DE3336610A1 - Mikrowellenschranke - Google Patents
MikrowellenschrankeInfo
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Description
Mikrowellenschranke
Mikrowellenschranken finden dazu Verwendung, Räume bzw. Schutzzonen gegenüber Eindringlingen
zu sichern. Der Mikrowellensender und der Mikrowellenempfänger sind hierbei an den entgegengesetzten
Enden einer zu überwachenden Strecke angeordnet. Wird der Mikrowellen-Antennenstrahl
durch einen Eindringling ganz oder teilweise unterbrochen, so löst eine im Empfänger vorgesehene
Schaltung ein Alarmsignal aus.
Der von einer solchen Mikrowellenschranke erfaßte Bereich muß sich einerseits bis zum Erdboden
erstrecken (damit ein Eindringling nicht unter dem Strahl hindurchkriechen kann) und muß andererseits
hoch genug reichen (um ein Überspringen
auszuschließen).
Eine bekannte Mikrowellenschranke (GB-PS 1 475 111)
verwendet einen einzigen Antennenstrahl bzw. eine Anzahl von Antennenelementen, die einen einzigen
Strahlausbreitungswinkel bestimmen. Wie im folgenden näher dargelegt wird, ergibt sich hieraus
ein unbefriedigender Kompromiß zwischen den Forderungen guter Überwachung in Bodennähe (Schutz
gegen Unterkriechen) und in der Hohe (Schutz gegen Überspringen).
Mikrowellenschranken müssen im allgemeinen eine Reichweite (Länge der geschützten Strecke) zwischen
10 und 200 m besitzen. Ein Alarm soll dabei ausge-
löst werden, wenn ein Eindringling versucht, unter der Mikrowellenschranke hindurchzukriechen, durch
die Schranke hindurchzulaufen oder sie zu überspringen. Um diesen Forderungen gerecht zu werden,
muß sich die Überwachungszone einerseits bis zum Erdboden und andererseits bis zu einer Höhe von
über 2 m erstrecken. I
Um beiden Forderungen zu genügen, wäre es vorteilhaft,
einen Antennenstrahl zu verwenden, der im Bereich des Senders und des Empfängers eine verhältnismäßig
große vertikale Erstreckung besitzt. Nun sind die Strahlbreite und die geometrischen
Abmessungen einer Mikrowellenantenne"mit der Wellenlänge
der Strahlung durch folgende Formel verknüpft:
Strahlbreite (in Grad) £ü Λ,/a
wobei \ = Wellenlänge a = Apertur der Antenne
Zur Erzielung einer großen Strahlbreite ist somit ein kleiner Wert der Anntennenapertur erforderlich.
Die Strahlbreite entspricht dem Winkel, unter dem sich die Strahlung von der Antenne ausbreitet.
Numerisch entspricht sie dem Winkelbereich, in dem der Hauptteil des Mikrowe1lensignales fokussiert
ist.
Ist eine Antenne mit einer Apertur von 20 cm in einer Höhe von 100 cm über dem Boden angeordnet
(vgl. Fig.1), so ergibt sich bei einer Wellenlänge
von 3 cm eine Strahlbreite von 8,6°. Der Antennenstrahl
divergiert somit um 4,3° nach oben und unten, Dieser Antennenstrahl trifft in einer Entfernung
von 12 m (vom Sender bzw. Empfänger) den Boden bzw.
die 2 m Höhe.
Verringert man die Apertur der Antenne, so vergrößert man die Divergenz des Antennenstrahles.
Demgemäß rücken die Punkte, an denen der Antennenstrahl den Boden bzw. die 2 m Höhe erreicht, näher
an den Sender bzw. Empfänger heran. Dies ist zwar ein Vorteil für die Überwachung, führt jedoch
zu erheblichen Problemen durch Bodenreflexionen.
Ist kein Eindringling vorhanden, so besteht das vom Empfänger aufgenommene Signal aus zwei Hauptkomponenten,
nämlich dem direkten Signal und dem am Boden reflektierten Signal (vgl. die Schemadarstellung
in Fig.2).
Die elektrische Empfangsfeldstärke E ergibt sich aus folgender Formel:
— ι λ Α. 30
r ~ 1 '
wobei E1 = elektrische Empfangsfeldstärke
resultierend aus dem direkten
Signal,
30
30
Cx. = Bruchteil des vom Boden reflektierten
Signales,
0 β L (
Λ»
Λ»
'λ' = Wellenlänge
h = Montagehöhe des SySteines R= Abstand von Sender und Empfänger.
h = Montagehöhe des SySteines R= Abstand von Sender und Empfänger.
Die beiden Komponenten des empfangenen Signales besitzen somit eine Phasenverschiebung 0. Die
Größe des empfangenen Signales hängt daher von der Größe der am Boden reflektierten Komponente
und von der Phasenverschiebung (0) ab.
Bei sehr niedrigen Werten des Winkels θ , unter dem der Antennenstrahl den Boden trifft (vgl.
Fig.2), ist die Größe der am Boden reflektierten
Komponente gleich der direkten Komponente. Die Phasenverschiebung von 180°, welche die am Boden
reflektierte Welle bei der Reflexion erfährt, trifft ferner sowohl auf horizontal wie vertikal,
demgemäß kreisförmig polarisierte Wellen zu. Die am Boden reflektierte Komponente stellt daher
bei Mikrowellenschranken ein allgemeines Problem dar, da sie bei bestimmten Entfernungen und bestimmten
Montagehöhen die direkte Komponente auslöscht.
Praktische Mikrowellenantennen fokussieren die Strahlung in einen Strahl. Die Größe des am Boden
reflektierten Signales wird dabei auch von der Strahlbreite der Antenne beeinflußt. Breitere
Strahlen ergeben größere Werte des am Boden reflektierten Signales.
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Pig.3 verdeutlicht den Bodenreflexionseffekt für eine vertikale Antenne mit einer Apertur von 20 cm
und einer Montagehöhe von 100 cm über dem Boden. Das Diagramm zeigt die Abhängigkeit des Pegels des
empfangenen Signales vom Abstand zwischen Sender und Empfänger. Die Ordinate ist in logarithmischen
Einheiten des Empfangssignalpegels unterteilt. In der Abszisse ist - gleichfalls in logarithmischer
Teilung - der Abstand zwischen Sender und Empfänger aufgetragen. Man erkennt, daß bei bestimmten
Entfernungen, insbesondere bei 68 m, das empfangene Signal beträchtlich geschwächt wird. Der Grund
hierfür liegt darin, daß an diesen Stellen die am Boden reflektierte Komponente gegenphasig zur
direkten Komponente ist. Die Strahlbreite der Antenne gewährleistet , daß diese Effekte nicht
bei sehr kurzen Entfernungen auftreten, da der Strahl den Boden erst in einem Abstand von 12m
von beiden Enden trifft (entsprechend somit einem Gesamtabstand von 24 in).
Die gestrichelte Kurve in Fig.3 zeigt den Einfluß einer Verringerung der Montagehöhe der Antenne
um 10 cm. Der allgemeine Verlauf der Kurve bleibt hierbei ähnlich; die Lage der Minima ändert sich
jedoch. Dies führt in der Praxis in Fällen zu Schwierigkeiten, in denen sich die effektive Montagehöhe
durch das Wachstum der Vegetation oder durch Schneefall ändert. Hierdurch wird die effektive
Montagehöhe verkleinert, was dazu führen kann, daß das empfangene Signal in den Minimumbereichen
zu niedrig ist, um eine zuverlässige Funktion zu
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gewährleisten. Hieraus können Fehlalarnte und sonstige
Betriebsstörungen resultieren.
Eine Lösung dieses Problemes besteht darin, die Strahlbreite der Antennen zu verringern, um damit
die am Erdboden reflektierte Welle zu verkleinern. Der sich dabei ergebende schmalere Antennenstrahl
bietet jedoch keinen ausreichenden Schutz gegen ein Unterkriechen oder überspringen der Mikrowellenschranke
durch einen Eindringling. Bei Verwendung sehr großer Antennen mit einer Apertur von 2 m wäre ein ausreichender Schutz am Erdboden
und in einer Höhe von 2 m möglichy die große Antennen-Apertur
ergäbe jedoch Schwierigkeiten im Hinblick auf die Ausrichtung des sehr schmalen Antennenstrahles (etwa 0,86°), ferner auch bezüglich
der mechanischen Halterung, die zur Gewährleistung der Stabilität bei starkem Wind erforderlich
ist.
Eine andere Lösung des durch den Bodenreflexionseffekt verursachten Problemes besteht darin, dafür
zu sorgen, daß die am Boden reflektierte Komponente die direkte Komponente innerhalb der Installat
ions entfernung von 10 bis 200 m nie vollständig auslöscht. Zu diesem Zweck muß die Montagehöhe
der Antenne verringert werden. Fig.4 zeigt in der voll ausgezogenen Kurve die Verhältnisse bei
einer Montagehöhe der Antenne von 30 cm. Man erkennt bei einem Vergleich mit Fig.3, daß die relative
Empfangssignal-Amplitude mit dem Abstand Sender/Empfänger kontinuierlich abnimmt und daß
- η/- ΛΟ·
innerhalb des geforderten Abstandsbereiches keine Auslöscheffekte (wie bei Fig.3) auftreten. Die
Verringerung der Montagehöhe gegenüber den Verhältnissen in Fig.3 bewirkt zwar eine Vergrößerung
des am Boden reflektierten Signales, schließt jedoch eine vollständige Phasenopposition zum direkten
Signal aus. Tatsächlich ergibt sich die erste Auslöschung bei einem Abstand (zwischen Sender
und Empfänger) von 6m, d.h. bei einem Wert, der in Praxis nicht benötigt wird.
Die gestrichelte Kurve in Fig.4 zeigt die Verhältnisse
für eine Montagehöhe von 20 cm. Man erkennt, daß auch hier ein glatter Abfall der"relativen
Empfangssignal-Amplitude mit zunehmendem Abstand vorhanden ist und daß in dem dargestellten Abstandsbereich
keine direkte Auslöschung eintritt.
Der Hauptnachteil dieser Ausführungen besteht jedoch
darin, daß mit der Verringerung der Montagehöhe kein ausreichender Schutz in der Höhe gegeben
ist, daß somit die Gefahr eines überspringens der Mikrowellenschranke durch einen Eindringling besteht.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der geschilderten Nachteile eine
Mikrowellenschranke zu entwickeln, die sowohl am Boden als auch in der Höhe einen einwandfreien
Schutz gewährleistet, die ferner die geschilderten Nachteile einer weitgehenden Auslöschung der
direkten Komponente durch die am Boden reflektier-
te Komponente vermeidet und die schließlich mit
verhältnismäßig kleinen Antennenabmessungen, insbesondere einer kleinen Antennen-Apertür, auskommt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß wenigstens zwei Antennenstrahlen vorgesehen
sind, von denen der eine eine bis zum Erdboden reichende Schutzzone bildet, während der andere
gegenüber der Horizontalen um einen Winkel nach oben geneigt ist, der größer als die Leistungshalbwertbreite
dieses Strahles ist.
Bei der erfindungsgemäßen Mikrowellenschranke sind der Sender und der Empfänger mit einer bzw.
mehreren Antennen ausgerüstet, die so nahe am Erdboden angeordnet sind, daß keine durch Bodenreflexion
bedingten Auslöscheffekte auftreten. Damit ist für das System unter allen Bodenbedingungen
ein ausreichender Signalpegel gewährleistet. Erfindungsgemäß wird ferner wenigstens ein weiterer
Antennenstrahl vorgesehen, der unter einem Winkel nach oben abgestrahlt wird, bei dem der Hauptteil
des Strahles den Erdboden nicht trifft. Unter diesen Verhältnissen gibt es bezüglich dieses nach
oben gerichteten Strahles kein am Boden reflektiertes Signal; die Änderung des Signalpegels mit der
Entfernung bleibt daher glatt, und es treten keine Auslöscheffekte ein.
Jede Bewegung, die innerhalb dieses bzw. dieser oberen Strahlen auftritt, wird jedoch im Empfänger
als eine Änderung im Signalpegel festgestellt.
Dadurch ergibt sich eine wesentliche Verbesserung der Systemhöhe. Fig.5 zeigt das Grundschema des
erfindungsgemäßen Zweistrahlsystems. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine einzige
Sende- und Empfangsantenne mit einer Apertur von 20 cm vorgesehen, wobei zwei Antennenstrahlen mit
einer Strahlbreite von 8,6° erzeugt werden. Die Strahlachse des unteren Antennenstrahles verläuft
parallel zum Erdboden; die Strahlachse des oberen Antennenstrahles ist um 8,6° gegenüber der Horizontalen
nach oben geneigt.
Bei einer Montagehöhe von 30 cm und einem Abstand zwischen Sender und Empfänger von 100 m trifft der
untere Antennenstrahl den Erdboden in einer Entfernung von 4 m (von beiden Enden der überwachten
Strecke) und erreicht die 2 m Höhe in einem Abstand von 21 m von beiden Enden. Der obere Antennenstrahl
trifft den Erdboden nicht, so daß keine Änderungen des empfangenen Signalpegels durch Bodenreflexionen
eintreten können; die 2 m Höhe erreicht der obere Antennenstrahl in einer Entfernung
von 7 m von beiden Enden.
Weitere Antennenstrahlen können vorgesehen werden, um erforderlichenfalls einen zusätzlichen Schutz
in der Höhe zu gewährleisten. Die Schaltung im Empfänger wird so vorgesehen, daß ein Alarm ausgelöst
wird, wenn einer der mehreren Antennenstrahlen
ganz oder teilweise unterbrochen wird.
Fig.6 veranschaulicht ein vollständiges Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Mikrowellenschranke. Sie enthält einen Mikrowellensender
und einen gesonderten Mikrowellenempfänger, die beide auf einer metallischen Grundplatte
angeordnet sind.
Der Mikrowellensender enthält einen Mikrowellenoszillator 1, der einen GaAS-Feldeffekttransistör
verwendet. Wird der Oszillator 1 von einer Treiberstufe 2 mit Spannung versorgt, so erzeugt
er eine Schwingung mit der gewünschten Mikrowellenfrequenz. Das so erzeugte Mikrowellensignal
wird durch einen Splitter 3 zwei Antennen 4, 5 zugeführt. Die untere Antenne 5 ist direkt auf
den Empfänger ausgerichtet, während die obere Antenne 4 die Strahlung nach schräg oben abstrahlt,
so daß der Hauptteil der Strahlung den Erdboden nicht berührt. Der Mikrowellensender enthält somit
zwei verhältnismäßig kleine Antennen mit zwei· voneinander unabhängigen Strahlrichtungen.
Der Empfänger ist am anderen Ende der zu überwachenden
Strecke angeordnet. Die ankommende Mikrowellenstrahlung wird von zwei Antennen 6 und 7
aufgenommen. Hiervon ist die untere Antenne 7 nahe dem Erdboden angeordnet, so daß der am Erdboden
reflektierte Strahlungsanteil die direkt vom Sender kommende Strahlung nie auslöschen
kann. Die obere Antenne 6 ist so angeordnet, daß ihre Achse maximaler Empfindlichkeit nach
schräg oben geneigt ist, während diese Antenne
nur eine sehr geringe Empfindlichkeit gegenüber dem vom Erdboden reflektierten Signal aufweist.
Die Verwendung dieser zwei gesonderten Sende- und Empfangsstrahlen führt zu einer weitgehenden
Immunität gegenüber Bodenreflexionseffekten und gleichzeitig zu einer guten höhenmäßigen Überwachung
. Das von den Antennen 6 und 7 empfangene Signal wird in einem Mikrowellen-Mischer 8 kombiniert.
Dieser Mischer 8 liefert ein Ausgangssignal, das der Vektorsumme der von den beiden
Antennen gelieferten Eingangssignale entspricht.
Das resultierende Summensignal wird in einem Mikrowellendetektor 9 gleichgerichtet, der beispielsweise
durch eine Schottky-Sperrdetektordiode gebildet sein kann. Diese Schaltung liefert
eine kleine Ausgangsspannung proportional zur Größe des Summensignales.
Das gleichgerichtete Signal wird durch eine Reihe von Verstärkern verstärkt, deren Verstärkungsgrad
veränderlich ist und mittels einer Schaltung 10 mit selbsttätiger Verstärkungsregelung automatisch
eingestellt wird. Diese Schaltung 10 bewirkt eine langsame Anpassung der Verstärkung und kompensiert
unterschiedliche Installationsentfernungen sowie Langzeiteffekte, wie Umgebungsänderungen, die
durch Wachsen des Grases oder Schneefall verursacht werden. KurzZeitänderungen, wie sie durch
einen Eindringling verursacht werden, lösen keine Änderung des Verstärkungsgrades durch die Schaltung
10 aus. Derartige Änderungen des empfangenen
Signalpegels gelangen vielmehr zur Prüf- und Halteschaltung 11.
Der Sender ist so ausgebildet, daß er aus Gründen der Stromersparnis Mikrowellenimpulse aussendet.
Demgemäß besitzt auch das vom Empfänger aufgenommene Signal die Form von Impulsen. Das den Sender
aktivierende Steuersignal wird von einem Trigger-Generator 14 im Empfänger über eine Verbindungsleitung
zum Sender gesandt. Das Triggersignal dient auch zur Aktivierung der Prüf- und Halteschaltung
11 im Empfänger, die den Impulsausgang der Schaltung 10 in ein kontinuierliches Signal
proportional zur Größe des Ausgangsiinpulses umformt. Kommt ein Eindringling in den Bereich der
Mikrowe11enschranke, so hat dies eine niederfrequente
Änderung des Ausgangssignales der Prüf-
und Halteschaltung 11 zur Folge. Ein Schwellendetektor
12 verarbeitet dieses niederfrequente Signal und bestimmt die Größe und Geschwindigkeit
des Eindringlings. Übersteigt die Amplitudenänderung eine vorgegebene Schwelle, so wird eine
Alarm-Ausgangseinrichtung 13 betätigt. Das Verhalten
des Systems hängt davon ab, wo der Versuch des Eindringens stattfand.
Ein auf dem Boden kriechender Eindringling verursacht eine Änderung des von der unteren Antenne
7 aufgenommenen Signales. Ein Eindringling, der versucht, die Mikrowellenschranke nahe dem Sender
zu überspringen, unterbricht den von der oberen Antenne 4 ausgesandten Strahl. Dies hat zur Folge,
daß ein Teil dieses Signales zum Empfänger reflektiert wird, was - je nach der Relativstellung
des Eindringlings- entweder von der oberen oder von der unteren Antenne 6 bzw. 7
festgestellt wird. Ein Eindringling, der versucht, die Mikrowellenschranke nahe dem Empfänger zu
überspringen, reflektiert einen Teil des ausgesandten Signales zur oberen Empfangsantenne 6
und bewirkt hier eine Änderung des Signales.
In jedem Falle wird der Versuch eines Eindringens eine Änderung des empfangenen Signales an einer
oder an beiden Empfangsantennen bewirken. Diese Signaländerung wird von den nachgeschalteten
Kreisen verarbeitet.
Die Fig.7 und 8 zeigen den Sender und Empfänger. Die Antennen 4, 5, 6 und 7 sind in Planarform
ausgebildet. Dabei besitzen die Antennen 4 und 6 denselben Strahlrichtungswinkel, jedoch einen anderen
Strahlrichtungswinkel als die Antennen 5 und 7 (die insoweit untereinander identisch sind). Der
Oszillator 1, der Splitter 3 und die Treiberstufe 2 sind auf einer Grundplatte 15a angeordnet,
die zugleich die mechanische Halterung und die für die Funktion der Mikrowellenschaltung notwendige
leitende Ebene (Masse) bildet.
Im Empfänger sind in entsprechender Weise alle Bauteile auf einer leitenden Grundplatte 15b angeordnet.
Die Antennen 6 und 7 sind in gleicher Weise wie im Sender vorgesehen. Die Funktionen des
Mischers 8 und des Detektors 9 sind in einem Mikrowellen-Empfangsmodul
30 zusammengefaßt. Der Ausgang dieses Empfangsmoduls 30 ist mit dem Eingang
einer Empfängerschaltung 31 verbunden, die die Funktionen der Schaltung 10 mit selbsttätiger
Verstärkungsregelung, der Prüf- und Halteschaltung 11, des Schwellendetektors 12, der Alarm-Ausgangseinrichtung
13 und des Triggergenerators 14 erfüllt.
10
10
Im folgenden sei die Funktion der Planarantenne erläutert, wenngleich grundsätzlich im Rahmen der
Erfindung jede Antenne verwendbar ist, die einen
gerichteten Antennenstrahl erzeugt. 15
Eine Planarantenne enthält ein Muster metallischer Streifen 19, die auf einen isolierenden dielektrischen
Substrat 16 geätzt sind. Diese Streifen befinden sich damit in einem bestimmten Abstand
von einer leitenden metallischen Grundplatte 17 (vgl. Fig.9). Das Muster der metallischen Streifen
19 enthält eine Vielzahl von Dipolen 18 (von halber Wellenlänge), die an Speiseleitungen angeschlossen
sind. Ein Mikrowellensignal wird dem
^5 Eingangsanschluß 20 zugeführt und verteilt sich auf
acht Streifen 19, die die Speiseleitungen bilden. Das diesen Speiseleitungen zugeführte Mikrowellensignal
wandert längs dieser Streifen bis zum Ende 21 und erregt hierbei die Dipole 18. Jeder
Dipol strahlt das Mikrowellensignal in den Raum über der Planarantenne ab. Der Abstand zwischen
den einzelnen Dipolen kann so gewählt werden, daß
sich die von den einzelnen Dipolen ausgehenden Strahlungsanteile in Größe und Phase in einer
bestimmten Winkelrichtung addieren und damit einen definierten Strahl erzeugen. Fig.10 zeigt ein Diagramm
einer Speiseleitung und der zugehörigen Dipole.
In der horizontalen Richtung (Fig.9) besitzt das Mikrowellensignal in jedem Augenblick
gleiche Amplitude und Phase. Dies gewährleistet, daß die maximale Strahlrichtung einen Winkel von
90° mit der Horizontalachse des Substrates einschließt.
I^ In der Vertikalebene wird der Abstand der Dipole
18 so gewählt, daß sich die gewünschte Strahlrichtung ergibt. Sie läßt sich aus folgender Formel
ermitteln:
&/= sin"1 ( j?" -TVd)
°r
wobei »-· = Strahlrichtung gegenüber der Senkrechten
zur Substratebene,
2, = effektive relative Dielektrizitätskonstante
des Substratmateriales,
A/ = Wellenlänge des Mikrowellensignales,
UW d = Abstand zwischen benachbarten Dipolen
auf derselben Seite der Speiseleitung (vgl. Fig.10).
Fig.11 veranschaulicht die Maximum-Strahlrichtung
bezogen auf die Ebene des Substrats.
Die Strahlbreite Θ jeder Antenne ist mit den geometrischen Abmessungen der strahlenden Apertur
und mit der Strahlrichtung durch die bereits genannte Formel verknüpft
θ Ä.fya
wobei Λ' = Wellenlänge des Mikrowellensxgnales,
a = effektive Apertur in Richtung der
Strahlausbreitung. 15
Für eine Planaranordnung mit einem Strahl unter
einem Winkel OC ist die effektive Dimension der Apertur = a · cos oC.
Der Hauptteil der von einer Antenne abgestrahlten Energie liegt innerhalb eines Winkelbereiches
von oü+ θ/2. Um zu gewährleisten, daß der obere
Strahl keine erhebliche Bodenreflexion erfährt, muß der Winkel O^ nach oben geneigt und größer
als die halbe Strahlbreite (θ/2) der oberen Antenne sein. Es gilt also
OO> θ/2.
Die unteren Antennen 5 und 7 werden so dimensioniert, daß sie ein maximales Signal im Empfänger liefern.
Die Strahlwinkel dieser beiden Antennenstrahlen soll-
ten zu diesem Zweck Null sein. Fig.12 zeigt die hieraus resultierende Anordnung.
Die obere verwendete Antenne besitzt eine vertikale strahlende Apertur von 34,5 cm, die untere
Antenne eine solche von 32,5 cm. Dies ergibt für den oberen Antennenstrahl eine Strahlbreite von
5,0° und für den unteren Antennenstrahl eine Strahlbreite von 5,3°. Die obere Antenne erzeugt einen
Strahl, der sich nach oben unter einem Winkel von 5,0° ausbreitet. Die Antennen sind auf einer
starren Grundplatte angeordnet, die die korrekte Relätivlage gewährleistet,· zugleich die leitende
metallische Halterung bildet und eine Befestigungsplatte für die elektronischen Bauteile darstellt.
Die Montagehöhen der Antennen über dem Erdboden sind für das erläuterte Ausführungsbeispiel in
Fig.13 dargestellt.
Bei dieser Anordnung trifft der untere Antennenstrahl den Erdboden in einer Entfernung von 4 m;
der obere Antennenstrahl kreuzt die 2 m Höhe in
einer Entfernung von 6 m. Eine solche Anordnung gewährleistet einerseits eine gute Bodenüberwachung
und verhindert andererseits Versuche, die Mikrowellenschranke zu überspringen.
Während bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel die zur Erzeugung der zwei Antennenstrahlen
dienenden Antennen vertikal übereinander angeordnet sind, zeigen die Fig.14 und
15 eine Variante mit horizontal nebeneinander an-
geordneten Antennen.
Der Sender ist in Fig.14 dargestellt und enthält eine Grundplatte 40, auf der die übrigen Teile
des Senders angeordnet sind. Der Oszillator 43, der Splitter 44 und die Treiberstufe 45 sind wie
bei dem zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel zwischen den - nunmehr horizontal nebeneinander angeordneten
- Antennen 41 und 42 angeordnet. Die Antennen sind als Planarantennen ausgebildet. Die
Antenne 41 erzeugt den unteren Antennenstrahl, deren Strahlachse eine Neigung von 0° aufweist.
Die Antenne 42 erzeugt den nach oben gerichteten Antennenstrahl, der den Erdboden im wesentlichen
nicht berührt.
Der in Fig.15 dargestellte Empfänger besitzt zwei Planarantennen 46, 47 (ähnlich denen im Sender),
ferner einen Empfangsmodul 48 und eine Empfängerschaltung 50. Die genannten Bauteile sind auf einer
metallischen Grundplatte 49 vorgesehen. Die Antenne 46 erzeugt den unteren Antennenstrahl, dessen
maximale Empfindlichkeit bei einem Winkel 0 (gegenüber der Horizontalen) liegt, während die Antenne
47 den nach oben gerichteten Antennenstrahl erzeugt, der praktisch keine Bodenreflexion erfährt.
Die Funktion dieses Ausführungsbeispieles entspricht der der Variante mit vertikal übereinander
angeordneten Antennen. Auch hier werden die Ausgangssignale der beiden Empfangsantennen
vektoriell addiert und im Empfangsmodul gleichgerichtet.
Wird entweder der untere oder der obere Antennenstrahl unterbrochen, so wird hierdurch ein
Alarmsignal erzeugt.
5
5
Der Aufbau der Antennen dieses Ausführungsbeispieles ist etwas verschieden von der zuvor erläuterten
Ausführung. Fig.16 zeigt die Gestaltung der den unteren Antennenstrahl erzeugenden Antenne.
■"•0 Das vom Ausgang 51 des Splitters kommende Signal
teilt sich auf acht übertragungsleitungen 52 auf.
Eine Anzahl von Dipolen 54 mit halber Wellenlänge werden durch die längs der übertragungsleitungen
52 laufende Mikrowelle erregt. Die Anordnung ist
* so getroffen, daß in jedem Zeitpunkt die Phase und
Größe des Signales auf den Übertragungsleitungen 52 an einander entsprechenden Stellen (etwa längs
der Linie 55) gleich ist. Die Dipole 54 sind so angeordnet, daß die kombinierte Abstrahlung einen
Antennenstrahl bildet, dessen Strahlachse einen Winkel 0 gegenüber der Horizontalen bildet und der
hauptsächlich in vertikaler Ebene polarisiert ist. Die Antennenanordnung befindet sich auf einem
Isolierstoff-Substrat 53 wie bei dem zuvor erläu-
terten Ausführungsbeispiel.
Die Strahlcharakteristik ist in Fig.17 dargestellt. Die Antenne 53 ist nahe dem Erdboden 56 angeordnet.
Die Strahlachse besitzt einen Höhenwinkel von 0°.
Aufbau und Funktion der zum unteren Antennenstrahl gehörenden Antenne auf der Empfangsseite sind im
wesentlichen gleichartig.
-2.}/- ft'
Fig.18 zeigt die Ausbildung der Antenne für den oberen Antennenstrahl. Sie entspricht im wesentlichen
der in Fig.16 dargestellten Antenne für den unteren Antennenstrahl, jedoch sind die Übertragungsleitungen
57 so angeordnet, daß sich eine unterschiedliche Phase für die an die einzelnen Übertragungsleitungen 57 angeschlossenen Dipole
58 ergibt. Die Phase für die Dipole jeder Übertragungsleitung wird durch Wahl der Weglänge zwisehen
dem Eingang 59 und dem ersten Dipol der betreffenden Übertragungsleitung 57 gewählt.
Der Höhenwinkel Ou der Strahlachse (d.h. die Rich
tung maximaler Strahlstärke) läßt sich dann durch die Formel bestimmen:
= sin"1 i1 f£r/d)
"1 i1 f£r
wobei 1 und d die aus Fig.18 zu entnehmenden Ab-20
messungen sind und £ die effektive relative Dielektrizitätskonstante
des Substrates ist.
In der horizontalen Ebene besitzen die Antennen 41,
42, 46 und 47 ein Maximum, das in einer Richtung 25
liegt, die senkrecht zur Ebene der Grundplatte 49 verläuft. Dies wird dadurch erreicht, daß der
Abstand der einzelnen Dipole 58 an derselben Übertragungsleitung 57 exakt in Phase gewählt wird.
Zu diesem Zweck wird der Abstand D wie folgt .
bestxmmt:
ο =
wobei A/ = Wellenlänge
£ = effektive relative Dielektrizitätskonstante
des Substrats.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Antennen zur Erzeugung (bzw. zum Empfang)
des oberen und unteren Antennenstrahles durch eine einzige, zusammengesetzte^Antenne gebildet werden,
ist in den Fig.20 und 21 dargestellt.
Der in Fig.20 dargestellte Sender enthält eine
Planarantenne 60, die zwei gesonderte Antennenstrahlen erzeugt. Sie wird durch einen Oszillator
61 erregt, der von einer Treiberstufe 62 gespeist wird. Die ganze Anordnung befindet sich auf einer
leitenden Grundplatte 63.
In entsprechender Weise enthält der in Fig.21 veranschaulichte
Empfänger eine Planarantenne 64, die identisch wie die Antenne 60 ausgebildet ist. Das
Ausgangssignal der Antenne wird einem Mikrowellen-Empfangsmodul 65 zugeführt und hier demoduliert.
Die Verstärkung und Weiterverarbeitung des resultierenden niederfrequenten Signales erfolgt in
einer gedruckten Empfängerschaltung 66, die damit beim Versuch eines Eindringens ein Alarmsignal
liefert.
Der Aufbau der beiden Antennen 60 bzw. 64 ist in Fig.22 veranschaulicht. Die Antenne befindet sich
auf einem Isolierstoff-Substrat 68, auf dem mittels Ätztechnik ein Muster leitender Streifen erzeugt
ist. Acht streifenförmige Antennenelemente 70, 71 erregen eine Anzahl von Dipolen 69 derart, daß die
gewünschten Strahlcharakteristiken erzielt werden.
Die Antennenelemente 70 sind so dimensioniert, daß die kombinierte Strahlung der von den Dipolen
dieser Antennenelemente abgestrahlten Strahlungsanteile einen Antennenstrahl bildet, dessen Maximum
senkrecht zur Ebene des Substrates 68 liegt.
Die Antennenelemente 71 sind dagegen so dimensioniert, daß die von ihren Dipolen erzeugte Strahlung
einen Antennenstrahl bildet, der sich nach oben ausbreitet, so daß der Hauptteil dieses Antennenstrahles
den Erdboden nicht berührt.
Eine Teilerschaltung 72 trennt das ankommende Signal im Sender in acht gleiche Teile, die die Antennenelemente
70 und 71 erregen. Im Empfänger entspricht 72 einer Kombinationsschaltung, die die Vektorsumme der Signale bildet, die von den
Antennenelementen 70, 71 geliefert werden. Die Schaltung 72 summiert damit im Empfänger die Signale
der beiden Antennenstrahlen.
Fig.23 veranschaulicht die entstehende Antennencharakteristik.
Die Antennenanordnung 73 ist nahe dem Erdboden 74 angeordnet. Der untere Antennenstrahl
75 breitet sich mit einem Höhenwinkel O (d.h.
Strahlachse parallel zum Erdboden) aus; infolgedessen wird jede Bewegung eines Eindringlings
nahe dem Erdboden zu einer Änderung des Empfangssignales dieses unteren Antennenstrahles führen.
Der obere Antennenstrahl 76 breitet sich unter einem Höhenwinkel aus, der größer als die halbe
Strahlbreite ist. Infolgedessen berührt dieser obere Antennenstrahl den Erdboden nicht. Da er
keine wesentliche Bodenreflexion erfährt, ergibt sich eine glatte, kontinuierliche Abhängigkeit
der Empfangssignalstärke von der Entfernung.
Die Fig.24, 24a zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein passiver
Reflektor benutzt wird, um einen Teil des unteren Antennenstrahles nach oben umzulenken und auf diese
Weise den oberen Antennenstrahl zu erzeugen.
Sender und Empfänger enthalten jeweils eine Mikrowellenantenne 77, die als Planarantenne, parabolische
Antenne oder in sonstiger Weise ausgebildet sein kann und die einen Antennenstrahl 78 erzeugt,
der sich in einer Richtung auf die Empfangsantenne
hin ausbreitet. Ein passiver Reflektor 79 aus metallischem Material ist teilweise im Strahlengang
angeordnet und reflektiert einen Teil des Antennenstrahles nach oben, so daß sich ein nach
oben gerichteter Antennenstrahl 80 ergibt. Passiert ein Eindringling entweder den unteren Antennenstrahl
78 oder den oberen Antennenstrahl 80, so
löst die hierdurch bewirkte Änderung des Empfangssignales einen Alarm aus.
Die Fig.25 und 26 veranschaulichen als weitere Variante die Anordnung eines Mikrowellenprismas
im Strahlengang. Das Prisma 81 besteht aus dielektrischem Isolierstoff. Seine Abmessungen sind
so gewählt, daß durch die Brechung der Mikrowellenstrahlung im Prisma die Ausbreitungsrichtung nach
oben abgelenkt wird. Wie Fig.25 zeigt, ist das Prisma 81 vor einer Sendeantenne 82 angeordnet,
deren Strahlachse in Richtung auf die entsprechende Antenne im Empfänger weist. Die auf das Prisma
'81 fallende Strahlung wird nach oben -gebrochen und bildet den oberen Antennenstrahl 83, der den Boden
nicht berührt, während der untere Antennenstrahl 84 in der erläuterten Weise den Boden 85 trifft.
Fig.26 verdeutlicht die Funktion des Prismas 81. Die von der Sendeantenne kommende Strahlung 86
wird durch das Prisma 81 nach oben um einen Brechungswinkel cL- umgelenkt und bildet den oberen
Antennenstrahl 87.
Eine weitere Möglichkeit, einen oder mehrere obere Antennenstrahlen zu erzeugen, besteht in der Verwendung
einer Fresnel-Linse im unteren Antennenstrahl.
Eine Fresnel-Linse enthält eine Anzahl von Stufen in einem dielektrischen Isolierstoffmedium. Eine
ankommende Mikrowelle durchläuft diese Fresnel-Linse
und strahlt mit einer Anzahl verschiedener Winkel ab, die durch das Interferenzmuster zwischen den
die Schlitzteile und die nicht geschlitzten Hauptbereiche durchsetzenden Wellen bestimmt wird.
5
Wie Fig.27 zeigt, ist die Fresnel-Linse 88 im
Hauptstrahl 91 der Sendeantenne 89 angeordnet. Die Linse 88 erzeugt eine Anzahl von nach oben gerichteten
Antennenstrahlen 90, die die. zusätzliehe Höhen-Schutzzone der erfindungsgemäßen Mikrowellenschranke
bilden.
Die Fresnel-Linse 88 ist in Fig.28 im einzelnen dargestellt. Sie enthält einen Block "aus dielektrischem
Isolierstoffmaterial, der eine Anzahl
von Schlitzen 92 aufweist. Die Tiefe der Schlitze 91, die relative Dielektrizitätskonstante des
dielektrischen Materiales und der Abstand der Schlitze bestimmen für eine vorgegebene Frequenz
die Ausbxeitungswinkel der abgehenden Strahlung. Die Linse 88 ist keilförmig ausgebildet, so daß
die ankommende Strahlung zunächst nach oben gebrochen wird, ehe sie durch die Schlitze 92 hindurchtritt.
Dadurch ist gewährleistet, daß die von der Fresnel-Linse abgestrahlten Antennenstrahlen
sich hauptsächlich nach schräg oben hin ausbreiten.
Fig.29 zeigt schließlich ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein Beugungsgitter benutzt wird, um aus
einem einzigen ankommenden Antennenstrahl eine Anzahl von unter unterschiedlichen Winkeln abgestrahl-
ten Antennenstrahlen zu erzeugen. Das Prinzip entspricht im wesentlichen dem der erläuterten
Fresnel-Linse. Das Beugungsgitter wird vor den Antennen angeordnet, die den unteren Antennenstrahl
senden bzw. empfangen. Die ankommende Strahlung wird in eine Anzahl von Antennenstrahlen aufgeteilt,
die sich hauptsächlich nach schräg oben hin ausbreiten und auf diese Weise den verbesserten Höhenschutz
gewährleisten.
Das in Fig.29 dargestellte Beugungsgitter enthält einen Block 93 aus dielektrischem Isolierstoffmaterial,
auf dem eine Anzahl metallisierter Streifen 94 vorgesehen sind. Die Lage und Breite
dieser Streifen bestimmt die Richtungen der abgehenden Antennenstrahlen. Das Beugungsgitter wird
keilförmig gefertigt, so daß die ankommende Strahlung zunächst nach oben gebrochen wird, ehe eine Streuung
an den metallischen Streifen 9 4 erfolgt.
- Leerseite -
Claims (13)
- Patentansprüche:Mikrowellenschranke, enthaltend einen Mikrowellensender mit einer zugehörigen Sendeantenneneinrichtung sowie einen Mikrowellenempfänger mit einer zugehörigen Empfangsantenneneinrichtung, wobei Sender und Empfänger an den entgegengesetzten Enden einer zu überwachenden Strecke angeordnet sind und der Empfänger eine Schaltung enthält, die auf von einem Eindringling hervorgerufene Änderungen des empfangenen Signales anspricht,
dadurch gekennzeichne t,daß wenigstens zwei Antennenstrahlen vorgesehen sind, von denen der eine eine bis zum Erdboden reichende Schutzzone bildet, während der andere gegenüber der Horizontalen um einen Winkel nach oben geneigt ist, der größer als die Leistungshalbwertbreite dieses Strahles ist. - 2. Mikrowellenschranke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Erzeugung zweier voneinander unabhängiger Antennenstrahlen zwei gesonderte Antennen vorgesehen sind.
- 3. Mikrowellenschranke nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Antennen in vertikaler Richtung gegeneinander versetzt sind.
- 4. Mikrowellenschranke nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet/ daß die beiden Antennen in horizontaler Richtung gegeneinander versetzt sind.
- 5. Mikrowellenschranke nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, daß für die Erzeugung der beiden Antennenstrahlen eine einzige Antenne sowie eine Einrichtung zur Teilung des Antennenstrahles vorgesehen ist.
- 6. Mikrowellenschranke nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Teilung des Antennenstrahles durch einen Reflektor gebildet wird.
- 7. Mikrowellenschranke nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Teilung des Antennenstrahles durch ein Prisma gebildet wird.
- 8. Mikrowellenschranke nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Teilung des Antennenstrahles durch eine Fresnel-Linse gebildet wird.
- 9. Mikrowellenschranke nach Anspruch 5, dadurchgekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Teilung des Antennenstrahles durch ein Beugungsgitter gebildet wird.
- 10. Mikrowellenschranke nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, daß für die Erzeugung der beiden Antennenstrahlen eine einzige zusammengesetzte Antenne vorgesehen ist.
- 11. Mikrowellenschranke nach Anspruch ί, dadurchgekennzeichnet, daß die beiden Antennen über einen Splitter mit demselben Mikrowellen-Oszillator verbunden sind.
- 12. Mikrowellenschranke nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Schaltung zur vektoriellen Addition der aus den beiden Antennenstrahlen abgeleiteten Signale.
- 13. Mikrowellenschranke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Empfangsseite vorgesehene Schaltung auf von einem Eindringling hervorgerufene Änderungen der von beiden Antennenstrahlen erzeugten Signale anspricht.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: HOERMANN SICHERHEITSTECHNIK GMBH, 8011 KIRCHSEEON, |
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |