Bewegungen auf einer T-förmigen Kreuzung mit Straßenbreiten von 6m auf einer auf allen Wegen gleichen Länge von etwa I₁ = I₂ = I₃ = 20 m detektieren. Aus dem Empfindlichkeitsdiagramm in 23 lässt sich ablesen, dass für diese Anwendung für alle drei Arme die horizontalen und der vertikalen Halbwertswinkel Θ_V1 = Θ_V2 = Θ_V3 = Θ_H1 = Θ_H2 = Θ_H3 = 30° betragen. Die horizontale Drehwinkel bezüglich der Straßenachse betragen α₁ = 17°, α₂ = 90° und α₃ = 163°. Die Drehwinkel in der vertikalen Achse sind alle gleich mit β₁ = β₂= β₃ = 15°.
Zur Realisierung einer möglichst kleinen Bauform wird ein Magic-T verwendet (24). Die Länge der Arme beträgt 6,3 mm und die Ausrichtung der Arme in der horizontalen Richtung beträgt 17°, 90° und 163° bezüglich der Achse. In der vertikalen Richtung hat die rohrförmige Koppeleinheit einen Winkel von 15° zur Achse. Da das wasserdichte Zhaga 18 Gehäuse nicht geöffnet werden soll, ist es nicht möglich, eine Einstelleinheit (16) zu verwenden. Der vollständige Radar-Bewegungsmelder ist in 25 gezeigt. Hierin ist 73 der Magic-T-Verteiler und 75 der Radarsensor, der mit der Mutter 76 an dem Magic-T-Verteiler angeschraubt wird. Die drei gleich aufgebauten pyramidischen Hornantennen 74 haben die Tiefen h_H2 = h_H2 = h_H3 = 22 mm und die Breiten und Höhen a_H1 = b_H1 = a_H2 = b_H2 = a_H3 = b_H3 = 30 mm. Damit ergibt sich theoretisch eine maximale Richtwirkung von etwa 14 dBi, was einem Halbwertswinkel von etwa 30° entspricht. Der Radar-Bewegungsmelder wird mit der Haltevorrichtung 78 und der Grundplatte 77 auf die Grundplatte 71 des Zhaga 18 Gehäuses montiert. Wie oben wird die Entfernung über Empfindlichkeit elektronisch eingestellt.
Mit den hier vorgestellten Techniken können Hohlleiter-Antennensysteme für sehr unterschiedliche Anwendungen gebaut werden. Es ist möglich verschiedenen horizontale α₁, α₂, ... und vertikale β₁, β₂, ... Drehwinkel zu realisieren. Ebenso ist es möglich die unterschiedliche vertikale Θ_V1, Θ_V2, ... sowie horizontalen Halbwertswinkel Θ_H1, Θ_H2 ... umzusetzen. Mit der Einstelleinheit, können über die Einstellung der Tiefe T_s1, T_s2, ... sehr unterschiedliche Entfernungen I₁, I₂, ... eingestellt werden. Damit können Radarbewegungsmelder geschaffen werden, die Bewegungen auf Kreuzungen mit 1, 2, 3, 4 oder mehr zuführenden Straßen erfasst werden können. Diese Straßen können sehr unterschiedliche Winkel haben. Hierin eingeschlossen sind auch Wege, die sich in unterschiedlichen Winkeln, bis 90° biegen. Ebenso ist es durch die Wahl eines passenden vertikalen Drehwinkels möglich Bewegungen auf stark abfallenden oder ansteigenden Wegen oder Straßen, wie diese in hügeligen Regionen vorhanden sind, zu erfassen. Wobei für alles gilt, das Bewegungen, die außerhalb der Wege, Straßen, Plätze und Kreuzung liegen, nicht, beziehungsweise kaum erfasst werden, womit die Bewegung von Bäumen, Ästen und Zweigen durch Windbewegungen nicht, oder kaum zu störenden Einschalten des Lichtes führen.
Durch dielektrisch gefüllte Hohlleiter und durch eine metallische Beschichtung können die Abmessungen des Hohlleiter-Antennensystems reduziert werden. Deutliche Kostenreduzierungen lassen sich durch den Einsatz von Kunststoff-Spritzguss oder 3D-Druck erreichen und der Beschichtung mit Metall wie Aluminium oder Kupfer, mit PVD, CVD oder elektrolytischer Abscheidung. Hier wurden rechteckige Hohlleiter und pyramidische Hornantennen vorgestellt. Diese sind sehr einfach im Aufbau, können leicht hergestellt und die Ausstrahlungscharakteristiken können relativ einfach berechnet werden. Es ist ebenso möglich zylindrische Hohlleiter und konische Hornantennen, zu verwenden. Es ist ebenso möglich Platinen mit Array-Antennen mit entsprechender Richtwirkung, zu verwenden und entsprechend der hier vorliegenden Beschreibung auszurichten. Durch eine weitere Erhöhung der Frequenz, z.B. auf 77 GHz kann die Baugröße des Radarbewegungsmelders weiter reduziert werden. Insgesamt kann mit der Anwendung dieser Erfindung je nach Anwendung und Gehäuse ein bezüglich der Baugröße, Performance und den Kosten optimaler Radarbewegungsmelder geschaffen werden.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen sowie der Zeichnung offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.

Claims

Bewegungsmelder, umfassend einen Radarsensor, welcher eingerichtet ist, zum Detektieren einer Bewegung ein Radarfeld zu erzeugen, wobei der Bewegungsmelder des Weiteren eine Richteinrichtung umfasst, um das Radarfeld auf zumindest einen ersten Detektionsbereich zu richten, so dass Bewegungen nur in dem ersten Detektionsbereich detektierbar sind, wobei die Richteinrichtung zumindest eine Hornantenne umfasst, in welche mittels des Radarsensors das Radarfeld einkoppelbar ist, wobei die zumindest eine Hornantenne zum gerichteten Abstrahlen des Radarfeldes auf den ersten Detektionsbereich eingerichtet ist.
Bewegungsmelder nach Anspruch 1, wobei die Richteinrichtung ein Hohlleiter-Antennensystem (32) umfasst, welches die zumindest eine Hornantenne und zumindest einen Hohlleiter umfasst, über welchen das Radarfeld von dem Radarsensor in die Hornantenne einkoppelbar ist.
Bewegungsmelder nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Richteinrichtung eingerichtet ist, das Radarfeld des Weiteren auf zumindest einen zweiten Detektionsbereich zu richten, wobei die Richteinrichtung dazu des Weiteren zumindest eine Hohlleiter-Verzweigung und zumindest eine zweite Hornantenne zum gerichteten Abstrahlen des Radarfeldes auf den zweiten Detektionsbereich umfasst, wobei der erste und zweite Detektionsbereich vorzugsweise in unterschiedliche Richtungen weisen.
Bewegungsmelder nach Anspruch 3, wobei die erste und zweite Hornantenne in einem Winkel von 90° bis 180° angeordnet sind, oder wobei die Richteinrichtung zumindest eine dritte Hornantenne zum gerichteten Abstrahlen des Radarfeldes auf einen dritten Detektionsbereich aufweist und die erste, zweite und dritte Hornantenne derart ausgebildet sind, so dass mittels des ersten, zweiten und dritten Detektionsbereichs Bewegungen in einem horizontalen Bereich von 360° detektierbar sind, wobei die erste, zweite und dritte Hornantenne vorzugsweise in einem Winkel von 120° angeordnet sind.
Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, des Weiteren umfassend eine Kurzschlusseinrichtung, welche in der Richteinrichtung lösbar anbringbar ist, um einen Durchgang des Radarfeldes zu einem Teil der Richteinrichtung zu unterbinden, welcher auf einer dem Radarsensor abgewandten Seite der Kurzschlusseinrichtung liegt.
Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Richteinrichtung ein Dielektrikum aufweist, welches derart angeordnet ist, dass es einen Querschnitt eines Durchgangs der Richteinrichtung zumindest teilweise ausfüllt, wobei sich das Dielektrikum vorzugsweise vollständig über den Querschnitt der Hornantenne erstreckt und eine nach außen weisende kugelförmige Oberfläche aufweist.
Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Richteinrichtung zumindest einen Schlitz, vorzugsweise mit einer Länge λ / 2 aufweist, durch den ein Teil des Radarfelds aus der Richteinrichtung hinausdringen kann.
Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Radarsensor eine Elektrode aufweist, welche sowohl zum Erzeugen als auch zum Empfangen des Radarfelds eingerichtet ist, oder wobei der Radarsensor (21) eine erste Elektrode (22) zum Erzeugen und eine zweite Elektrode (23) zum Empfangen aufweist, wobei die erste Elektrode (21) und die zweite Elektrode (22) jeweils mit einer Hornantenne (24, 25) gekoppelt sind, wobei die Hornantennen vorzugsweise parallel zueinander verlaufen.
Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Hornantenne eine pyramidische Form aufweist oder wobei die Hornantenne eine flache Form aufweist, bei welcher die E-Feldrichtung vorzugsweise vertikal und die H-Feldrichtung vorzugsweise horizontal ausgerichtet ist und sich die Hornantenne in E-Feldrichtung im Querschnitt öffnet und in H-Feldrichtung im Querschnitt konstant ist.
Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, des Weiteren umfassend eine Einstelleinrichtung, welche eingerichtet ist, eine Reichweite des abgestrahlten Radarfeldes einzustellen, wobei die Einstelleinrichtung vorzugsweise eine Stellschraube umfasst, welche in den Querschnitt eines Durchgangs der Richteinrichtung einschraubbar ist, um ein eingekoppeltes Radarfeld zu beeinflussen.
Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere für den Außenbereich, umfassend einen Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche sowie zumindest ein Leuchtmittel und eine Steuerung, wobei der Bewegungsmelder eingerichtet ist, bei Detektion einer Bewegung ein Aktivierungssignal an die Steuerung zu senden, welche wiederum eingerichtet ist, daraufhin das Leuchtmittel zu aktivieren, wobei der Bewegungsmelder vorzugsweise in einem Gehäuse der Beleuchtungsvorrichtung integriert ist.