DE4212685A1 - Dopplerradarsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Dopplerradarsensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solcher Sensor ist aus der DE 39 22 165 A1 bereits bekannt.

Der bekannte Sensor enthält eine Mischstufe im Empfangs­ teil sowie eine freischwingende Oszillatorstufe, die so­ wohl als LO-Oszillator für die Mischstufe als auch als Sendeoszillator dient. Sie enthält einen Mikrowellenoszil­ lator, dessen Basiselektrode an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist. Die Oszillatorstufe ist über einen Koppler einerseits in ihrer Funktion als LO-Oszillator an die Mischstufe und andererseits in ihrer Funktion als Sen­ deoszillator an einen Hohlraumresonator angeschlossen. Der Resonator seinerseits ist zum einen an eine Schlitzantenne und zum anderen an die Mischstufe angeschlossen. Die Reso­ nanzfrequenz der Schlitzantenne unterscheidet sich von der Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators, wodurch die Band­ breite des Sensors erheblich vergrößert wird. Die Anord­ nung ist als planare Schaltung auf zwei übereinanderlie­ genden Substraten ausgebildet, wobei der Hohlraumresonator zwischen den beiden Substraten angeordnet ist. Bei diesem Sensor wird ein Teil der Ausgangsleistung der Oszillator­ stufe über den Koppler in den Hohlraumresonator abgezweigt und von dort über die Antenne als Sendesignal in den Außenraum abgestrahlt. Das an einem im Außenraum befindli­ chen Objekt reflektierte Sendesignal wird - in seiner Fre­ quenz um die Dopplerfrequenz verschoben - als Empfangssi­ gnal über die Antenne und den Hohlraumresonator auf die Mischstufe geleitet. Dort wird das Empfangssignal mit dem nicht abgezweigten Teil der Ausgangsleistung der Oszil­ latorstufe, dem LO-Signal also, in eine Zwischenfrequenz­ lage (ZF) abgemischt. Das ZF-Signal ("Dopplersignal") wird anschließend zur weiteren Auswertung einer Auswerteeinheit zugeleitet.

Mit Sensoren dieser Art können die Position oder der Ab­ stand von Objekten, bei bewegten Objekten auch deren Ge­ schwindigkeit oder Bewegungsrichtung bestimmt werden. Sie werden daher in vielfältiger Weise eingesetzt, unter an­ derem im Bereich der Überwachungs-, Meß- und Regeltechnik z. B. als Abstandssensoren oder Bewegungsmelder. Letztere werden beispielsweise in Türöffnern, Näherungsschaltern oder Alarmanlagen verwendet.

In vielen dieser Anwendungen werden Sensoren dieser Art im Puls-Betrieb betrieben, in anderen dagegen im CW-Betrieb (CW=Continuous Wave). Letzteres kommt insbesondere dann in Frage, wenn ein solcher Sensor in einem störstrahlungsemp­ findlichen Bereich eingesetzt werden soll. In vielen Fäl­ len ist es jedoch wünschenswert, wenn der Sensor wahlweise entweder in der einen oder der anderen Betriebsart betrie­ ben werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Dopplerra­ darsensor anzugeben, der auf einfache Weise zwischen den beiden Betriebsarten umgeschaltet werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergege­ ben. Die übrigen Patentansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen (Ansprüche 2 bis 4 und 7) sowie bevorzugte Anwendungen (Ansprüche 5 bis 7) der Erfindung.

Nach der Erfindung wird ein Dopplerradarsensor, der mit einer Mischstufe im Empfangsteil sowie mit einer frei­ schwingenden Oszillatorstufe ausgerüstet ist, welche als LO-Oszillator für die Mischstufe und als Sendeoszillator dient und einen Mikrowellentransistor enthält, dessen Ba­ siselektrode an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, dahingehend verbessert, daß zwischen Basiselektrode des Mikrowellentransistors und Gleichspannungsquelle eine Schalteinrichtung geschaltet ist und daß bei CW-Betrieb des Dopplerradarsensors durch Schließen der Schalteinrich­ tung der Mikrowellentransistor dauernd eingeschaltet ist und bei Puls-Betrieb des Dopplerradarsensors durch getak­ tetes Öffnen und Schließen der Schalteinrichtung der Mi­ krowellentransistors pulsmoduliert ein- und ausgeschaltet ist.

Dies hat den Vorteil, daß - wie weiter unten näher erläu­ tert wird - die Reichweite des Sensors im Puls-Betrieb auf einfache Weise durch entsprechende Wahl der Frequenz bzw. des Tastverhältnisses der Pulsmodulation eingestellt wer­ den kann.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß Frequenz- und/oder Tastverhältnis der Pulsmodulation wäh­ rend des Puls-Betriebs konstant oder zumindest annähernd konstant ist (sind) oder sich (jeweils) in ihrem/seinem Wert nach einer vorgegebenen Zeitfunktion ändert (ändern).

Dies hat den Vorteil, daß die Reichweite des Sensors im Puls-Betrieb mit der einen Ausführungsform (konstantes Frequenz- und konstantes Tastverhältnis) konstant gehalten werden kann, während mit der anderen Ausführungsform die Reichweite des Sensors während des Betriebs geändert wer­ den kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 das Blockschaltbild einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dopplerra­ darsensors in einem Bewegungsmelder;

Fig. 2 typische Signal-Zeitverläufe einzelner im Bewe­ gungsmelder gemäß Fig. 1 auftretender Signale bei Puls-Betrieb des erfindungsgemäßen Doppplerradar­ sensors.

Der Bewegungsmelder in Fig. 1 besteht aus einem (z. B. aus dem DE 39 22 165 A1 an sich bereits bekannten) Dopplerra­ darsensor 3, der eine Mischstufe 32 im Empfangsteil sowie eine freischwingende Oszillatorstufe 30 enthält, die so­ wohl als LO-Oszillator für die Mischstufe 32 als auch als Sendeoszillator dient. Sie enthält einen Mikrowellentran­ sistor, dessen Basiselektrode B an eine Gleichspannungs­ quelle 1 angeschlossen ist, die eine Gleichspannung U_B ab­ gibt. Die Oszillatorstufe 30 ist über einen Koppler 31 ei­ nerseits in ihrer Funktion als LO-Oszillator an die Misch­ stufe 32 und andererseits in ihrer Funktion als Sen­ deoszillator an einen Hohlraumresonator 33 angeschlossen. Der Resonator 33 seinerseits ist zum einen an eine Antenne 34 und zum anderen an die Mischstufe 32 angeschlossen. Die Resonanzfrequenz der Antenne 34 unterscheidet sich in ei­ ner bevorzugten Ausführungsform von der Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators 33, wodurch die Bandbreite des Sen­ sors 3 erheblich vergrößert wird. Die Anordnung der ein­ zelnen Baugruppen 30-34 kann beispielsweise als planare Schaltung auf zwei übereinanderliegenden Substraten ausge­ bildet werden, wobei der Hohlraumresonator 33 zwischen den beiden Substraten angeordnet und die Antenne 34 als Schlitzantenne ausgebildet ist. Bei diesem Sensor 3 wird ein Teil der Ausgangsleistung der Oszillatorstufe 30 über den Koppler 31 in den Hohlraumresonator 33 abgezweigt und von dort über die Antenne 34 als Sendesignal S in den Außenraum abgestrahlt.

Das an einem im Außenraum befindlichen Objekt reflektierte Sendesignal wird - in seiner Frequenz um die Dopplerfre­ quenz verschoben - als Empfangssignal E über die Antenne 34 und den Hohlraumresonator 33 auf die Mischstufe 32 ge­ leitet. Dort wird das Empfangssignal E mit dem nicht abge­ zweigten Teil der Ausgangsleistung der Oszillatorstufe 30, dem LO-Signal (LO) also, in eine Zwischenfrequenzlage (ZF) abgemischt. Das Zwischenfrequenzsignal ZF ("Dopplersi­ gnal") wird anschließend zur weiteren Auswertung einer Auswerteeinheit 6 zugeleitet, der optional eine Integra­ tor/Verstärkerschaltung 5 vorgeschaltet werden kann.

Zwischen Basiselektrode B des Mikrowellentransistors der Oszillatorstufe 30 und der Gleichspannungsquelle 1 ist eine Schalteinrichtung 2 geschaltet, die durch Steuersi­ gnale St einer Steuereinrichtung 4 angesteuert, d. h. ge­ öffnet und geschlossen wird. Bei geschlossenem Zustand der Schalteinrichtung 2 ist die Gleichspannungsquelle 1 an die Basiselektrode B angeschlossen, d. h. die von der Quelle gelieferte Gleichspannung U_B zugeschaltet mit der Folge, daß der Mikrowellentransistor der Oszillatorstufe 30 "eingeschaltet" ist. Bei geöffnetem Zustand der Schaltein­ richtung 2 ist die Gleichspannungsquelle 1 von der Basis­ elektrode B des Mikrowellentransistors abgekoppelt, d. h. die von der Quelle gelieferte Gleichspannungsquelle U_B ab­ geschaltet mit der Folge, daß der Mikrowellentransistor der Oszillatorstufe 30 abgeschaltet ist. Durch einfaches Schließen der Schalteinrichtung 2 ist somit der CW-Betrieb des Sensors 3 realisierbar, durch pulsmoduliertes Öffnen und Schließen der Schalteinrichtung 2 der Puls-Betrieb.

In Fig. 2 sind typische Signal-Zeitverläufe einzelner, während des Puls-Betriebs des Bewegungsmelders erzeugter Signale gezeigt, und zwar Zeitverläufe

• - des von der Steuereinrichtung 4 abgegebenen pulsmodu­ lierten Steuersignals St (Fig. 2a),
• - der an der Basiselektrode B des Mikrowellentransistors der Oszillatorstufe 1 anliegenden pulsmodulierten Gleichspannung U_B der Gleichspannungsquelle 1 (Fig. 2b),
• - des von der Antenne 34 abgestrahlten Mikrowellen-Sende­ signals S bzw. des auf die Mischerstufe 32 gegebenen LO-Signals LO (Fig. 2c),
• - des von der Antenne 34 empfangenen "dopplerverschobenen" Empfangssignals E (Fig. 2d)
• - des am Ausgang der Mischstufe 32 anliegenden pulsförmi­ gen Zwischenfrequenzsignals ZF (Fig. 2e; mit durchgezo­ gener Linie gezeichnete Kurve) sowie
• - des am Ausgang der (optionalen) Integrator/Verstär­ kerschaltung anliegenden integrierten ZF-Signals A (Fig. 2e; gestrichelt gezeichnete Kurve).

Wie aus der Fig. 2 in Verbindung mit Fig. 1 hervorgeht, wird durch die pulsmodulierten Steuersignale St (Fig. 2a) die Schalteinrichtung 2 entsprechend geöffnet und ge­ schlossen mit der Folge, daß die von der Gleichspannungs­ quelle 1 gelieferte Gleichspannung U_B ebenfalls pulsmodu­ liert an der Basiselektrode B des Mikrowellentransistors der Oszillatorstufe 30 anliegt (Fig. 2b).

Der Mikrowellentransistor wird dementsprechend pulsmodu­ liert ein- und ausgeschaltet mit der Folge, daß die Ausgangsleistung der Oszillatorstufe sowohl als Sendesi­ gnal S als auch als LO-Signal LO pulsmoduliert abgegeben wird (Fig. 2c). Das Sendesignal S wird über die Antenne 34 in den Außenraum abgestrahlt, wird dort an einem Objekt reflektiert und kommt als Empfangssignal E um eine be­ stimmte Laufzeit Δt verzögert und in seiner Frequenz um die Dopplerfrequenz verschoben zum Sensor 3 zurück (Fig. 2d) und wird dort über die Antenne 34 und den Hohlraumre­ sonator 33 der Mischstufe 32 zugeleitet und dort mit dem noch anstehenden Teil der (nicht zeitverzögerten und nicht frequenzverschobenen) LO-Signals LO gemischt, sofern die Laufzeit Δt kleiner ist als die Pulsweite des Steuersi­ gnals St bzw. des LO-Signals LO (Fig. 2e). Ist die Lauf­ zeit Δt, die ein Maß für die Entfernung des Objekts vom Dopplerradarsensor ist, größer oder gleich dieser Puls­ weite, ist keine Mischung und folglich auch keine De­ tektion des Objekts mehr möglich. Auf diese Art und Weise wird eine physikalisch bedingte Reichweitenbegrenzung des Bewegungsmelders erreicht. Anschließend werden die sich aus dem zeitlichen Überlappen zwischen LO-Signal LO und Empfangssignal E ergebenden Zwischenfrequenzsignalimpulse ZF entweder direkt der Auswerteeinheit 6 zugeleitet und dort ausgewertet oder in einer alternativen Ausführungs­ form zunächst der Integrator/Verstärkerschaltung 5 zuge­ leitet und dort integriert bzw. verstärkt und als ein über die Zeit integriertes ZF-Signal A der Auswerteeinheit 6 zugeleitet und dort ausgewertet.

Die wesentlichen Vorteile des zuvor beschriebenen Bewe­ gungsmelders bestehen darin,

• - daß ohne große Schwierigkeit zwischen CW- und Pulsbe­ trieb umgeschaltet werden kann;
• - daß im Pulsbetrieb die Reichweite auf einfache Art und Weise begrenzt werden kann und durch Wahl der Frequenz bzw. des Tastverhältnisses der Pulsmodulation der Steuersignale St innerhalb eines nur noch durch die Sen­ deleistung bzw. die Empfindlichkeit des Empfangsteils des Sensors begrenzten Wertebereichs frei wählbar ist;
• - daß der Leistungsverbrauch gering ist;
• - daß bei Verwendung des bekannten und als Planarschaltung ausgeführten Breitband-Dopplerradarsensors der DE 39 22 165 A1 ein kompakter und sehr flacher Aufbau des Bewegungsmelders mit mechanisch kleinen Abmessungen möglich ist;
• - daß die Störanfälligkeit des Melders sehr gering ist;
• - daß der Melder sehr kostengünstig herstellbar ist.

Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf dieses Aus­ führungsbeispiel beschränkt ist, sondern sinngemäß auf weitere übertragbar ist.

So ist es z. B. denkbar, die Auswerteeinheit (6 in Fig. 1) dahingehend auszubilden, daß sie eine aus Tiefpaß- und Bandpaßfilter, einem Schwellwertschalter, einem einstell­ baren RQ-Flip-Flop und einem Schaltrelais bestehende Seri­ enschaltung enthält, wobei das Ausgangssignal des Schalt­ relais als Aktorsignal beispielsweise eine Vorrichtung zum Öffnen einer Tür ansteuert, deren Vorfeld von dem Bewe­ gungsmelder überwacht wird. Die Steuerschaltung kann in digitaler Bauweise ausgeführt werden.

Als besonders zweckmäßig hat es sich insbesondere bei An­ wendung des erfindungsgemäßen Dopplerradarsensors in Bewe­ gungsmeldern für automatische Türöffner-Vorrichtungen er­ wiesen, wenn dieser Sensor im SHF-Bereich (Zentimeterwel­ len-Bereich; 3-30 GHz) betrieben wird, da ein in diesem Frequenzbereich arbeitender Sensor aufgrund der Wellen­ länge der "Arbeitsfrequenz" relativ "unempfindlich" ist gegenüber der Bewegung von Objekten, die erheblich kleiner sind als Menschen. Dies hat den Vorteil, daß die Bewegung solcher kleiner Objekte (Vögel, Mäuse, Laub usw.) im vom Bewegungsmelder überwachten Vorfeld einer Tür vom Bewe­ gungsmelder nicht erfaßt werden und die Türöffner-Vorrich­ tung nicht aktiviert wird, ein unnötiges bzw. uner­ wünschtes Öffnen der überwachten Tür also unterbleibt.

Claims (7)

1. Dopplerradarsensor, mit einer Mischstufe im Empfangs­ teil sowie mit einer freischwingenden Oszillatorstufe, welche als LO-Oszillator für die Mischstufe und als Sende- Oszillator dient und einen Mikrowellentransistor enthält, dessen Basiselektrode an eine Gleichspannungsquelle ange­ schlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Basis­ elektrode (B) des Mikrowellentransistors (30) und Gleich­ spannungsquelle (1) eine Schalteinrichtung (2) geschaltet ist und daß bei CW-Betrieb des Dopplerradarsensors (3) durch Schließen der Schalteinrichtung (2) der Mikrowellen­ transistor (30) dauernd eingeschaltet ist und bei Puls-Be­ trieb des Dopplerradarsensors (3) durch getaktetes Öffnen und Schließen der Schalteinrichtung (2) der Mikrowellen­ transistors (30) pulsmoduliert ein- und ausgeschaltet ist.

2. Dopplerradarsensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei Puls-Betrieb des Dopplerradarsensors Frequenz- und/oder Tastverhältnis der Pulsmodulation (je­ weils) innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs frei wählbar ist (sind).

3. Dopplerradarsensor nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Frequenz- und/oder Tastverhältnis der Puls­ modulation während des Puls-Betriebs konstant oder zumin­ dest annähernd konstant ist (sind) oder sich (jeweils) in ihrem/seinem Wert nach einer vorgegebenen Zeitfunktion än­ dert (ändern).

4. Dopplerradarsensor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Frequenz- und Tastverhältnis der Pulsmodulation und gegebenenfalls die Zeitfunktion durch Steuersignale (St) einer Steuereinrichtung (4) vor­ gegeben sind.

5. Bewegungsmelder mit einem Dopplerradarsensor nach ei­ nem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischstufe (32) des Dopplerradarsensors (3) aus­ gangsseitig an eine Auswerteeinheit (6) angeschlossen ist.

6. Bewegungsmelder nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen Mischstufe (32) des Dopplerradarsensors (3) und der Auswerteeinheit (6) eine Integrator/Verstär­ kerschaltung (5) geschaltet ist.

7. Dopplerradarsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder Bewegungsmelder nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,daß der Dopplerradarsensor im Mikrowellenbereich, insbesondere im SHF-Band (3-30 GHz) arbeitet.