DE19525477C2 - Zweikanal-Monopulstransceiver - Google Patents

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Monopulstransceiver und besonders auf derartige Transceiver zur Verwendung in einem System zur Vermeidung von Fahrzeug­ kollisionen.

Monopulsempfänger sind im Stand der Technik bekannt. Sie werden typischerweise in Radarsystemen verwendet, in denen ein kontinuierliches RF- bzw. Radiofrequenzsignal erzeugt wird und eine reflektierte Rückgabe von einem bewegten Ziel im Antennenmischer, Oszillatorradarsystem detektiert wird. Der Monopuls-Antennenempfänger erhält einen Richtungssinn für das Ziel.

Wenn ein Monopulstransceiver bei hohen Frequenzen wie in der Größenordnung von 24 Gigahertz benötigt wird, sind ein hoher Wirkungsgrad und niedrige Verluste erforderlich, um einen effektiven Empfänger mit geringem Rauschen bereit­ zustellen.

US 5,201,065 zeigt einen Millimeterwellentransceiver mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.

Aus US 5,017,931 ist eine Mikrostreifenantenne bekannt, bei der mehrere Felder von abstrahlenden Elementen vorgesehen sind. In­ nerhalb eines Feldes sind die abstrahlenden Elemente in Reihen und Spalten angeordnet und kammartig miteinander verbunden.

In US 4,318,107 ist ein Monopuls-Radargerät mit Summen- und Differenzmischern offenbart.

In der DE 195 23 805 A1 wird eine Antenne mit hohem Wirkungsgrad beschrieben, die in einem Radarsystem zur Vermeidung von Fahrzeugkollisionen besonders wirkungsvoll ist.

Mit einem Zweikanal-Monopulstransceiver gemäß der Erfindung wird ein Empfänger mit niedrigen Verlusten erhal­ ten, der zur Verwendung in einem bei sehr hohen Frequenzen in der Größenordnung von 24 Gigahertz arbeitenden System zur Vermeidung von Fahrzeugkollisionen besonders effektiv sein kann.

Dies wird in einer Form der Erfindung durch Verwenden einer planaren Mikrostreifenantenne vom Typ wie in der vorher erwähnten ebenfalls anhängigen Patentanmeldung erreicht. In einer derartigen Antenne wird ein Hauptfeld in zwei Teile geteilt, um links und rechts befindliche Felder aus patch- bzw. strahlenden Elementen zu erzeugen. Diese befinden sich auf einem Substrat auf dessen einer Seite und sind durch Gitter von Bahnen auf dem Substrat verbunden. Die jeweiligen Gitter sind mit Einspeisungspunkten verbun­ den, die durch die Antennenplatte zu einer im wesentlichen planaren Transceiverschaltung verlaufen, die sich auf der anderen, gegenüberliegenden Seite der Platte befindet.

Die Mikrostreifenschaltung enthält einen RF-Oszilla­ tor, ein Paar Mikrostreifen-RF-Mischer, einen reaktiven Teiler und einen zwischen den Antennen-Einspeisungspunkten und den RF-Mischern geschalteten 180°-Mikrostreifen-Hybrid­ koppler. Mit einem Mikrostreifen-Summen- und Differenz­ signalerzeuger wird RF-Leistung vom Oszillator auf symme­ trische Weise effizient in die jeweiligen Antennenfelder eingekoppelt und Rücksignale werden von den Feldern effi­ zient in die jeweiligen RF-Mischer eingekoppelt. Dies erzeugt eine Amplitudensumme der RF-Rücksignale, die an einen Summenkanal-RF-Mischer gekoppelt wird und erzeugt ebenfalls eine Amplitudendifferenz der Rücksignale, die an einen Differenzkanal-RF-Mischer gekoppelt wird. Das Oszil­ latorsignal wird zur Kombination mit den jeweiligen Summen- und Differenzsignalen an jeden der jeweiligen Mischer angelegt, um Summen- und Differenzausgaben zu erzeugen, die auch Dopplervariationen in den Rücksignalen repräsentieren.

Der zum Differenzkanal gehörige Hybridmischer liefert eine hohe Isolierung in der Größenordnung von 25 dB zwi­ schen der Antenne und dem Oszillator, so daß über den Dif­ ferenzkanalweg wenig vom Oszillatorsignal in das linke und rechte Antennenfeld eingekoppelt werden kann. Als Ergebnis wird sowohl an das linke als auch an das rechte Feld wäh­ rend der Übertragung nur ein phasengleiches Oszillator­ signal angelegt. Der kombinierte Effekt ist ein schärferer Strahl während des Sendens, während die Differenzsignal­ erzeugung während des Empfangs zu einem Paar nahe beieinan­ derliegender gespaltener Strahlen führt. Die gespaltenen Strahlen und der einzelne zentrale Strahl vom Effekt des Summenkanals können zusammen Richtungsinformation über ein Ziel liefern.

Mit einem Transceiver/Empfänger gemäß der Erfindung erzeugt die Antenne Strahlen, die somit dazu verwendet werden können, zusätzlich zum Vorhandensein eines Ziels eine Angabe seiner Richtung relativ zum Weg eines Fahrzeugs anzugeben, auf dem die Antenne angebracht ist. Der Empfän­ ger weist für gute Fähigkeit zur Detektion von Zielen einen hohen Wirkungsgrad, hervorragende Auflösung und niedrige Verluste auf.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Mikrostreifen-Transceiver bereitzustellen, der niedrige Verluste und einen hohen Wirkungsgrad aufweist und ökonomisch herzustellen ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Zweikanal-Monopuls­ transceiver mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung einer in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform gemäß der Erfindung ersichtlich.

Fig. 1 ist eine Vorderansicht einer Mikrostreifen­ antenne, die mit dem Mikrostreifen-Transceiver dieser Erfindung verwendet wird;

Fig. 2 ist eine Rückansicht des Transceivers gemäß der Erfindung;

Fig. 3 ist eine vergrößerte Ansicht der Rückseite des Transceivers dieser Erfindung;

Fig. 4 ist eine vergrößerte Ansicht eines im Mikro­ streifen-Transceiver von Fig. 3 verwendeten Differenz­ kanalmischers;

Fig. 5 ist eine vergrößerte Ansicht von Dioden im Summenkanalmischer, der im Mikrostreifen-Transceiver von Fig. 3 verwendet wird;

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung des Trans­ ceivers dieser Erfindung;

Fig. 7 ist ein Plot von mit einer Mikrostreifen­ antenne und einem Transceiver gemäß der Erfindung erhal­ tenen Richtungscharakteristiken.

In Fig. 1 bis 5 ist ein Mikrostreifen-Transceiver 10 gezeigt, der von einer Mikrostreifenantenne 12 auf einer Seite 14 einer Metallplatte 16 und einer auf der anderen Seite 20 der Platte 16 befindlichen Mikrostreifen-Sender/Empfängerschaltung 18 gebildet wird. Die Mikrostreifen­ antenne 12 kann auf verschiedene Arten geformt sein, ist aber vorzugsweise von der Art wie in der vorher erwähnten Patentanmeldung Mikrostreifenantenne beschrieben, deren voller Anwendungsbereich und jedes sich daraus ergebende Patent hiermit durch Bezugnahme darauf enthalten ist.

Die Antenne 12 ist vom planaren Mikrostreifentyp, bei dem eine Vielzahl flacher rechtwinkeliger strahlender Elemente 22 auf einem Substrat 24 angebracht und durch Gitter 26.1 und 26.2 aus Leiterbahnen verbunden sind. Die Gitter enthalten Hauptleitungen 27.1 und 27.2 und Zweig­ leitungen 29. Die strahlenden Elemente 22 sind in Reihen und Spalten angeordnet und bilden zwei entsprechende Antennenfelder 28, 30, die jeweils durch Einspeisungspunkte 32, 34 mit dem auf der Rückseite befindlichen Senders Empfänger 18 verbunden sind. Die strahlenden Elemente 22 sind räumlich so angeordnet, daß sie in Phase gespeist werden und die Orte der Einspeisungspunkte 32, 34 sind so gewählt, daß sie eine zur Erreichung schmaler Antennen­ strahlen gewünschte Leistungsverteilung liefern. In den Haupt- und Zweigleitungen 27, 29 der Gitter 26 werden geeignete Impedanzübertrager eingesetzt, um, genauso wie in der vorher erwähnten ebenfalls anhängigen Patentanmeldung beschrieben, niedrige Verluste und einen hohen Wirkungsgrad der Antenne sicherzustellen.

Die Sender/Empfängerschaltung 18 enthält wie in Fig. 6 gezeigt eine Mikrostreifenschaltung 40, die einen Oszil­ lator 42 mit Mischern 44, 46 und den Antennen-Einspeisungs­ punkten 32, 34 verbindet. Ein ungleicher Mikrostreifen- Leistungsteiler 48 koppelt den Oszillator 42 mit lokalen Oszillatoranschlüssen 50, 52 symmetrischer Mischer 44, 46. Wegen des hohen Isolationseffekts des Differenzkanal-Hybridmischerkopplers 46 wird wirkungsvoll verhindert, daß Oszillatorleistung durch diesen koppelt. Ein Teil der lokalen Oszillatorleistung kann direkt durch das Hybrid- und Mischernetzwerk 46 an den Antennenanschluß 60' und dann an den Anschluß 64 eines Hybrid-Ringkopplers 66 koppeln. Der Koppler 66 besitzt Anschlüsse 68, 70, die jeweils über Mikrostreifenleitungen 72, 74 mit den Einspeisungspunkten 32, 34 verbunden sind.

Mit weiterem Bezug auf Fig. 3, 4 und 5 ist die Mikrostreifenschaltung 40 mit einer Mikrostreifenleitung 80 gebildet, die den Oszillator 42 an den Leistungsteiler 48 koppelt. Dies wird durch Steuern der Breite der Mikrostrei­ fenleitungen auf beiden Seiten der Verbindung 82 gewählt, um entlang der Mikrostreifenleitung 84 eine größere Lei­ stungsmenge bereit zustellen als entlang der Mikrostreifen­ leitung 86. Die Leitung 84 ist mit dem Eingangsanschluß 50 der Summenkanal-Hybridschaltung 54 verbunden. Eine endliche Menge Oszillatorleistung kann durch das Hybrid 54 laufen, um von den rechts- und linksseitigen Antennenfeldern abge­ strahlt zu werden. Der Hybridkoppler 54 enthält Leistungs­ teiler 87, 88, die jeweils eine Viertel Wellenlänge lang sind und durch Leitungen mit einer Viertel Wellenlänge 90, 92 getrennt sind. Der hier verwendete Begriff Wellenlänge bezieht sich auf die Wellenlänge λg, wie sie durch das Substrat beeinflußt wird.

Der Mischer 44 ist zwischen einem Paar geweiteter gekrümmter 1/4 λg Mikrostreifenleitungen 94, 96 geformt, die an einer Lücke 98 enden, in der ein Paar seriell verbundener Hochfrequenzdioden 100, 102 untergebracht und wie in Fig. 5 gezeigt verbunden sind. Auf einer Leitung 104, die mit der Verbindung 106 zwischen den Dioden 100, 102 verbunden ist, wird eine Niederfrequenz-Dopplerausgabe erhalten. Die Leitung 104 ist mit Tiefpaßfiltern 108, 110 verbunden und ein Widerstand 112 schaltet die Doppler­ ausgabe 106 parallel zu Masse. Die Niederfrequenz-Doppler­ ausgabe vom Summenkanalmischer 44 wird dann zur weiteren Signalverarbeitung an einem geeigneten Stift verfügbar gemacht. Gleichstrom-Rückleitungen 113, 114 verbinden die Mischersegmente 94, 96 jeweils mit Masse.

Der Hybridkoppler 54 ist vom reflektierenden Typ, mit dem das Millimeter-Wellenlängensignal vom Oszillator 42 durch abrupte Übergänge 116, 118 reflektiert wird, und das reflektierte Signal wird dann an die Antennenanschlüsse 32, 34 gekoppelt. Ein Sperrfilter für die zweite Harmonische 120 verbindet den Anschluß 60 mit der Mikrostreifenleitung 122, die RF-Leistung in den Hybridring 54 und den Anschluß 62 des Antennenhybridkopplers 66 einkoppelt.

Das Hybrid 66 ist ein ringförmiger Mikrostreifen­ koppler, dessen Dimensionen so gewählt sind, daß am Ausgang 62 ein RF-Signal der Amplitudensumme und am Ausgang 64 ein RF-Signal der Amplitudendifferenz erzeugt werden. Dies wird durch Steuern der Längen der Mikrostreifen-Ringsegmente 124 zwischen den Anschlüssen erhalten. Die Ringsegmente 124.1, 124.2 und 124.3 sind somit alle eine Viertel Wellenlänge lang und das Ringsegment 124.4 ist drei Viertel Wellen­ längen lang.

Der Ring-Hybridkoppleranschluß 64 ist über eine Mikrostreifenleitung 123 mit dem Anschluß 60' des 180° Hybrid-Ringmischers 56 verbunden. Dieser hat Ringsegmente 125.1, drei Viertel Wellenlängen lang und Ringsegmente 125.2, 125.3 und 125.4, von denen jedes eine Viertel Wellenlänge lang ist. Ein Paar Mischerleitungssegmente 126 und 128 verlaufen vom Ringkoppler nach innen zueinander, wobei zwischen ihnen eine Lücke 130 bleibt.

Ein Paar in Serie geschalteter Dioden 132, 134 sind über die Lücke 130 geschaltet und ihre Verbindung 136 ist mit einem Ausgabeanschluß 138 verbunden. Dieser ist wie­ derum über eine Drahtbrücke 140 mit einem Tiefpaßfilter 142 zur Doppler-Ausgabeleitung 144 verbunden. Ein Widerstand 145 verbindet die Leitung 144 parallel mit Masse, während Mikrostreifen-Rückleitungen 146, 148 die Segmente 126, 128 mit Masse verbinden.

Die Übertragung von Leistung vom Oszillator 42 erfolgt über die Mikrostreifenleitungen 84, 86 mit niedrigen Ver­ lusten. Durch die Übergänge 116, 118 reflektierte Leistung erreicht die Anschlüsse 68, 70, die zu den Einspeisungs­ punkten 32, 34 führen.

Fig. 7 zeigt die mit dem Zweikanalempfänger 10 dieser Erfindung erreichte Richtungscharakteristik. Plot 180 ist die Kurve für den Summenkanal und Plot 182 ist die Kurve für den Differenzkanal. Beide Kurven überlappen, so daß eine nachfolgende Signalverarbeitung sowohl ein Ziel detektieren als auch dessen ungefähre Richtung ableiten kann. Die Kurve des Differenzkanals erzeugt nahe beiei­ nanderliegende gespaltene Strahlen 184, 186, während der Summenkanal einen zwischen den Strahlen 184, 186 befind­ lichen einzelnen Strahl besitzt. Während des Sendens wird ein einzelner zentraler schmaler Strahl ähnlich wie 188 erhalten. Die Strahlen 184, 186 haben jeweils annähernd die zweifache 3 dB Strahlbreite des einzelnen Strahls 188.

Claims (5)

1. Zweikanal-Monopulstransceiver mit:

• - einer auf einer ersten Seite (14) mit einem Substrat (24) beschichteten Platte (16),
• - einer planaren Mikrostreifenleiterantenne (12), die aus mehreren patch-Elementen (22) gebildet ist, die sich auf dem Substrat (24) befinden und in Reihen und Spalten angeordnet sind,
• - Verbindungsbahnen (26.1, 26.2) auf dem Substrat (24), die erste und zweite Einspeisungspunkte (32, 34) und die patch-Elemente (22) koppeln, um auf dem Substrat (24) ein erstes Feld (28) und ein zweites Feld (30) aus den patch-Elementen (22) zu bilden, wobei die Felder (28, 30) einan­ der benachbart angeordnet und mit je einem der Einspei­ sungspunkte (32, 34) verbunden sind, und
• - einem in Mikrostreifenleitertechnik aufgebauten Transceiver (18), der einen ersten Mischer (46), einen zweiten Mischer (44), einen Oszillator (42) und eine Mikro­ streifenleiterschaltung (40) enthält, die den ersten und den zweiten Mischer (44, 46), den Oszillator (42) und die Einspeisungspunkte (32, 34) miteinander verbindet,
  dadurch gekennzeichnet, daß
• - sich die Einspeisungspunkte (32, 34) durch die aus Metall bestehende Platte (16) auf eine zweite Seite (20) der Platte (16) erstrecken, die der ersten Seite (14) der Platte (16) entgegengesetzt angeordnet ist,
• - der Mikrostreifenleiter-Transceiver (18) auf der zweiten Seite (20) der Platte (16) angeordnet ist,
• - der erste Mischer (46) als Mikrostreifenleiter-Diffe­ renzmischer (46) und der zweite Mischer (44) als Mikro­ streifenleiter-Summenmischer (44) ausgebildet ist, und
• - die Mikrostreifenleiterschaltung (40) ferner aufweist:
• - einen ersten Hybrid-Koppler (54) mit zwei an den Summenmischer (44) gekoppelten Summenausgängen (94, 96), einem an den Oszillator (42) gekoppel­ ten Oszillatoreingang (50) und einem RF-Anschluß (60),
• - einen zweiten Hybrid-Koppler (56) mit zwei an den Differenzmischer (46) gekoppelten Differenzaus­ gängen (126, 128), einem an den Oszillator (42) gekoppelten Oszillatoreingang (52) und einem RF-Anschluß (60'), und
• - einen dritten Hybrid-Koppler (66) zum Erzeugen von RF-Summen- und Differenzsignalen (Σ, Δ), mit:
• - ersten und zweiten, jeweils an die ersten und zweiten Einspeisungspunkte (32, 34) gekoppelten Anschlüssen (68, 70) und mit
• - einem zweiten Paar von Anschlüssen (62, 64), die an die RF-Anschlüsse (60, 60') des ersten und zweiten Hybrid-Kopplers (54, 56) gekoppelt sind, um ein RF-Summen- bzw. ein RF-Differenzsignal (Σ, Δ) bereitzustellen.

2. Zweikanal-Monopulstransceiver nach Anspruch 1, bei dem der Summenmischer (44) und der erste Hybrid-Koppler (54) einen reflektierenden symmetrischen Mischer bilden.

3. Zweikanal-Monopulstransceiver nach Anspruch 1, bei dem der Differenzmischer (46) und der zweite Hybrid- Koppler (56) einen isolierten symmetrischen Mischer bilden.

4. Zweikanal-Monopulstransceiver nach Anspruch 1, bei dem die Mikrostreifenleiterschaltung (40) einen zwi­ schen den Oszillator (42) und den Oszillatoreingängen (50, 52) des ersten und zweiten Hybrid-Kopplers (54, 56) einge­ fügten Leistungsteiler (48) enthält.

5. Zweikanal-Monopulstransceiver nach Anspruch 4, bei dem der Leistungsteiler (48) ungleich ist und in den ersten Hybrid-Koppler (54) mehr Leistung einspeist als in den zweiten Hybrid-Koppler (56).