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Image generating radar system

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DE19511982A1
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DE1995111982
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Christian Dipl Ing Krimmer
Roland Prof Dr Fischer
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Daimler AG
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Abstract

A radar system has a transmitter of high frequency signals that are propagated with an antenna array of superconducting elements. The reflection from an object (8) is directed back through a lens (3) on to the array (2). The antenna array can be constructed up to 10 m in diameter, and the elements can be cooled by liquid nitrogen. The lens will vary in size depending upon the application. For road vehicle use a diameter of 5-30 cm is appropriate, and for aircraft a diameter of up to 60 cm. Appropriate frequencies are in the range of 60-100 GHz.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für ein bildgebendes Radar nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to an arrangement for an imaging radar according to the preamble of claim 1.

Die bisher bekannten Radargeräte arbeiten nach einem räumlichen Abtastprinzip. The previously known radars operate on a spatial scanning principle. Das bedeutet, daß ein Strahlenbündel mit relativ kleinem Öffnungswinkel einen bestimmten Raumwinkel in der Zeit abtastet und die aus den verschiedenen Raumwinkeln kommenden Signale nach ihrer Laufzeit gestaffelt auf einem Bildschirm angezeigt werden. That is, a beam having a relatively small opening angle scans a certain space angle in the time and coming from the different solid angles signals are graded according to their maturity displayed on a screen.

Für ein Radar, welches zur Erkennung und Identifizierung von Objekten im Nahbereich von 10-500 m eingesetzt werden soll, ist dieses Prinzip nicht unbedingt optimal. For a radar which is to be used for the detection and identification of objects at close range from 10 to 500 m, this principle is not necessarily optimal. Insbesondere da kein Rundsichtradar benötigt wird, sondern nur ein Gerät, welches die Objekte in einem kleinen Raumwinkelbereich, welcher in Vorwärtsrichtung eines Fahrzeugs, Flugzeugs oder Schiffes liegt, interessant ist. In particular, since there is no surveillance radar is required, but only a device that is the object of interest in a small solid angle range, which is located in the forward direction of a vehicle, aircraft or ship. Es hat sich gezeigt, daß supraleitende Antennen als Empfangsantennen hervorragend geeignet sind. It has been found that superconducting antennas are outstandingly suitable as receiving antennas.

Supraleitende Antennen sind beispielsweise aus der Veröffentlichung von H. Chaloupka, et al.: "Miniaturized High-Temperature Superconductor Microstrip Patch Antenna" aus IEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 39, No. Superconducting antennas are, for example, from the publication by H. Chaloupka, et al .: "Miniaturized High-Temperature Superconductor Microstrip Patch Antenna" from IEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 39, No. 9, Sept. 1991, S. 1513-1520, bekannt. 9, Sept. 1991, pp 1513-1520, is known.

Eine allgemeine Einführung findet sich in Meinke, Gundlach: "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik", 4. Auflage, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Tokio, 1968, S. N46-N61. A general introduction is found in Meinke, Gundlach: "Handbook of High Frequency Technology", 4th Edition, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo, 1968, p N46-N61.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung für ein bildgebendes Radar anzugeben, welche in einem relativ kleinen Raumwinkelbereich eine möglichst gute Abbildung der sich dort befindenden Objekte ermöglicht. It is therefore an object of the invention to provide an arrangement for an imaging radar, which enables the best possible image of the objects located there in a relatively small solid angle range.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst. This object is achieved by said in the characterizing part of claim 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Further developments of the invention are specified in the subclaims.

Die Erfindung eignet sich für die automatische Steuerung von Fahrzeugen, insbesondere zur Identifizierung von Hindernissen, welche ein Gefahrenmoment darstellen können und in der einfachsten Ausführung als Abstandsradar im Straßenverkehr. The invention is suitable for automatic control of vehicles, in particular for the identification of obstacles which may pose a potential danger and in the simplest embodiment as distance radar in traffic.

Die Mikrowellenstrahlung wird vom Sender zunächst auf ein Antennenarray abgebildet, welches beispielsweise in der Brennebene einer Linse liegt. The microwave radiation is first mapped from the transmitter to an antenna array, which is for example in the focal plane of a lens. Die Einzelantennen des Arrays empfangen dabei bereits ein Signal, welches eine Ortsauflösung ermöglicht. The individual antennas of the array thereby receiving already a signal which enables spatial resolution. Die Sendeantenne wird beispielsweise als Hornantenne hinter dem Antennenarray angebracht. The transmitting antenna is attached, for example, as a horn antenna behind the antenna array. Zum Umsetzen der empfangenen Strahlung wird die durch die Empfangsantennen aufgenommene Mikrowellenenergie der Sendeantenne verwendet. For converting the received radiation, received by the receiving antennas microwave energy to the transmitting antenna is used. Der Sender ersetzt dabei den Lokaloszillator. The station replaces the local oscillator. Die Zuführung der Lokaloszillatorfrequenz erfolgt durch die Sendeantenne im Freifeld. The supply of the local oscillator frequency effected by the transmission antenna in the free field. Zur Erzeugung der Zwischenfrequenz können nichtlineare Bauelemente direkt in die Antenne integriert werden. To generate the intermediate frequency non-linear components can be integrated directly into the antenna. Die Leitungen von den Einzelempfangsantennen zum Demodulator führen nur noch die Zwischenfrequenz. The lines from the individual receiving antennas to the demodulator only cause the intermediate frequency. Bei Verwendung von Supraleitern für die Antennen- und Umsetzerstrukturen lassen sich aufgrund der geringen Verluste des Supraleiters sehr kleine Antennendimensionen realisieren. When using superconductors for the antenna and converter structures can be implemented very small antenna dimensions due to the low losses of the superconductor. Damit wird die Ortsauflösung verbessert ohne daß die Systemleistung verringert wird. Thus, the spatial resolution is improved without the system performance is reduced.

Wenn die Zwischenfrequenzzuleitungen zu den Einzelantennen parallel ausgeführt werden, wirken sie wie ein Polarisationsgitter. When the intermediate frequency leads are executed in parallel with the individual antennas, they act like a polarizing grid. Sie lassen elektromagnetische Wellen mit elektrischen Feldkomponenten senkrecht zur Leiterstruktur mit geringer Dämpfung passieren. Let electromagnetic waves with electric field components pass perpendicular to the conductor pattern with little attenuation. Damit ist eine bessere Diskriminierung von Fremdstrahlung möglich. Thus a better discrimination of foreign radiation is possible.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. The invention is explained hereinafter with reference to the drawing.

Dabei zeigt: In which:

Fig. 1 die grundlegende Anordnung; FIG. 1 shows the basic arrangement;

Fig. 2 die Art der Einspeisung mit einem Hohlleiter; Figure 2 shows the nature of feed with a hollow waveguide.

Fig. 3 die Speisung über einen Spiegel; Fig. 3, the supply of a mirror;

Fig. 4 das Prinzip der Kühlung des Antennenarrays; Figure 4 shows the principle of cooling of the antenna array.

Fig. 5 ein Blockschaltbild der Antenne; Figure 5 is a block diagram of the antenna.

Fig. 6 das Prinzip des Strahlengangs; Figure 6 shows the principle of the beam path.

Fig. 7 Beispiele für Antennen und Fig. 7 are examples of antennas and

Fig. 8 das Prinzip des Mischers. Fig. 8 shows the principle of the mixer.

Die grundlegende Anordnung ist in Fig. 1 dargestellt. The basic arrangement is shown in FIG. 1. Die vom Sender 1 ausgestrahlten Wellen werden durch das Array 2 nur unwesentlich absorbiert. The emitted by the transmitter 1 waves are absorbed only slightly by the array. 2 Sie erzeugen dort aber eine Spannung, welche sonst durch einen lokalen Oszillator erzeugt werden müßte, um die empfangenen Signale zu demodulieren. But they create there a voltage which would be generated by a local oscillator otherwise, to demodulate the received signals. Die Wellen gelangen dann über die Linse 3 zum Objekt, von dem sie reflektiert werden. The waves then pass through the lens 3 to the object from which they are reflected. Sie gelangen dann wieder über die Linse 3 auf das Antennenarray 2 . You then return via the lens 3 on the antenna array. 2

In Fig. 2 ist dargestellt, wie die Wellen aus einem Hohlleiter über eine Kollimatorlinse 4 durch das Array 2 auf die Linse 3 abgebildet werden. In Fig. 2 is shown how the waves from a waveguide are imaged via a collimator lens 4 by the array 2 to the lens 3. Die Linse 3 ist je nach Einsatzbereich verschieden groß. The lens 3 is of different size depending on the application. Für Kfz-Einsatz hat sie einen Durchmesser von 5-30 cm, für Flugzeuge sollte der Durchmesser etwas größer sein und etwa 60 cm betragen. For automotive use, they amounted to a diameter of 5-30 cm, for aircraft the diameter should be slightly larger and about 60 cm. Eine größere Linse bedeutet höheren Gewinn der Einzelantennen und höhere Direktivität. A larger lens means higher profit of the individual antennas and higher directivity. Als Material für die Linse kommen Materialien wie Teflon, Saphir, Quarz u. As the material for the lens materials come & such as Teflon, sapphire, quartz. ä. in Frage. ä. in question. Die Wellen im Frequenzbereich von 60-100 GHz sollen die Linse möglichst verlustfrei durchlaufen. The waves in the frequency range of 60-100 GHz are to pass through the lens loss as possible. Dabei sind Frequenzen von 60 GHz für kurze Entfernungen aufgrund der hohen Dämpfung in der Atmosphäre interessant. Here frequencies of 60 GHz short-range due to high attenuation in the atmosphere are interesting. Außerdem findet nur eine geringe Störung durch Geräte mit gleicher Frequenz statt. Furthermore, only a low interference from devices with the same frequency takes place. Der Bereich von 100 GHz und darüber ist interessant für hohe Auflösungen, soweit Bauteile verfügbar sind, welche für diese hohe Frequenz geeignet sind. The range of 100 GHz and above is interesting for high resolutions, as far as components are available which are suitable for this high frequency.

Abhängig von Auflösung und "Tiefenschärfe" werden die Abstände zwischen Antennenarray und Linse zweckmäßig im Bereich von 1,5-30 cm gewählt. Depending on resolution and "depth of focus" the distances between the antenna array and lens are appropriately selected in the range of 1.5-30 cm.

Zur Zeit sind Antennenarrays von bis zu 10 cm Durchmesser technisch realisierbar. There are antenna arrays technically feasible up to 10 cm in diameter. Man wird selbstverständlich die Arrays einsetzen, welche die höchste Auflösung und die größte wirksame Fläche aufweisen. It will, of course, to use the array that have the highest resolution and the largest effective area. Um eine möglichst große Auflösung zu erzielen, werden supraleitende Einzelantennen eingesetzt. In order to achieve the maximum resolution, superconducting individual antennas are used.

Um die Anordnung etwas zu verkürzen, wird die Fokussierung der vom Sender ausgesandten Wellen durch einen Hohlspiegel 5 fokussiert (siehe Fig. 3). In order to shorten the arrangement something that focus the waves emitted by the transmitter by a concave mirror 5 is focused (see Fig. 3).

Das supraleitende Antennenarray wird mittels Gas aus einem Kryostaten gekühlt. The superconducting antenna array is cooled from a cryostat by means of gas. Die entsprechende Anordnung zeigt Fig. 4. Die Wände 6 und 7 des Dewargefäßes für die Kühlung sind für die hochfrequenten Wellen durchlässig. The corresponding arrangement is shown in Fig. 4. The walls 6 and 7 of the dewar for cooling are permeable to the high-frequency waves. Im Dewargefäß herrschen Temperaturen in der Nähe des Siedepunkts von flüssigem Stickstoff. In dewar temperatures are near the boiling point of liquid nitrogen.

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild der Einzelantenne. Fig. 5 shows a block diagram of the single antenna. Die vom frequenzmodulierten Sender ausgehenden Wellen gelangen vom Strahler 1 zum Mischer und über den Umweg über das Ziel und die Empfangsantenne ebenfalls zum Mischer. Emanating from the frequency modulated transmitter waves to travel from the source 1 to the mixer and through the detour over the target and the receiving antenna also to the mixer. Dort wird die Zwischenfrequenz im Basisband erzeugt und in einem weiteren Teil der Elektronik ausgewertet. There, the intermediate frequency is generated at baseband and evaluated in another part of the electronics. Daraus lassen sich dann die für diesen Bildpunkt wichtigen Informationen über die Dopplerverschiebung und die Phasenlage, dh Geschwindigkeit und Laufzeit bestimmen. This can then be important for this pixel information on the Doppler shift and the phase position, ie determine speed and runtime. Die Bildwiedergabe auf einem Bildschirm kann außer der Intensität der Bildpunkte aufgrund einfacher Berechnungen auch die Entfernung der Objekte umfassen, beispielsweise mit Farben (rot = nah, blau = fern). The images displayed on a screen can except the intensity of the pixels comprise the basis of simple calculations, the distance of the objects (close = red, blue = Remote) including colors. Das abgestrahlte Signal muß dazu natürlich moduliert sein, entweder in einem Pulscode, oder nach einem Amplituden-, Frequenz-, oder Phasenmodulationsverfahren. The radiated signal must of course be modulated to be either in a pulse code, or after an amplitude, frequency, or phase modulation method. Die Geschwindigkeit kann mit einer Blinkfrequenz dargestellt werden. The speed can be displayed with a flashing frequency.

Der prinzipielle Strahlengang ist in Fig. 6 dargestellt. The principal optical path shown in Fig. 6. Der Sendezweig ist so aufgebaut, daß die vom Strahler 1 ausgehenden Wellen die Linse 3 durchlaufen. The transmit path is constructed such that emanating from the source 1 waves passed through the lens. 3 Auf diese Weise sind sie bereits vor dem Ziel 8 sehr stark divergent. In this way, they are very strong divergent before the goal. 8 Die am Ziel 8 reflektierten Wellen gelangen wiederum über die Linse 3 auf das Antennenarray 2 , in welchem die Mischung und Bildung der Zwischenfrequenz erfolgt. The reflected waves pass at the target 8 to turn on the lens 3 on the antenna array 2, in which the mixture and formation of the intermediate frequency.

In Fig. 7 sind einige Beispiele für Antennen aufgeführt: In Fig. 7, some examples of antennas are listed below:

  • a) eine Schmetterlingsantenne mit BIAS-Zuleitung + ZF-Leitung, a) a biconical antenna with bias supply line + IF line,
  • b) ein Mischer, welcher als Josephson-Kontakt 9 ausgeführt ist und b) which is designed as a Josephson junction 9, a mixer and
  • c) ein Mischer als Hybrid mit einer Halbleiterdiode 10 . c) a mixer as a hybrid with a semiconductor diode 10th

Die leitenden Teile der Antenne bestehen aus supraleitendem Material. The conductive parts of the antenna are composed of superconducting material. Für die beiden Ausführungsformen 7 b und 7 c sind in Fig. 8 noch einmal die prinzipiellen Schaltungen gezeigt. For the two embodiments 7 b and 7 c are again shown the principal circuits in Fig. 8. Das Empfangssignal wird zu dem Signal vom Lokaloszillator LO addiert, an dem nichtlinearen Bauelement 9 bzw. 10 gemischt und damit die Zwischenfrequenz erzeugt. The received signal is added to the signal from the local oscillator LO, mixed to the non-linear element 9 and 10, respectively, thereby generating the intermediate frequency. Diese wird in der oben beschriebenen Weise weiterverarbeitet. This is further processed in the manner described above.

Die supraleitenden Arrays haben eine hohe Auflösung, die durch elektrisch kleine Einzelantennen erreicht wird. The superconducting arrays have a high resolution, which is achieved by electrically small individual antennas. Durch die hohe Güte der in Resonanz betriebenen Antennen ist das Verkleinern der Antennen möglich, ohne die Systemleistung zu vermindern. The high quality of the resonance antennas operated in the downsizing of the antenna is possible without reducing the system performance. Anpassungsnetzwerk und Resonanzstruktur sind in der Antenne verwirklicht. Matching network and resonating structure are implemented in the antenna.

Zur Zeit ist eine Auflösung von 50-200 Bildpunkten wirtschaftlich durchführbar. At present, a resolution of 50 to 200 pixels is economically feasible. In Zukunft werden allerdings wesentlich höhere Auflösungen zur Verfügung stehen. In the future, however, considerably higher resolutions are available. Dazu kann gegebenenfalls die Sendefrequenz erhöht werden und Wellenlängen von der Größenordnung von 1 mm und darunter verarbeitet werden. For this purpose, the transmission frequency may optionally be increased and wavelengths of the order of 1 mm and processed below. Damit wäre auch eine Verbesserung der Auflösung bis zum Faktor 10 ohne weiteres gegeben. Thus improving the resolution up to a factor of 10 without further would be given.

Claims (6)

1. Anordnung für ein bildgebendes Radar mit einem Sender und einem Empfänger mit einem supraleitenden Antennenarray, dadurch gekennzeichnet, daß die von einem Objekt ( 8 ), reflektierten Signale von einer Linse ( 3 ) auf das Array supraleitender Antennen ( 2 ) zur Bilderzeugung fokussiert werden und daß zum Senden und Empfangen Eintritts- und Austrittsapertur durch die gleiche Linse ( 3 ) bestimmt sind. 1. An arrangement for an imaging radar with a transmitter and a receiver with a superconducting antenna array, characterized in that from an object (8), signals reflected by a lens (3) to the array of superconducting antennas (2) are focused for imaging and that are intended for transmitting and receiving entry and exit aperture through the same lens (3).
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Antennenarray ( 2 ) sich im Feld der vom Sender kommenden Wellen befindet und daß auf diese Weise das Signal eines für die Signalverarbeitung notwendigen lokalen Oszillators (LO) übertragbar ist. 2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the antenna array (2) is located in the field coming from the transmitter waves and that in this manner the signal of a necessary for the signal processing local oscillator (LO) is transferable.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenfrequenz-Zuleitungen zu den einzelnen Antennen parallel ausgeführt sind und als Polarisationsgitter für die elektromagnetischen Wellen und deren Feldkomponenten senkrecht zur Leiterstruktur mit geringer Dämpfung durchlassen. 3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the intermediate frequency supply lines are run in parallel to the individual antennas and transmit a polarizing grid for the electromagnetic waves and having field components perpendicular to the conductor pattern with little attenuation.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Objekt ( 8 ) reflektierten Signale von der Linse ( 3 ) ein sofort entstehendes Bild ergeben, dessen Auflösung durch die Anzahl der Einzelantennen pro cm² gegeben ist. 4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the from the object (8) reflected signals from the lens (3) give an immediate arising image whose resolution is given by the number of antennas per cm².
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzen der verwendeten Wellen im Bereich von 60 bis 100 GHz liegen. 5. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the frequencies of the waves used in the range of 60 to 100 GHz are.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Linse ( 3 ) und Antennenarray ( 2 ) im Bereich von 1,5 bis 30 cm gewählt ist. 6. An arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the distance between the lens (3) and antenna array (2) in the range of 1.5 to 30 cm is selected.
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