DE3002045A1 - Nahbereichs-dopplerradar - Google Patents

Description

_ 4 Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Nahbereichs-Dopplerradar. Im einzelnen richtet sie sich auf ein Dopplerradar, das die Geschwindigkeit eines Autos oder im weiteren Sinne irgendeines Fahrzeugs durch Abstrahlung von Mikrowellen und Nachweis der Doppler-Verschiebung der reflektierten Mikrowellen mißt. Insbesondere bezieht sie sich auf den Aufbau eines Sende- und Empfangsteils für Mikrowellen.

Bei einem Nahbereichs-Radar wie dem Dopplerradar zur Messung der wahren Geschwindigkeit eines Autos muß die Sendeleistung im Hinblick auf die Beeinflussung von Radioeinrichtungen usw. sehr gering (1 - 10 μΉ oder weniger) gewählt werden. Andererseits sollte die Empfangsempfindlichkeit so hoch wie möglich gemacht werden.

Ein Mikrowellen verwendendes Dopplerradar ist so auf— gebaut, daß zum Nachweis der Doppler-Verschiebung der empfangenen reflektierten Wellen eine Mischschaltung vorgesehen ist, die die empfangenen Wellen und die Empfängeroszillatorwellen mischt, so daß die Differenzkomponente der beiden Frequenzen aus deren Ausgangssignal· ermittelt werden kann. Dm eine selbstfahrende Anlage so klein wie möglich zu halten, ist ein Sender/Empfänger für Mikrowellen als integrierte Mikrowellenschaltung aufgebaut, wobei eine Mischerdiode als Mischschaltung verwendet wird.

Um eine Mischerdiode mit hoher Empfindlichkeit zu betreiben, ist eine Treiberleistung von ungefähr 1 mW notwendig. Dabei kann ein spezieller abgeglichener Mischer oder dergleichen verwendet werden, um die Mikrowellenstreuleistung zu vermindern. Es ergab sich jedoch das Problem, daß sich bei ungleicher zeitlicher Verschlechterung der den abgeglichenen Mischer bildenden zwei Dioden die Sende-

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leistung stark ändert.

Es ist daher Ziel der Erfindung, ein Mikrowellen verwendendes Dopplerradar zu schaffen, das eine geringe Sendeleistung erzeugt und gleichzeitig eine hohe Empfangsempfindlichkeit zeigt. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Mikrowellen verwendenden Dopplerradars, dessen Sendeleistung auch dann stabil ist, wenn sich die Charakteristiken von Mischerdioden, die Bauteile desselben sind, mit der Zeit verschlechtert haben.

0 Das hierzu erfindungsgemäße vorgeschlagene Mikrowellen-Dopplerradar umfaßt einen Oszillator, eine mit einer Grundfrequenzkomponente des Oszillators betriebene Frequenzvervielfachervorrichtung, eine Filterschaltung, die aus den durch die Frequenzvervielfachervorrichtung erzeugten höheren harmonischen Komponenten eine auswählt, eine Antenne, welche die ausgewählte Frequenzkomponente nach außen abstrahlt und reflektierte Wellen zur abgestrahlten Frequenzkomponente empfängt, und eine Schaltung, welche eine Niederfrequenzkomponente herausgreift, die erzeugt wird, wenn die empfangenen reflektierten Wellen auf die Frequenzvervielfachervorrichtung gegeben werden.

Im einzelnen ist die Frequenzvervielfachervorrichtung aus einer Mischerdiode oder einer Gunn-Osζillatorvorrichtung aufgebaut, eine Platte, die eine integrierte Mikrowellenschaltung, die aus Elementen,wie der Mischerdiode, und Mikro-Streifenleitungen zur Aufgabe des Oszillatorausgangssignals auf das Element und zur Abnahme der das Mischausgangssignal des Elements darstellenden Niederfrequenzkomponente aufgebaut ist, im Inneren eines Metallgehäuses angeordnet, und ein Fenster in einem Teil des Gehäuses so vorgesehen, daß das Fenster und eine Hornantenne gekoppelt sind.

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Nach dem. erfindungsgemäßen Dopplerradar kann trotz des Betreibens der die Frequenzvervielfachervorrichtung darstellenden Mischerdiode mit der dafür notwendigen hohen Leistung die Leistung der abgestrahlten elektrischen WeI-len verglichen mit der TreiberIeistung des Mischers erheblich vermindert v/erden, weil eine der höheren Harmonischen der Mischerdiode durch das Filter ausgewählt und dann abgestrahlt wird.

Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben. · Auf dieser ist

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des Aufbaus einer Ausführungsform des Nahbereichs-Dopplerradar gemäß der Erfindung, und

Fig. 2 eine Darstellung des Aufbaus der wesentlichen

Teile einer weiteren Ausfuhrungsform des Nahbereichs -Dopplerradar gemäß der Erfindung. 20

Fig. 1 zeigt ein mit einer metallenen Wand aufgebautes Bauteil (Dopplerradar-Modul) 1, in dem ein eine integrierte Mikroschaltung bildendes dielektrisches Substrat 4 angeordnet ist, wobei zur Darstellung des Inneren ein Teil der Wand abgebrochen ist.

Ein Grundwellenoszillatorabschnitt ist aus einer im Bauteil angeordneten Gunn—Diode 2 und einer Vorspannungsschaltung aufgebaut, die aus einer Gleichspannungsquelle DC, einem Stecker 9 und einer auf dem Substrat 4 ausgebildeten Streifenleitung 5 ausgebildet ist, wobei die drei Komponenten zur Aufgabe der für die Oszillation der Gunn-Diode notwendigen Vorspannung in Reihe geschaltet sind. Die Grundfrequenz f des Oszillationssignals der Gunn-

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Diode 2 wird durch die Streifenleitung 5 und einen HaIbwellenlängenresonator β in Form einer gekrümmten Streifenleitung bestimmt. Die Leistung des Grundwellen-Oszillationssignals wird über eine Streifenleitung 10 auf eine Mischerdiode 11 gegeben.

Eine Tiefpaßfilter-Vorspannungsschaltung 7 und eine reflexionsfreie Abschlußschaltung 8 für die Grundwelle verhindern, daß höhere harmonische Komponenten und die Grundwellenkomponente in die Gleichvorspannungsseite laufen.

Die Mischerdiode 11 wirkt als Frequenzvervielfachervorrichtung und erzeugt bei Betreiben mit der Grundwelle f ein Oberwellensignal/ das ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz f ist. Im allgemeinen nimmt die Leistung der Oberwellensignale mit zunehmender Ordnung ab.

Da die Wand des Bauteils 1 und ein auf die Rückseite des Substrats 4 geklebter Leiter an einer der Mischerdiode 11 entsprechenden Lage gemäß Wiedergabe durch eine gestrichelte Linie 13 entfernt sind, wird ein dielektrisches Fenster gebildet und ein rechteckiger Wellenleiter 14 mit einem durch die gestrichelte Linie 13 angegebenen Querschnitt dort angekoppelt. Ein Steg 12 schließt einen der Anschlüsse der Mischerdiode 11 für die Grundwelle kurz, während Stege 15 und 16 beide Anschlüsse der Mischerdiode 11 mit dem Leiter auf der Rückseite des Substrats 4 bei einer durch die Mischerdiode 11 erzeugten gewünschten Sende-Oberfrequenz (n-f , wobei η eine ganze Zahl bedeutet) kurzschließen. Ein Steg 17 paßt die Eingangsimpedanz der Mischerdiode 11 an die Grundwelle f an. Der Ausgangswellenleiter 14 schneidet für unter der ins Auge gefaßten Sendewellefrequenz n-f liegende Frequenzen ab und arbeitet als Hochpaßfilter. Das Fenster 13 ist der ins Auge gefaßten Sende-Oberfrequenz n-f selektiv angepaßt

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und dämpft unerwünschte Harmonische in einem"höheren Frequenzband. Demzufolge überträgt der Ausgangsv7ellenleiter 14 nur das beabsichtigte harmonische Ausgangssignal und strahlt Mikrowellen schwacher Leistung über die Hornantenne 23 nach außen ab. Die abgestrahlten Mikrowellen werden durch einen Reflektor, etwa die Straßenoberfläche, reflektiert und erleiden eine Doppler-Verschiebung AJi, so daß sich eine Frequenzkomponente (n-f + Af) ergibt. Diese wird über die Hornantenne 23 und dem Wellenleiter 14 wieder auf die Mischerdiode 11 gegeben.

Die von dem reflektierenden Objekt reflektierten Wellen haben eine sogenannte Doppler-Verschiebung erfahren, wobei die Frequenzdifferenz &£ zwischer gesendeter und empfangener Welle, die der Geschwindigkeit des Mikrowellensendeund—ampfangsabschnitts proportional ist, über die Mischerdiode 11 nachgewiesen wird. Das empfangene Signal wird mittels einer Gleichstrom-Rücklaufschaltung 18 und einer Streifenleitung 19 über einen Ausgangssignalanschluß 20 auf einen Lastwiderstand 21 gegeben und als Doppler-Signal nachgewiesen.

In der vorliegenden Ausfuhrungsform ist die Grundwellenoszillationsfrequenz f auf 12 GHz eingestellt, und die 24 GHz Sendeausgangslexstung beträgt bei einer Eingangsleistung für die Mischerdiode von 0,5 mW und einem Lastwiderstand von 1 kXL ungefähr 10 jiw. Die Feineinstellung der Sendeleistung kann nicht nur durch Einstellung der Treiberleistung für den Mischer oder die Vorspannung für die Gunn-Diode 2 geschehen, sondern auch durch Einstellung des Lastwiderstands 21. Die Scharfeinstellung der Sendeleistung hängt von der Wahl der Vervielfachungsordnung bei der Konstruktion ab, wobei die Verminderung der Sendeleistung durch Verwendung einer Hochfrequenz höherer Ordnung erleichtert wird.

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Wenn andererseits, die Vervielfachungsordnung η sehr groß gewählt wird, nimmt der Empfangs-Umformungsverlust des harmonischen Mischers zu. Es ist daher gewöhnlich zweckmäßig, die Vervielfachungsordnung in einem Bereich von η = 2 bis 5 einzustellen.

Das Doppler-Radar gemäß der Erfindung nutzt den üiuformungsverlust des Vervielfachers für die Verminderung der Sendeleistung gegenüber der Mischertreiberleistung aus und ist daher dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Sendeleistung mit der Zeit sehr viel geringer als die Schwankung der Streuleistung bei einem herkömmlichen System mit abgeglichenem Mischer, das die gleiche Sendefrequenz verwendet, ist.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Dopplerradars besteht darin, daß die Oszillationsfrequenz, verglichen mit der beabsichtigten Sendefrequenz, niedrig gehalten werden kann. Im allgemeinen ist eine Oszillatorvorrichtung für niedrige Frequenzen leichter herzustellen und im Betrieb stabiler als eine solche für höhere Frequenzen.

Das heißt, gemäß der Erfindung läßt sich ein Mjllimeter-Dopplerfädar unter Verwendung einer billigen Mikrowellen-Oszillatorvorrichtung ohne teure Millimeterwellen-Oszillatorvorrichtung oder spezielle Kapazitätsdiode (Varactor-Diode) für die Vervielfachung herstellen.

Ferner ist es gemäß der Erfindung möglich, ein Mikrowellen- oder MilliKieterwellen-Dopplerradar hoher Frequenz unter Verwendung eines billigen Niederfrequenztransistors als Oszillatorvorrichtung aufbauen.

Fig. 2 zeigt das Schaltbild einer weiteren Ausführungsform des Nahbereichs-Dopplerradar gemäß der Erfindung.

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Diese Ausführungsform ist in einer Weise

vereinfacht, daß anstelle der Mischerdiode die Gunn-Diode 2 für die Oszillation das Vervielfachen für das Senden und das harmonische Mischen für den Empfang durchführt. Die übrigen Teile sind die gleichen wie bei der Äusführungsform der Fig. 1.

Die Oberwellen n-f der Gunn-Diode 2, die bei einer durch den Streifenleitungsresonator 6 bestimmten Grundfrequenz f arbeitet, werden über den Ausgangswellenleiter als Sendeleistung übertragen. Empfangene Wellen werden direkt auf die Gunn-Diode 2 gegeben, wobei ein durch die Nichtlinearität der Gunn-Diode 2 nachgewiesenes Dopplersignal über dem Lastwiderstand 21 vorgesehen wird. Hinsichtlich des Lastwiderstands 21 sollte ein Wert ausgewählt werden, der verglichen mit dem Gleichspannungswiderstand der Gunn-Diode 2 nicht sehr hoch ist, wobei ein Wert der Größenordnung von 10-TL vorgesehen wird. Als Kondensator 22 wird eine Kapazität von wenigstens 100 \ιΊ? vexwendet, um die Impedanz für das niederfrequente Dopplersignal niedrig zu machen.

Wie oben ausgeführt, läßt sich nach der Erfindung mit einer einfachen Schaltungsstruktur ein Doppler radar aufbauen, dessen Sendeleistung verglichen mit der Mischertreiberleistung schwach ist, wobei sich das Sendeausgangssignal leicht stabilisieren läßt.

Beim Doppler-Radar gemäß der Erfindung sind Oszillationsfrequenz und Sendeausgangsfrequenz in der Beziehung von Harmonischen gekoppelt. Daher ist die Kopplung zwischen einer Ausgangsschaltung und einem Oszillator gering, so daß der Oszillator gegenüber äußeren Signalen oder LastSchwankungen außergewöhnlich stabil ist.

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PATENTANWÄLTE SCHJFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-ΗΟΡΓ EQBINGHAUS FINCK MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MDNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O, D-8OOO MÖNCHEN 95 HITACHI, LTD. und 21. Januar 19 80 NISSAN MOTOR CO., LTD. DEA-25 070 Nahbereichs-Dopplerradar PATENTANSPRÜCHE

1. Nahbereichs-Dopplerradar, gekennzeich-• net durch einen Oszillator, eine durch ein Ausgangssignal des Oszillators angesteuerte Frequenzvervielfachervorrichtung, die Oberfrequenzkomponenten zu einer Frequenz des Oszillatorausgangssignals erzeugt/ eine Filterschaltung, die eine der Oberfrequenzkomponenten auswählt, eine Antenne (23), die die Ausgangsgröße der Filterschaltung darstellende elektrische Wellen nach außen abstrahlt und reflektierte Wellen zu den

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abgestrahlten elektrischen Wellen empfängt, und eine Schaltung, die eina Niederfrequenzkcirponente herausgreift, die erzeugt wird, wenn die empfangenen reflektierten Wellen auf die Frequenzvervielfachervorrichtung gegeben werden. 5

2. Nahbereichs-Dopplerradar nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein dielektrisches Substrat (4), welches eine integrierte Mikro-Schaltung aufbaut, die die Frequenzvervielfachervorrichtung und eine Mikro-Streifenleitung (10) zur Kopplung des Ausgangs des Oszillators auf die Frequenzvervielfachervorrichtung enthält, an der Innenwand eines metallenen Bauteilgehäuses (1) angebracht ist und daß die Filterschaltung aus einem in der Gehäusewand vorgesehenen Fenster (13) und einem Wellenleiter (14) zur Kopplung des Fensters und der Antenne (23) aufgebaut ist.

3. Nahbereichs-Dopplerradar nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Frequenz-Vervielfachervorrichtung eine Mischerdiode (11) ist.

4. Nahbereichs-Dopplerradar' nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Oszillator und die Frequenzvervielfachervorrichtung als ein Teil aus einer einzelnen Gunn-Diode (2) aufgebaut sind.

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5. Nahbereichs-Dopplerradar nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet / daß die Ordnung der auszuwählenden Oberfrequenz im Bereich zv/ischen 2 und 5, einschließlich der Grenzen, liegt. 5

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