DE3321224C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Radargerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Radargerät ist bekannt aus dem Artikel "Requirements on Master Oscillators for Coherent Radar" von R. S. Raven, in: Proceedings of the IEEE, Vol. 54 (1966) Nr. 2, Seiten 237 bis 243.

Die Messung von Entfernungen mit Hilfe von Millimeterwellen hat gegenüber Mikrowellenverfahren den Vorteil der geringeren Antennenabmessungen und der größeren Reflexionsquerschnitte der Zielobjekte. Gegenüber Methoden, die kürzere Wellenlängen (Licht, Infrarot-Wellen) benutzen, zeigen sich Millimeterwellenverfahren als erheblich unempfindlicher gegenüber Umwelteinflüssen (Verschmutzung). Die für die Entfernungsmessung mit Hilfe von Millimeterwellen eingesetzten elektronischen Verfahren stammen im allgemeinen aus der Radartechnik im Mikrowellenbereich (1-30 GHz). Bei Frequenzen oberhalb von 30 GHz wird der Aufbau von frequenzstabilen Oszillatoren allerdings wesentlich aufwendiger als im Mikrowellenbereich, weswegen, es hier, gerade für einfache und preisgünstig aufzubauende Radargeräte, wünschenswert erscheint, mit einem einzigen Oszillator für Senden und Empfang auszukommen.

In dem eingangs erwähnten Artikel von R. S. Raven wird ein Dauerstrich- Radargerät beschrieben, das einen Oszillator hat, welcher sowohl das Sendesignal als auch das Lokaloszillatorsignal für den Empfangsmischer erzeugt. Das Signal f_c des Oszillators wird in einem Modulator mit dem Signal eines weiteren Oszillators moduliert, dessen Frequenz f₀ im Verhältnis zur Sendefrequenz niedriger ist. Eines der dabei entstehenden (ausgefilterten) Seitenbänder f_c+f₀ wird in verstärkter Form als Sendesignal einer Sendeantenne zugeführt. Das von einer separaten Empfangsantenne empfangene und um die Dopplerfrequenz f_D verschobene Empfangssignal f_c+f₀+f_D wird in einem zweiten Mischer mit dem Signal der Frequenz f_c des Oszillators gemischt und das durch die Mischung entstehende Zwischenfrequenzsignal f₀+f_D einem Empfänger zugeleitet.

Aus dem Buch von M. I. Skolnik: "Introduction to Radar Systems" (Mc Graw-Hill Book Company, New York, 1962), Seiten 77-78 ist ein Radargerät bekannt, das einen Oszillator hat, der sowohl das Sendesignal f₀ als auch das Lokaloszillatorsignal f₀+f_if erzeugt. Hierzu wird das Signal des Oszillators mittels eines weiteren Oszillators, dessen Frequenz f_if im Verhältnis zur Sendefrequenz f₀ niedriger ist, in einem Mischer moduliert. Eines der entstehenden Seitenbänder f₀+f_if wird über ein Bandfilter ausgefiltert und dem Empfangsmischer als Lokaloszillatorsignal zugeführt.

In dem Artikel von H. Meinel: "Entfernungsmessung mit frequenzmodulierten Millimeterwellen-Dauerstrich-Radargeräten", in: Technische Mitteilungen AEG-TELEFUNKEN 67 (1977) Nr. 2, Seiten 111-112 wird ein Millimeterwellen-Dauerstrich-Radargerät beschrieben. Der Sendeoszillator wird in der Frequenz kontinuierlich moduliert und ein Teil seiner Leistung über einen Zirkulator als lokales Signal dem Empfangsmischer zugeführt. Eine solche Anordnung ist bei einem Pulsradar nicht anwendbar.

Aus dem Artikel von K. Lindner und A. Plattner: "GERA - ein 35-GHz-Pulsdopplerradar hoher Auflösung"; in: Technische Mitteilungen AEG-TELEFUNKEN 68 (1978) 6/7, Seiten 255-258 ist ein Pulsdopplerrader bei 35 GHz bekannt. Zur Erzeugung der Kohärenz im Sende- und Empfangsteil wird ein gemeinsamer Steueroszillator bei 34,5 GHz verwendet. Der Sendeoszillator ist als selbstschwingender Mischer mit einer Eigenfrequenz von 35 GHz ausgeführt und liefert Sendepulse bei dieser Frequenz. Er wird mit 0,5 GHz pulsmoduliert. Der Steueroszillator erzeugt zum einen das lokale Signal für den Empfangsmischer und synchronisiert zum anderen den Sendeoszillator auf dessen unterem Seitenband. Dieses bekannte Pulsradar benötigt also zwei Millimeterwellenoszillatoren.

Aus IEEE MTT-S Digest, 1979, Seiten 79/80 ist ein selbstmischender Gunn-Oszillator bei 93 GHz bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung für ein gepulstes Radargerät zur Messung kurzer Entfernungen anzugeben, mit nur einem einzigen Millimeterwellenoszillator, der sowohl die Sendeleistung als auch die Lokaloszillatorleistung erzeugt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Der weitere Anspruch hat eine vorteilhafte Weiterbildung bzw. Ausführung der Erfindung zum Gegenstand.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Millimeterwellenoszillator 1, z. B. ein Gunn-Oszillator, wird über eine Hochfrequenz-Gleichstromtrennung ("Bias-T") 2 sowohl aus einer Gleichstromversorgung 3 als auch aus einem Mikrowellenverstärker 4 gespeist. Der Mikrowellenverstärker 4 wird über einen Schalter 5 von einem Mikrowellen-Oszillator 6 z. B. im Frequenzbereich 500 MHz bis 1 GHz angesteuert. Der Schalter 5 wird so geöffnet und geschlossen, daß das Mikrowellen-Oszillatorsignal pulsförmig auf den Verstärker 4 gelangt.

Durch die pulsförmige Modulation des Millimeterwellen- Oszillators 1 entstehen in dessen Ausgang neben der eigentlichen Trägerschwingung auch Seitenbänder dieses Trägers. Diese Seitenbänder weisen wie die aus dem Verstärker 4 gelieferte Modulationsleistung pulsförmigen zeitlichen Verlauf auf, und liegen um die Frequenz des Oszillators 6 versetzt unter- und oberhalb der Trägerschwingung des Oszillators 1. Eines der erzeugten Seitenbänder wird durch ein Bandfilter 7 zur Antenne 8 durchgelassen und als Sendesignal abgestrahlt.

Die Trägerschwingung und das andere Seitenband werden an dem Bandfilter 7 reflektiert und über einen ersten Zirkulator 9 auf den Lokaloszillator-Eingang eines Empfangsmischers 10 geleitet. Der Empfangsmischer erhält sein Empfangssignal ebenfalls aus der Antenne 8 mit einem als Sende-Empfangsweiche geschalteten zweiten Zirkulator 11. Im Empfangsmischer 10 entsteht die Zwischenfrequenz, die in einem ZF-Verstärker 12 verstärkt und in einem Detektor 13 detektiert wird.

Die Frequenz des Zwischenfrequenzsignals ist etwa gleich der Frequenz des Oszillators 6. Sie ist nicht genau identisch mit dieser, weil die Frequenz der Trägerschwingung des modulierten Millimeterwellen-Oszillators 1 durch verschiedene Rückwirkungseffekte zum Zeitpunkt der Pulsansteuerung etwas abweicht von der freilaufenden Oszillatorfrequenz, d. h. während der Pulspause.

Der Vergleich der zeitlichen Verläufe der Pulsansteuerung des Schalters 5 und der Ausgangspulse des Detektors 13 kann in der üblichen Weise zur Bestimmung der Laufzeit des Sendepulses zum Ziel und zurück zum Empfänger benutzt werden.

In der hier beschriebenen Schaltung wird der Oszillator 1 moduliert und ein Mischprodukt des Modulationsvorgangs ausgefiltert. Der Konversionsverlust eines solchen modulierten Oszillators wurde gemessen. Es handelt sich dabei um einen 65 GHz Gunn-Oberwellen-Oszillator (2. Harmonische) der mit ca. 1 GHz und Leistungen von bis zu 100 mW moduliert wurde. Die Abstimmung des Oszillators wurde so eingestellt, daß nur das untere Seitenband bei 64 GHz und die Trägerschwingung bei 65 GHz erhebliche Leistungen produzieren.

In Fig. 2 ist die Ausgangsleistung des unteren Seitenbands aufgetragen über der Leistung der Modulationsquelle. Man erkennt, daß bei 100 mW (20 dBm) Modulationsleistung etwa 5 mW Seitenbandleistung erzeugt wurde. Der Kurvenverlauf deutet ferner an, daß noch wesentlich höhere Leistungen zu erwarten sind für höhere Modulationsleistungen, da eine erhebliche Kompression (Sättigung) noch nicht auftritt bis 100 mW Modulationsleistung.

Mit Pulsleistungen von einigen Milliwatt bis einigen 10 mW, wie sie bei dem untersuchten Oszillator erzeugt werden, können in praktischen Ausführungen Radar-Reichweiten des in Fig. 1 dargestellten Geräts von einigen zehn bis einigen hundert Meter erreicht werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung ist in Fig. 3 gezeigt. In dieser Schaltung wird der Millimeterwellen- Oszillator 1 im Sendefall genau wie in der Schaltung nach Fig. 1 aufgesteuert. Dabei wird das als Sendesignal benutzte Seitenband über eine Frequenzweiche 14 (welche die Funktion des Bandfilters 7 erfüllt) auf die Antenne geleitet, während die erzeugte Trägerschwingung und das andere Seitenband auf einem Sumpf 15 geleitet werden.

Im Empfangsfall wird das Echo-Signal wiederum über die Frequenzweiche 14 auf den Oszillator 1 geleitet. Ebenso wie bei der Modulation des Oszillators mit einer relativ niedrigen Modulationsfrequenz (Sendefall) kann der Oszillator auch beim Empfang eines Signals mit annähernd der eigenen Schwingungsfrequenz Mischprodukte erzeugen, im Empfangsfall also das ZF-Signal.

Diese Konfiguration ist in der Technik als selbstschwingender Mischer bekannt. Gegenüber Mischern (z. B. Schottky-Dioden) mit getrennt aufgebauten Lokaloszillatoren hat diese Schaltungsform wesentlich schlechtere Rauschzahlen, weswegen diese Schaltung wie auch dann die gesamte Radarschaltung nach Fig. 3 eine verringerte Empfindlichkeit aufweisen. Um die Modulationsleistung vom Mikrowellenverstärker 4 her von dem Zwischenfrequenzverstärker 12 fernzuhalten ist es nötig, einen wirksamen Schalter 16 in den Pfad zwischen Oszillator 1 und dem Zwischenfrequenzverstärker 12 einzufügen.

Die in Fig. 3 gezeigte Schaltung läßt in praktischen Ausführungen wegen der niedrigen Sendeleistung von einigen mW bis einigen zehn mW und der bekannt hohen Rauschzahl des selbstschwingenden Mischers Radar-Reichweiten bei einigen zehn Metern erwarten.

Claims (2)

1. Radargerät, insbesondere Millimeterwellen-Radargerät zur Messung kurzer Entfernungen, mit einem Oszillator, welcher sowohl das Sendesignal als auch das lokale Signal für einen Empfangsmischer erzeugt, wobei der Oszillator mit einer im Verhältnis zur Sendefrequenz niedrigen Frequenz moduliert ist und eines der entstehenden Seitenbänder über ein Bandfilter ausgefiltert und als Sendesignal einer Antenne zugeführt ist und wobei die kontinuierliche Trägerschwingung des Oszillators als lokales Signal dem Empfangsmischer zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Modulation des Oszillators (1) pulsförmig erfolgt;
• - daß der Oszillator (1) ausgangsseitig über eine aus einem ersten Zirkulator (9), dem Bandfilter (7) und einem zweiten Zirkulator (11) bestehende Reihenschaltung mit der Antenne (8) verbunden ist und daß die beiden Zirkulatoren (9, 11) jeweils mit ihrem anderen Ausgang an den Empfangsmischer (10) angeschlossen sind oder
• - daß der Oszillator (1) zusätzlich als selbstschwingender Empfangsmischer arbeitet und daß über das als Frequenzweiche (14) ausgebildete Bandfilter das eine Seitenband auf die Antenne (8) geführt ist und das andere Seitenband sowie die Trägerschwingung auf einen Sumpf (25) geführt sind.

2. Radargerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (1) ein Millimeterwellenoszillator ist, und daß ein Hilfsoszillator (6) die Modulationsfrequenz im oder unterhalb des Mikrowellenbereichs erzeugt.