DE2921850C2

DE2921850C2 - Doppler-Detektor

Info

Publication number: DE2921850C2
Application number: DE2921850A
Authority: DE
Inventors: Takashi Shonan Chiba Iwata
Original assignee: Tdk Electronics Co Ltd Tokyo; TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1978-05-31
Filing date: 1979-05-29
Publication date: 1983-01-20
Also published as: US4271411A; DE2921850A1; JPS54156496A

Description

a) der ferrimagnetische Körper (1) zwischen den _1Q Η-Ebenen des Wellenleiters (4) senkrecht zur FonpClanzungsrichtung des Mikrowellensignals exzentrisch zur Mittelachse des Wellenleiters angeordnet ist und

b) die Dioden (2, 3) auf einer geraden, zur ₂j Mittelachse des Wellenleiters parallelen Linie angeordnet sind so daß die erste Diode (2) symmetrisch zur zweiten Diode (3) in bezug auf die mit der Mittelachse des ferrimagnetischen Körpers (1) zusammenfallende Querebene liegt.

2. Doppler-Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeir ^net. daß auf der Außenseite der H-F.bene des Wellenleiters (4) unmittelbar an der zugehörigen Diode \2, 3) tme Drosseleinrichtung j-, (9a. 9b) angebracht ist, du elektrisch zwischen dem Ausgang jeder Diode (2, 3) unu einem Ausgangsanschluß (11<7, lindes Doppler-Detektors liegt, daß die Drosseleiniichtung (9a. 9b) einen leitfähigen langgestreckten runden Körper mit mehreren _w kreisscheibenförmigen Teilen aufweist und daß die Dicke (W) jedes kreisscheibenförmigen Teils etwa 'Λ der Wellenlänge des Mikrowellensignals beträgt.

3. Doppler-Delektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei H-F.benen des Wellenleiters (4) eine dünne dielektrische Platte (8) zur Feineinstellung der zwischen den Dioden (2,3) auftretenden Phasendifferenz angeordnet ist.

4. Doppler-Detektor nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des ferrimagnetischen Körpers (1) kreisförmig ist.

5. Doppler-Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden (2, 3) solche vom Typ 1N23 sind und der Abstand der Dioden (2, 3) das l.5fache ihres Durchmessers beträgt.

6. Doppler-Detektor nach einem der Ansprüche I bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß das Material des ferrimagnetischen Körpers (1) aus Mg-Mn-Ferrit besteht.

Die Erfindung bezieht sich auf einen DopplepDelektör mit einem rechtwinkligen Wellenleiter, der zwei H-Ebenen-Wände und zwei E-Ebeneri-Wa'ride sowie

65 zwei Flanschen an beiden Enden der Wände aufweist, von denen der eine Flansch an einen Mikrowellen-Oszillator und der andere an eine Antenne angeschlossen ist, mit einem ferrimagnetischen Körper, der in den Wellenleiter eingesetzt und durch einen außerhalb des Wellenleiters angeordneten Dauermagneten magnetisiert ist, und mit zwei Dioden, die zwischen den Η-Ebenen des Wellenleiters in Richtung von deren Achse vor und hinter dem ferrimagnetischen Körper angeordnet sind und das Ausgangssignal des Doppier-Detektors abgeben.

Der Doppler-Detektor kann beispielsweise zur Messung der Geschwindigkeit und Richtung eines Fahrzeugs für Verkehrsregelzwecke eingesetzt werden. Er ermöglicht die Messung der Geschwindigkeit und Richtung eines sich bewegenden Körpers bis zu einer Entfernung von mehreren Kilometern vom Detektor.

Es ist bekannt, die Geschwindigkeit, Richtung, Entfernung und andere Größen eines sich bewegenden Gegenstands durch Aussenden eines Mik.owellensignals zu dem sich bewegenden Gegenstand und Empfangen der an dem sich bewegenden Gegenstand reflektierten Weiler! zu messen. Die Frequenz der reflektierten Welle weicht von der ursprünglichen aufgrund des bekannten Doppler-Effekts ab.

Wenn nur die Geschwindigkeit des sich bewegenden Gegenstands mittels einer Mikrowelle und nach dem Doppler-Prinzip gemessen werden soll, können dazu einfache Mittel verwendet werden, die eine einzige Mischdiode in einem Wellenleiter und ein Tiefpaßfilter zur Behandlung des Ausgangssignals der Mischdiode umfassen. Wenn jedoch sowohl die Geschwindigkeit als auch die Richtung des sich bewegenden Gegenstands gemessen werden soll, ist hierzu ein kompliziertes Gerät erforderlich, wie es z. B. in der japanischen Auslegeschrift 16 905/62 beschrieben ist. Nach dieser japanischen Auslegeschrift 16 905/62 wird das Ausgangssignal eines Oszillators durch ein magisches 7"(eine angepaßte Differenzialverzweigung) in zwei Signale aufgeteilt, nämlich eine zur Antenne geleitete Sendewelle und eine Bezugswelle zum Mischen. Die B^ '.ugswelle wird dann über einen Phasenschieber mit einer Phasenverschiebung Φ zwei Wellenleitern und dann Mischdioden, die jeweils in einem der Wellenleiter angeordnet sind, zugeführt. Das von der Antenne abgestrahlte Signal trifft auf den sich bewegenden Gegenstand, und die reflektierte Welle kehrt wieder zu derselben Antenne zurück, so daß sie den beiden Wellenleitern mit den Mischdioden mit derselben Phasenverschiebung und somit jeweils den Misehdioden zugeführt wird. In den Mischdioden werden die Be/ugswellen und die reflek tierte Welle gemischt. Da die Bezugswellen in den beiden Dioden die erwähnte Phasenverschiebung Φ •lufweisen. haben die Ausgangssignale dieser Mischdio den die gleiche Phasenverschiebung Φ. Die Bewegungsrichtung wird dann dadurch festgestellt, daß geprüft wird, ob diese Phasenverschiebung positiv oder negativ ist.

Dieser bekannte Doppler Detektor benötigt mithin zur Messung der Geschwindipkeit und Richtung eine Vielzahl von Mikrowellen-Bauteilen, einschließlich eines magischen T. eine Phjsenschiebers. den Wellen leiter zur Aufteilung des Signals Und weitere Teile; ■Infolgedessen !st ein solcher Doppler«Deteklor sehr aufwendig und groß.

Bei einem bekannten Doppler-Detektor der gail· tungsgemäßen Art (GB-PS 12 89 496) erstreckt sich der ferrimagnetische Körper in Längsrichtung des Wellen-

letters, und er wirkt nur als Phasenschieber. In der Praxis würde er daher zusätzlich eine Sperre benötigen, um den Oszillator im Betrieb zu schützen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Detektor der gattungsgemäßen Art anzugeben, dessen Aufbau einfacher und kompakter ist.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß

a) der ferrimagnetische Körper zwischen den H-Ebenen des Wellenleiters senkrecht zur FortpflanzuDgsrichtung des Mikrowellensignals exzentrisch zur Mittelachse des Wellenleiters angeordnet ist und

b) die Dioden auf einer geraden, zur Mittelachse des Wellenleiters parallelen Linie angeordnet sind, so daß die erste Diode symmetrisch zur zweiten Diode in bi-'zug auf die mit der Mittelachse des ferrimagnetischen Körpers zusammenfallende Q uerebene liegt.

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Bei dieser Ausbildung erstreckt sich die Lärgsachie des ferrimagnetischen Körpers senkrecht zur Achse des Wellenleiters und nicht in dessen Längsrichtung, wie bei dem gattungsgemäßen Detektor. Daher wirkt der ferrimagnetische Körper, zwar auch als Phasenschieber, aber zusätzlich noch als reziprokes Dämpfungsglied, das das Sendesignal durchläßt, aber das reflektierte Signal sperrt und daher gleichzeitig den Mikrowellen-Oszillator vor dem schädlichen reflektierten Signal schützt, ohne daß eine besondere Sperre erforderlich ist. Die Dioden bilden gleichzeitig die für die Sperre erforderliche Belastung, so daß kein besonderer Belastungswiderstand erforderlich ist. Vielmehr wird das reflektierte Signal in den Dioden verbraucht, so daß die Jj Empfindlichkeit des Detektors gesteigert wird.

Sodann wird hierbei die Phasenverschiebung nicht nur durch den ferrimagnetischen Körper, sondern auch durch die spezielle Anordnung der Dioden längs der geraden Lin·'*. die parallel zur Mittelachse des *o Wellenleiters verläuft, also nicht mit der Mittelachse zusammenfällt, bewirkt.

Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Nachstehend wird ein bevorzugtes Ausführungsbei- ⁴» spiel anhand der Zeichnung näher bes hrieben. Es zeigt

Fig. l(A) den Aufbau eines erfindungsgemäßen Doppler-Detektors.

Fig. l(B)den Schnitt A-A'der Fig. 1(A).

Fig. 1(C) die Seitenansicht des Doppler-Detektors. >" vom offenen Ende eines hohlen Wellenleiters her gesehen.

F i g. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des Doppler-Detektors.

Fig. 3 Verlustker.ilinien für die Vorwärts- und die ^S5 Rückwärtsrichtung des Doppler-Detektors und

Fig. 4 den Aufbau eines in dem Doppier-Detektor verwendeten Filters.

Wie die Fig. 1(A). l(B) und l(C) zeiger·, besitzt der Doppler-Detektor einen rechtwinkligen Wellenleiter 4 ^h0 in Form eines Hohlleiters mit zwei Flanschen 5 an beiden,;Enden,.eine^rHorn-Antennei6, die an einem der Flansche des Wellenleiters 4 angeschlossen ist, Und einen Mikröwellenoszillator 7, der am anderen Flansch des Wellenleiters 4 angeschlossen ist.

Innerhalb des Wellesilekers 4 ist ein kreiszylindrischer ferrimiignetischer körper 1 zwischen Η-Ebenen des Wellenleiters 4 angeordnet. Der Körper 1 ist in Signale Fm und Fm werden ebenfalls den Dioden 2 und 3 zugeführt. Die Phasenlage des der Diode 2 zugeführter, reflektierten Signals F_R, ist jedoch die. gleiche wie die des der Diode 3 zugeführten reflektierten Signals Fr₂, da die Dioden 2 und 3 symmetrisch in bezug auf die mit der Achse des ferrimagnetischen Körpers 1 zusammenfallende Querebene angeordnet sind.

Mit anderen Worten, die den Dioden zugeführten Bezugssignale haben die Phasenverschiebung Φ, während die den Dioden zugeführten reflektierten Signale keine Phasenverschiebung aufweisen.

Die Diode 2 mischt die Signale F_LX und Fr\ und die Diode die Signale F_L2 und Fr₂. In den zur Erläuterung der Wirkungsweise des Doppler-Detektors nachstehend angegebenen mathematischen Beziehungen ist C die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Mikrowellensignals, ν die Geschwindigkeit des sich oewegenden Körpers 20, Θ der Winkel zwischen der Fortpflanzungsrichtung des Mikrowellensignals und der Bewegungsrichtung des Mikrowellensignals uno Jer Bewegungsrichtung des Körpers 20, a eine Konstante, A eine Konstante und Seine Konstante.

Das der Diode 2 zugeführte Bezugssignal Fi 1 laß* sich wie folgt darstellen:

Fn =asin ωί

Das der Diode 3 zugeführte Bezugssignal läßt sich wie folgt darstellen:

Fi 2 = a sin (ω/+Φ)

Die Komponente F_Rt des reflektierten Signals, die zur Diode 2 zurückkehrt, läßt sich darstellen als

Fa, = A sin

2n>Kcos6>\

(3)

Die Komponente F^₂ des reflektierten Signals, die zur Diode 3 zurückkehrt, läßt sich darstellen als

F_Rl

Asin I ω

2<aKcos0 C

)■

Das am Ausgang der Diode 2 auftretende Dopplersignal läßt sich daher durch Gleichung (5) wiedergeben, nachdem die Hochfrequenzkomponente (sin ωί) durch das Tiefpaßfilter mit einer Drosseleinrichtung und dem ohmschen Widerstand unterdrückt worden ist:

Fm = B sin

(5)

Entsprechend läßt sich das am Ausgang der Diode 3 auftretende Dopplersignal durch die nachstehende Gleichung (6) wiedergeben, nachdem die Hochfrequenzkomponente (sin ωί) durch das Tiefpaßfilter mit einer Drosseleinrichtung und dem ohmschen Widerstand unterdrückt worden ist:

F₀₁ = B sin

(IwV cosd

Φ)Ι

Die Bev/egüngsricht'ing des sich bewegenden Gegenstands 20 ergibt sich durch einen Vergleich der Phasenwinkel der durch die Gleichungen (5) und (6) dargestellten Signale. Die Phasenverschiebung zwi-

sehen den Signalen wird in Abhängigkeit vom Vorzeichen von cos Θ positiv oder negativ. Das heißt, wenn 0 zwischen 0° und 90" liegt, wird cos Θ positiv, und wenn 0 zwischen 90° und 180° liegt, wird cos 0 negativ. -,

Geschwindigkeit und Richtung des sich bewegenden Gegenstands lassen sich daher durch Lösen der Gleichungen (5) und (6) ermitteln, und eine Vorrichtung zur Lösung derartiger Gleichungen ist an sich bekannt.

Sehr günstige Kennlinien ergeben sich* wenn der in Abstand der Dioden 2 und 3 etwa das Ij5fache ihres Durchmessers beträgt (bei Verwendung von Dioden des Typs IN23) und der Mittelpunkt des ferrimagnetischcn Körpers 1 und die Mittelpunkte der Dioden 2 und 3 in einem Abstand angeordnet sind, der etwa 'Λ der inneren Breite des Wellenleiters 4 (der Breite d\ in der H-Ebene) entspricht, und zwar von der zunächst liegenden Innenseite der Seitenwände des Wellenleiters 4 gemessen.

F ! S 3 Et"!!' Ali* nmvhtisinoclipnnlinipn Hpc VVpllpnlpi- M

ters 4 bei obigem Aufbau dar. Die Kurve A stellt den Verlauf der Einfügungsdämpfung in Rückwärtsrichtung (von rechts nach links in Fig. IA) und die Kurve Bdie Einfügungsdämpfung in Vorwärtsrichtung dar. Da die Dämpfung in Vorwärtsrichtung kleiner als in Rückwärtsrichtung sein sollte, werden 10,5 GHz als Betriebsfrequenz des Wellenleiters gewählt. Dieser Doppier-Detektor hat ähnliche Eigenschaften wie ein Mikrowellen-Isolator mit geringer Dämpfung in Vorwärtsrichtung und größerer Dämpfung in Rückwärtsrichtung, jo weil das Rückwärtssignal im Wellenleiter von den Dioden 2 und 3 absorbiert wird.

Fig.4 zeigt den Aufbau der Filtereinrichtungen 9a und 9b ausführlicher. Die Filtereinrichtung 9a und/oder 9b ist ein elektrischer leitfähiger, im wesentlichen langgestreckter kreiszylindrischer Körper mit einem kleinen Loch 16 im Boden zur Aufnahme einer oberen Kappe 15 der Diode 2 oder 3 und mit einer oberen Kappe lla oder 116, die als Ausgangsanschluß des Doppler-Detektors dient. Ferner ist der kreiszylindri- -*o sehe Körper außen mit mindestens drei ringförmigen Ausnehmungen 17 versehen, die in Axialrichtung auseinanderliegen, so daß sich mindestens drei kreisscheibenförmige Teile ergeben. Die Dicke w jedes kreisscheibenförmigen Teils beträgt ¹At der Wellenlänge. die Tiefe a der Ausnehmung 17 im 10-GHz-Bereich vorzugsweise 1,5 mm und der Abstand b der kreisscheibenförmigen Teile im 10-GHz-Bereich vorzugsweise 0,5 mm.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Wellenleiter 4 ein WR]-10-Wellenleiter (d\ =22,9 mm und c/₂ = 10.2 mm in den Fi g. IB und IC), die Frequenz 10.5 GHz, der Typ der Dioden 1N23, das Material des ferrimagnetischen Körpers 1 Mg-Mn-Ferrit, der Durchmesser des Körpers 1 5,8 mm und das Material der Filtereinrichtung 9a und/oder 96 Bronze, Ein anderes mögliches Material des ferrimagnetischen Körpers 1 ist Mg-Mn-Al-Spineli-Ferrit, CuZn-Spinell-Ferrit, Ni-Zn-Spinell-Ferrit und Y-AI-Granat-Ferrit.

Dieser Doppier-Detektor hat einen sehr einfachen «> und kompakten Aufbau, eine kleine Einfügungsdämpfung, eine hohe Empfindlichkeit, weil die Dioden praktisch das gesamte reflektierte Signal aufnehmen, und eine inherente Schutzfunktion für den Oszillator.

Der ferrimagnetische Körper 1 wirkt gleichzeitig als ei nicht reziprokes Dämpfungsglied, wie F i g. 3 zeigt, so daß der Doppler-Detektor den Mikrowellenoszillator vor dem schädlichen reflektierten Signal schützt, ohne Axialrichtung des Wellenleiters in der Mitte, in Querrichtung jedoch nicht in der Mitte angeordnet, wie Fig. I(B) zeigt. Das heißt, der Abstand des Körpers I von der einen Ε-Ebene ist nicht gleich deiji Abstand des Körpers 1 von der anderen Ε-Ebene. Dieser ferrimagnetische Körper 1 wird durch Dauermagnete !a und ib magnetisiert, die jeweils außerhalb des Wellenleiters 4 angeordnet sind. Zwischen den Η-Ebenen des Wellenleiters 4 sind zwei Dioden 2 und 3 angeordnet» Diese Dioden sind in Axinlrichtung des Wellenleiters 4 nebeneinander^ jedoch nicht in der Mitte zwischen den Η-Ebenen des Wellenleiters 4 angeordnet, wie F i g; I(B) zeigt Die Dioden 2 und 3 haben beide denselben Axialabstand α vom ferrimagnetischen Körper 1. Dabei liegen die Dioden 2 und 3 symmetrisch zu der mit der Achse des ferrimagnetischen Körpers I zusammenfallenden Querebene. Das heißt, der Körper 1 und die Dioden 2 und 3 liegen an den Ecken eines gleichschenkligen Dreiecks. Das eine Ende jeder Diode ist zum U/pllonlpiipr Λ ap^rript iinrl Ha«; nnderp F.nde ieder Diode mit einer Drossel- oder Filtereinrichtung 9a bzw. 9b verbunden. Diese Drosseleinrichlungen wirken wie eine Induktivität. Zwei ohmsche Arbeitswiderstände 10a und 106 liegen zwischen einem oberen Ende jeder Drosseleinrichtung und dem Boden oder Erde (der Wellenleiterwand). Die Verbindungspunkte 11 a und 11 b von Drosseleinrichtung und Arbeitswiderstand sind die Ausgangsanschlüsse des Doppler-Deteklors. Ferner ist eine i'inne dielektrische Platte 8 aus beispielsweise Al₂Oi zwischen den Η-Ebenen zur Feineinstellung der Phasenlage der Ausgangssignale angeordnet. Diese Platte 8 ist zur Phaseneinstell-Mig in der Richtung A verschiebbar. Ferner kann in dem Wellenleiter zur Beseitigung des Stehwellenverhältnisses bzw. der Welligkeit ein (nicht dargestellter) kleiner Zapfen vorgesehen sein.

Nachstehend wird die Wirkungsweise des Doppier-Detektors anhand von F i g. 2 beschrieben. Mit 20 ist der sich bewegende Gegenstand bezeichnet, der sich in der Richtung Θ zur Achse des Wellenleiters 4 mit der Geschwindigkeit ν bewegt. Mit Fi. ist das Eingangs-Mikrowellensignal aus dem Generator 7 und mit Fr das von dem sich bewegenden Gegenstand 20 reflektierte Signal bezeichnet.

Das elektromagnetische Feld des Eingangs-Mikrowellensignals Fl wird durch den ferrimagnetischen Körper 1 im Wellenleiter 4 gedreht, wie es durch die • Bahn 21 in F i g. 2 dargestellt ist, und diese Mikrowellen- -. signal Fi. wird von der Antenne 6 zu dem sich bewegenden Gegenstand 20 abgestrahlt. Hierbei wird ein Teil des Signals Ft. aus der Bahn 21 zu den beiden Dioden 2 und 3 abgezweigt. Die jeweils zu den C .öden 2 und 3 abgezweigten Signale Ft t und Fi 2 sind aufgrund des Abstands der Dioden in Axialrichtung des Wellenleiters um einen entsprechenden Betrag Φ zueinander phasenverschoben und dienen als Bezugssignale des Doppier-Detektors. Die Phasenverschiebung Φ ist so gewählt, daß sie in dem Bereich 0°<Φ<180° liegt und beträgt vorzugsweise 90°. Die Feineinstellung dieser Phasenverschiebung Φ ist durch eine Verschiebung des dielektrischen Schieber 8 (s. F i g. 1 B) in Axialrichtung des Wellenleiters 4 möglich.

Das an dem sich bewegenden Körper 20 reflektierte Signal Fr wird dem Wellenleiter 4 über die Antenne 6 zugeführt und ebenfalls durch den ferrimagnetischen Körper 1 gedreht Das Signal Fr wird ferner an der Oberfläche des ferrimagnetischen Körpers 1 reflektiert, und die am ferrimagnetischen Körper 1 reflektierten

daß eine zusätzliche Sperre erforderlich ist.

Der einfache Aufbau des Doppler-Detektors ist insbesondere eine Folge des Fehlens eines magischen t, eines Phasengeneraiors und eines verzweigten Wellenleiters.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Doppler-Detektor mit einem rechtwinkligen Wellenleiter, der zwei H-Ebenen-Wände und zwei E-Ebanen-Wände sowie zwei Flanschen an beiden Enden der Wände aufweist, von denen der eine Flansch an einen Mikrowellen-Oszillator und der andere an eine Antenne angeschlossen ist, mit einem ferrimagnetischen Körper, der in den Wellenleiter ₍₀ eingesetzt und durch einen außerhalb des Wellenleiters angeordneten Dauermagneten magnetisiert ist, und mit zwei Dioden, die zwischen den H-Ebenen des Wellenleiters in Richtung von dessen Achse vor und hinter dem ferrimagnetischen Körper angeordnet sind und das Ausgangssignal des Doppeler-Deiektors abgeben, dadurch gekennzeichnet, daß