DE2533459C3

DE2533459C3 - Doppler-Radargerät

Info

Publication number: DE2533459C3
Application number: DE2533459A
Authority: DE
Inventors: Michel De Pontoise Vecchis
Original assignee: LIGNES TELEGRAPHIQUES ET TELEPHONIQUES PARIS FR
Current assignee: LIGNES TELEGRAPHIQUES ET TELEPHONIQUES PARIS FR
Priority date: 1974-07-26
Filing date: 1975-07-25
Publication date: 1983-12-01
Also published as: IT1036481B; FR2280240A1; BE831089A; GB1516722A; DE2533459A1; FR2280240B1; DE2533459B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Doppler-Radargerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Doppler-Radargerät ist aus der US-PS 68 703 bekannt. Es enthält einen Transistoroszillator, bei dem die Nichtlinearität des als Oszillator verwendeten Transistors zur Mischung der Sendefrequenz und der Empfangsfrequenz ausgenutzt wird, um durch Differenzbildung die Dopplerfrequenz zu gewinnen. Die Sendefreauenz ist unmittelbar die vom Transistor erzeugte, durch die Grenzfrequenz des Transistors aber begrenzte Grundfrequenz, deren Oberlagerung mit der nur infolge der Dopplerverschiebung unterschiedlichen Empfangsfrequenz unmittelbar die Dopplerfrequenz ergibt

Es ist bekannt, daß die Höchstfrequenz-Transistoren insbesondere durch einen maximalen Frequenzwert gekennzeichnet sind, der Obergangsfrequenz (Transitfrequenz) /r genannt wird, bei welcher der Stromverstärkungsfaktor in Emitter-Schaltung den Wert 1 hat Der Wert der Übergangsfrequenz fr hängt von dem technologischen Aufbau des Transistors ab und wird vom Hersteller angegeben. Ein Betrieb bei einer Frequenz, welche die Übergangsfrequenz f_T überschreitet ergibt eine Ausgangsleistung, die kleiner als die Eingangsleistung ist falls der Transistor als Verstärker arbeitet; oberhalb der Übergangsfrequenz /r ist deshalb die Verwendung des Transistors als Schwingungserzeuger nicht möglich. An Stelle der Übergangsfrequenz h wird auch manchmal die maximale Grenzfrequenz angegeben, die mit dem Leistungsverstärkungsfaktor verknüpft ist

Um nichtsdestoweniger einen Transistor mit niedriger Übergangsfrequenz f_T verwenden zu können, kann ihm eine Kapazitätsdiode zur Frequenzvervielfachung nachgeschaltet werden, wie z. B. aus der Zeitschrift »Proceedings of the IRE«, Juli 1960, Seiten 1334 und 1335 bekannt ist

Aus der »RCA-Application Note SMA-40« ist es bekannt, einen Verstärkertransistor durch Ausnutzung der

nichtlinearen Kapazität des Kollektor-Basis-Übergangs als Frequenzvervielfacher zu verwenden, wobei im Basiskreis ein auf die Grundfrequenz abgestimmter Kreis und im Kollektorkreis ein auf die vervielfachte Frequenz abgestimmter Kreis liegt. In diesem Fall arbeitet der Transistor aber nicht als Oszillator.

Ein Transistoroszillator, der im Emitterkreis und im Kollektorkreis miteinander gekoppelte Kreise und im Kollektorkreis einen auf die Ausgangsfrequenz abgestimmten Resonanzkreis aufweist, ist aus der DE-AS 10 87 180 bekannt. Dabei ist aber die Ausgangsfrequenz gleich der Frequenz der erzeugten Schwingungen; eine Frequenzvervielfachung findet nicht statt.

Aus der DE-PS 6 14 676 ist es bekannt, an den Anodenkreis einer Röhrenstufe eine Sende-Empfangsantenne anzuschließen.

Aus der US-PS 32 48 672 ist eine Mikrowellenschaltung bekannt, deren Transistor im Emitterkreis und im Basiskreis miteinander gekoppelte, auf eine Frequenz /Ό abgestimmte Kreise und im Kollektorkreis einen auf die Frequenz η k abgestimmten Kreis aufweist. Diese Schaltungsanordnung erfüllt gleichzeitig die Funktionen eines Hochfrequenzgenerators, einer Anordnung zur Vervielfachung der von diesem erzeugten Frequenz und einer Mischstufe zur Bildung der Differenz zwisehen der vervielfältigten Frequenz und einem Empfangssignal, das in den Emitterkreis des Transistors eingekoppelt wird. Das Differenzsignal wird am Kollektorkreis abgenommen, der auch die Sendeantenne speist.

Bei dieser Mikrowellenschaltung werden die Kennlinienunlinearitäten der verschiedenen Elektrodenstrekken in zweifacher Hinsicht ausgenutzt, nämlich zum einen für die Erzeugung harmonischer Schwingungen der Frequenz η k und zum anderen zum Mischen des so erhaltenen Signals η F₀ mit dem Eingangssignal. Dadurch kann eine nachgeschaltete Kapazitätsdiode zur Frequenzvervielfachung entfallen.
Gegenstand des älteren Patents 24 ί5 895 ist eine in-

tegrierbare Mikrowellenschaltung mit einem einen Transistor enthaltenden Hochfrequenzgenerator, einer Anordnung zur Vervielfachung der vom Hochfrequenzgenerator erzeugten Frequenz, einer Sende-Empfangs-Antenne und einer Mischstufe zur Bildung der die Dopplerfrequenz darstellenden Differenz zwischen der Sendefrequenz und der Empfangsfrequenz. Mikrowellenschaltungen dieser Art dienen hauptsächlich dem Zweck, das Vorhandensein eines sich relativ zu ihnen bewegenden Objekts festzustellen. Hauptanwendungsgebiete sind Alarm- und Sicherungsanlagen, aber auch Detektoren für Blinde. In allen diesen Fällen bestehen die Forderungen nach großer Betriebssicherheit bei möglichst einfachem und billigem Aufbau sowie nach geringem Gewicht und Platzbedarf. Die meist sehr kurzen Meßentfernungen erfordern ferner die Anwendung sehr hoher Sendefrequenzen, die wiederum die Erzielung sehr kleiner Abmessungen begünstigt Bei dieser integrierbaren Mikrowellenschaltung wird ebenfalls eine Kapazitätsdiode verwendet, welche die von dem Transistor-Hochfrequenzgenerator erzeugte Frequenz vervielfacht, die darüber hinaus als Mischstufe arbeitet, welche die der Dopplerfrequenz entsprechende Differenz zwischen der Sendefrequenz und der Empfangsfrequenz bildet. Diese Mikrowellenschaltung zeichnet sich durch relativ geringen Schaltungsaufwand aus, und der Transistoroszillator kann verhältnismäßig einfach und billig aufgebaut sein, weil die von ihm erzeugte Frequenz wesentlich niedriger ist als die Sendefrequenz. Sie läßt sich ferner leicht in integrierter Form herstellen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Dcppler-Radargerätes der eingangs angegebenen Art, das sich durch hohe Betriebssicherheit sowie einfachen und kostengünstigen Aufbau auszeichnet und eine hohe Betriebsfrequenz aufweist, die ein geringes Gewicht und geringen Platzbedarf zur Folge hat, ohne jedoch eine zusätzliche Frequenzvervielfacherstufe zu benötigen.

Diese Aufgabe wird durch die Kombination aller Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der Mikrowellenschaltung nach der Erfindung dient ein einziger Transistor als Oszillatortransistor zur Schwingungserzeugung, als Frequenzvervielfacher und als Mischstufe zur Bildung der Dopplerfrequenz. Er ersetzt somit den Transistor und die Kapazitätsdiode des älteren Vorschlags. Zu diesem Zweck wird die Tatsache, daß die Strom-Spannungs-Kennlinien der verschiedenen den Transistor bildenden Dioden nichtlinear sind, zweifach ausgenutzt. Diese Eigenschaft, die bei Verwendung des Transistors als Verstärker störend ist, wird einerseits für die Vervielfachung der Schwingungsfrequenz des Transistors im Innern des Transistors selbst ausgenutzt, so daß man eine Quelle erhält, die eine merkliche Leistung bei einer Frequenz liefert, die höher als die maximale Verwendungsfrequenz des Transistors sein kann, und zwar unter befriedigenden Stabilitätsund Wirkungsgradbedingungen; andererseits dient die gleiche Nichtlinearität für eine subtraktive Mischung der erzeugten Sendefrequenz und der reflektierten Empfangsfrequenz, wodurch die der Dopplerfrequenz entsprechende Differenz erhalten wird.

Bei der Mikrowellenschaltung nach der Erfindung schwingt der Transistor auf der Frequenz Fo, die unterhalb seiner Übergangsfrequenz liegt. Infolge der Nichtlinearität des Kollektor-Basis-Übergangs entstehen Oberwellen dieser Schwingung, und der im Kollektorkreis des Transistors liegende Kreis ist auf eine dieser Oberwellen abgestimmt Dadurch kann im Ausgangskreis des Transistors eine Mikrowelle erhalten werden, deren Frequenz über der Obergangsfrequenz des Transistors liegt Nach Aussendung dieser Mikrowelle und Empfang der an einem bewegten Objekt reflektierten Welle erfolgt in dem gleichen Transistor an dem nichtlinearen Kollektor-Basis-Übergang eine subtraktive Mischung, durch die im Basiskreis ein Signal mit der Dopplerfrequenz erhalten wird.

ίο Die Einstellung des Kollektorstroms des Transistors ermöglicht die Steuerung der Ausgangsleistung bei der Frequenz π Fo.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Mikrowellenschaltung besteht in der Verringerung der Kosten für die Halbleiter-Bauelemente auf etwa die Hälfte im Vergleich zu einer Schaltung, die einen Oszillatortransistor und eine Kapazitätsdiode zur Frequenzvervielfachung enthält
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Mikrowellenschaltung besteht in der verhältnismäßig hohen Leistung der Ausgangswelle mit der Frequenz η F₀. Diese hohe Leistung ergibt sich nämlich aus dem Produkt der Leistung bei der Frequenz Fo mit dem Umwandlungs-Wirkungsgrad. Nun liegt die Leistung bei der Fre-

quenz F₀ in der Größenordnung von 80 bis 100 Milliwatt, und der Umwandlungswirkungsgrad ist bei der erfindungsgemäßen Mikrowellenschaltung bei einem Frequenzvervielfachungsfaktor n—2 größer als 10%.
Schließlich ist die erfindungsgemäße Mikrowellenschaltung sehr robust. Die Schwingung findet bei einer Frequenz Fo statt, bei welcher der Wirkungsgrad des Transistors groß ist, und der Transistor eine sehr lange Lebensdauer hat.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. In der Zeichn ung zeigt

Fig. 1 eine integrierte Mikrowellenschaltung nach der Erfindung,

F i g. 2 das elektrische Ersatzschaltbild der Schaltung von F i g. 1 und

F i g. 3 die Kennlinie der Leistung eines Transistoroszillators bekannter Art in Abhängigkeit vom Kollektorstrom.

Die in F i g. 1 dargestellte Anordnung enthält ein Substrat 30 aus Aluminiumoxid, das auf der nicht sichtbaren Rückseite vollständig metallisiert ist und auf der Vorderfläche einen gehäuselosen Transistor 31 trägt. Dieser Transistor ist mit seiner Kollektor-Metallisierung mit einem Ausgangs-Mikrowellen-Bandleitungsabschnitt 32 verbunden. Die Basis des Transistors 31 ist durch zwei Golddrähtchen von einigen Mikron Durchmesser einerseits mit einer Mikrowellen-Bandleitung 34 und andererseits mit einer Mikrowellen-Bandleitung 36 verbunden. Der Emitter des Transistors 31 ist durch einen Golddraht mit einer Mikrowellen-Bandleitung 35 verbunden. Die Mikrowellen-Bandleitung 35 und 36 sind nebeneinander angeordnet, damit eine geeignete Kopplung entsteht, die den Transistor in Schwingungen versetzen kann, deren Frequenz k unter der Übergangsfrequenz Ft des Transistors liegt. Eine Mikrowellen-Bandleitung 37, deren Länge der Hälfte der Wellenlänge λ bei einer Frequenz η Fo entspricht, ist senkrecht zu der Ausgangs-Mikrowellenbandleitung 32 in einem Abstand (AK + 1) /i/4 vom Transistor angeordnet. Die Frequenz η k ist ein ganzzahliges Vielfaches der Schwingungsfrequenz /o und entsteht durch Vervielfachung dieser Schwingungsfrequenz um den Faktor η im Transistor selbst. Die Verlängerung der Mikrowellen-Bandleitung 32 ist mit einem Schlitz 38 gekoppelt, der als Antenne

dient und auf der vollständig metallisierten Seite des Substrats 30 angeordnet ist. Die Strahlungsimpedanz des Schlitzes 38 bei der Frequenz η k ist an die Impedanz der Mikrowellen-Bandleitung 32 angepaßt. Der Schlitz 38 dient gleichzeitig als Sendeantenne für die Welle mit der Frequenz π f₀ und als Empfangsantenne für die an einem Hindernis reflektierte Welle, deren Frequenz η f_o + d f₀ sich um die Dopplerfrequenz von der Sendefrequenz unterscheidet, wenn das Hindernis bewegt ist.

In der folgenden Beschreibung wird angenommen, daß der Frequenzvervielfachungsfaktor den Wert /?=2 hat, doch kann er auch gleich 3 oder 4 gewählt werden. Der Abstand zwischen dem Transistor 31 und der Mikrowellen-Bandleitung 37 wird gleich 5/J/4 gewählt, damit die zweite Harmonische begünstigt wird. Der verwendete Transistor kann ein gehäuseloser Transistor des Typs 35 820 A oder des Typs X 56 oder irgendein anderer Transistortyp sein, der unter den normalen Verwendungsbedingungen bei 5 GHz arbeitet; durch die Frequenzverdoppelung kann dann mit der dargestellten Anordnung eine Schwingung der Frequenz 10 GHz erhalten werden.

F i g. 2 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der Anordnung von Fig. 1. In diesem Schaltbild sind die Mi- 25 krowellen-Bandleitungen 34 und 36 durch einen Resonanzkreis dargestellt, der aus zwei in Serie geschalteten Induktivitäten 42 und 44 und einem Kondensator 43 besteht. Ein Transistor 41 entspricht dem gehäuselosen Transistor 31. Die Mikrowellen-Bandleitung 35 von 30 F i g. 1 ist durch eine Induktivität 45, von der ein Teil mit der Induktivität 44 gekoppelt ist, und einen Kondensator 46 dargestellt. Die Ausgangs-Mikrowellen-Bandleitung 32 ist durch einen Transformator 47 dargestellt, der mit einem Kreis 48 gekoppelt ist, der eine Induktivität 35 und eine Kapazität enthält und auf die Frequenz π f₀ abgestimmt ist. An die Ausgangsklemmen ist die durch den Schlitz 38 gebildete Antenne angeschlossen, die in Fig. 2 nicht dargestellt ist.

Die Wirkungsweise der Schaltung kann folgenderma- 40 Kollektorstrom ßen erläutert werden:

Es wird zunächst angenommen, daß die Mikrowellen- (mA)

Bandleitung 37 fortgelassen wird, so daß das Schaltbild "

von F i g. 2 den Resonanzkreis 48 nicht enthält. Es ist bekannt, daß man den Wert der Frequenz f₀ dadurch ändern kann, daß die Eigenschaften der Mikrowellen-Bandleitung 34 geändert werden, was einer Änderung der Werte der Induktivität 42 und des Kondensators 43 gleichwertig ist. Eine solche Schaltung ist ohne besondere Schwierigkeit industriell reproduzierbar. Die Einstellung des Kollektorstroms / bei konstanter Kollektor-Basis-Spannung ermöglicht eine Änderung der im Ausgangskreis verfügbaren Leistung.

Mit einem Transistor des Typs 35 820 A ist es beispielsweise möglich, die in F i g. 3 dargestellte Kennlinie 51 der Änderung der Ausgangsleistung als Funktion des Kollektorstroms / bei einer Kollektor-Basis-Spannung von 22 Volt für die Schwingfrequenz 5 GHz zu erhalten. Es ist zu erkennen, daß eine Zone besteht, in der die Ausgangsleistung eine angenähert lineare Funktion des Kollektor-Basis-Gleichstroms ist Infolge der Temperaturerhöhung des pn-Übergangs, welche die Zunahme der Ausgangsleistung begleitet entsprechen die optimalen Bedingungen für einen stabilen Langzeitbetrieb dem Punkt A der Kurve.

Wenn nun die Mikrowellen-Bandleitung 37 vorhanden ist so enthält das Ersatzschaltbild von F i g. 2 den auf die Frequenz 10 GHz abgestimmten Kreis 48. Durch Einwirkung auf den Kollektorstrom in der Nähe des dem Punkt A der Kurve 51 entsprechenden Wertes kann festgestellt werden, daß es möglich ist, einen verhältnismäßig großen Energiepegel bei der Frequenz 2 /₀ zu erhalten, und auch diesen Pegel zu ändern. Der Kollektor-Basis-Übergang des Transistors 41 spielt die Rolle einer veränderbaren Kapazität Q, und die Grenzfrequenz des Kollektor-Basis-Übergangs liegt höher als die Übergangsfrequenz des Transistors.

Damit eine Schaltung mit einer Kapazitätsdiode eine Frequenzvervielfachung mit einem guten Wirkungsgrad durchführt müssen bekanntlich die beiden folgenden Bedingungen erfüllt sein:

1. Die kleinste Kapazität C; des Übergangs bei der angelegten Spannung V und der Eingangsfrequenz /₀ müssen miteinander durch die Beziehung Q= 10-V/Ό (in MKSA-Einheiten) verknüpft sein;

2. die Grenzfrequenz der Kapazitätsdiode muß wenigstens gleich dem Zehnfachen der Ausgangsfrequenz η /ο sein.

Die erste Beziehung ermöglicht die Berechnung der kleinsten Kapazität Cy des Kollektor-Basis-Übergangs : Cj=0,2 · 10-¹² Farad (ungefähr). Da die Eingangskapazität Ca des Transistors vom Hersteller mit 10~¹² Farad angegeben ist kann vernünftigerweise unterstellt werden, daß die Grenzfrequenz des Kollektor-Basis-Übergangs ein Mehrfaches der Übergangsfrequenz /rdes Transistors ist.

Die zweite der zuvor angegebenen Bedingungen ist nicht eingehalten, und deshalb wird der theoretische Wirkungsgrad nicht erhalten; die Leistung bei 10 GHz ist jedoch keineswegs vernachlässigbar. Die folgende Tabelle zeigt die Leistungswerte, die bei 10 GHz bzw. bei 5 GHz mit dem gleichen Transistortyp erhalten werden, mit dem auch die Kurve von F i g. 3 aufgenommen worden ist, wenn die Kollektor-Basis-Spannung wie bei dem zuvor angegebenen Betrieb auf 22 Volt gehalten wird.

Leistung bei
10 GHz
(mW)

Leistung bei

5GHz

(mW)

22	12
20,5	10
19	8

5
2,5

Wie zu erkennen ist sind die Vorspannungsbedingungen, die dem Leistungsmaximum der selbstschwingenden Schaltung bei 5 GHz entsprechen, auch die Bedingungen, die dem Maximum der abgegebenen Gesamtleistung entsprechen. Wenn es jedoch infolge der Anwendungsbedingungen notwendig ist kann durch Verringerung des Kollektorstroms auch nur die Schwingung mit der Frequenz 10 GHz beibehalten werden.

Wenn die Leistung der von der Antenne 38 abgestrahlten Welle mit der Frequenz π /ο in der Nähe von 10 Milliwatt liegt, ist es möglich, die Anordnung zur Erkennung eines sich bewegenden Zieles mit Hilfe des Dopplereffekts zu verwenden. Die am Ziel reflektierte Welle hat eine Frequenz, die sich um die Dopplerfrequeriz ofo von der Frequenz der gesendeten Welle unterscheidet Nachdem die reflektierte Welle von der Antenne 38 aufgefangen worden ist wird sie von der Mikrowellen-Bandleitung 32 bis zum Kollektor-Basis-Übergang geführt, und die Schwebung zwischen der an Ort und Stelle erzeugten Schwingung mit der Frequenz π fo und der reflektierten Welle mit der Frequenz

nfo + dfo wird durch den Übergang demoduliert.

Bei einer praktischen Ausführung ermöglicht eine Antenne mit einem Gewinn von 15 dB bei 10 GHz die an die Mikrowellen-Bandleitung 32 angeschlossen ist, die Abnahme einer Spannung von 5 Millivolt an einer Klemme eines Widerstands von 200 Ohm, der in Serie in den Speisekreis der Basis des Transistors 31 eingefügt ist, wenn sich eine Person in einer Entfernung von 5 m von der Antenne 38 mit normaler Schrittgeschwindigkeit bewegt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Doppler-Radargerät mit einem Transistoroszillator, dessen Transistor im Emitterkreis und im Basiskreis miteinander gekoppelte, auf die Oszillatorfrequenz abgestimmte Kreise und im Kollektorkreis einen auf die Sendefrequenz abgestimmten Kreis aufweist, an den eine Sende-Empfangs-Antenne angekoppelt ist, wobei die von dem Transistoroszillator erzeugte Schwingung Ober die Sende-Empfangs-Antenne abgestrahlt, von einem bewegten Körper reflektiert, von derselben Antenne wieder aufgenommen und mit dem auch als Empfangsmischer wirkenden Transistoroszillator in eine Dopplerschwingung umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektorkreis (47, 48) der Transistors (31, 41) zwecks Frequenzvervielfachung auf ein Vielfaches (n f₀) der Oszillatorfrequenz (k) abgestimmt ist, daß mit dem Basiskreis des Transistors (31,41) eine Anordnung zur Abnahme der die Dopplerfrequenz bildenden Differenz verbunden ist, daß der Transistor (31,41) mit den aus Mikrowellen-Bandabschnitten (32,34,35,36,37) gebildeter. Kreisen (42,43,44,45,46,47,48) auf einem Substrat (30) integriert ist und daß der im Kollekiorkreis des Transistors (31) liegende Kreis durch einen Mikrowellen-Bandabschnitt (37) gebildet ist, dessen Länge einer halben Wellenlänge bei der Frequenz η f₀ entspricht und der im Abstand (AK + \)M4 vom Transistor als Stichleitung an die Ausgangsleitung (32) des Transistors angeschlossen ist, wobei λ die Wellenlänge bei der Frequenz η /ο auf der Ausgangsleitung und K eine ganze Zahl ist.

2. Doppler-Radargerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Ausgangsleitung (32) zwischen dem Transistor (31) und dem Anschlußpunkt der Stichleitung (37) 5/Ϊ/4 beträgt.

3. Doppler-Radargerät nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im Emitterkreis und im Basiskreis des Transistors (31) liegenden Kreise durch Mikrowellen-Bandabschnitte (34, 35,36) gebildet sind, deren Länge einer halben Wellenlänge bei der Frequenz k entspricht.

4. Doppler-Radargerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende-Empfangs-Antenne durch einen strahlenden Schlitz (38) in der vollständig metallisierten Fläche des die Mikrowellen-Bandleitungsabschnitte tragenden Substrats (30) gebildet ist.

5. Doppler-Radargerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Basiskreis des Transistors (31) verbundene Anordnung zur Abnahme der Dopplerfrequenz ein Widerstand ist.