DE60133007T2

DE60133007T2 - Ebene Antenne

Info

Publication number: DE60133007T2
Application number: DE60133007T
Authority: DE
Inventors: Yves Borlez; Laurent Secretin
Original assignee: BEA SA
Current assignee: BEA SA
Priority date: 2001-10-19
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2009-03-19
Anticipated expiration: 2021-10-20
Also published as: JP4021740B2; EP1832895B1; ES2300296T3; JP2003198247A; US6700542B2; US20030076271A1; EP1832895A3; US20040185793A1; EP1832895A2; DE60133007D1; EP1304764B1; KR20030032807A; CN1412890A; CN1251356C; HK1057132A1; ES2341185T3; DE60141366D1; US7129892B2; EP1304764A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Flachantenne gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
Flachantennen sind im Stand der Technik bekannt. Abgesehen davon, dass diese Antennen an sich bereits interessante Merkmale hinsichtlich Größe, Kosten und Strahlungsleistungen aufweisen, werden sie im Allgemeinen in allen möglichen Fällen verwendet, in denen eine Änderung des Antennenstrahlmusters erforderlich ist. Häufig muss dabei zwischen zwei eindeutigen Konfigurationen der Flachantenne umgeschaltet werden. Beim Einsatz als Erfassungsantenne entsprechen diese Konfigurationen zwei Erfassungs- oder Strahlungsmusterbreiten. Aus dem Stand der Technik ist die Verwendung von zwei oder mehr Antennen zur Bereitstellung verschiedener Erfassungs- oder Strahlungsmuster wohlbekannt. Bei anderen Techniken erfolgt die Änderung des Erfassungs- oder Strahlungsmusters der Antenne durch Verwendung von Umgebungskonfigurationen aus absorbierendem Material oder aus Metall. Alle diese Techniken beruhen jedoch auf einer mechanischen Modifikation der Antenne.
In der US 5,717,399 ist ein Radargerät für den Fahrzeuggebrauch, und insbesondere ein Radargerät für den Fahrzeuggebrauch, offenbart, welches diverse Einsatzmöglichkeiten bietet, einschließlich der Verhinderung einer Kollision oder einer automatischen Navigation beim Fahren mit hoher Geschwindigkeit., beim normalen Fahren in einem Verkehrsstau mit mittlerer oder niedriger Fahrgeschwindigkeit und der Erfassung eines Hindernisses um ein Fahrzeug herum. Dieses Radargerät enthält PIN-Dioden, die unter Steuerung eines Überwachungskontrollabschnitts einer Flachantenne selektiv ein- und ausgeschaltet werden. Diese Antenne hat verschiedene Richtcharakteristiken, die als Antenne zum Senden und Empfangen von Signalen zur Erfassung des in der Nähe befindlichen Objekts ausgewählt werden. Dies bedeutet, dass nur jeweils immer eine Antenne aktiv ist.
Die US 6,175,723 betrifft ein selbst strukturierendes Antennensystem, das eine umschaltbare Antennenanordnung als Flachantenne umfasst. Die Antennenanordnung ist definiert durch eine Vielzahl von Antennenelementen, die über eine Reihe von Schaltern selektiv elektrisch miteinander verbunden werden können. Die ermöglicht die Änderung der physischen Form der Antennenanordnung, ohne dafür die Antenne tatsächlich bewegen oder mechanisch verändern zu müssen. Durch Änderung der physischen Form lässt sich das Strahlungsmuster oder die Strahlungskeule der Antenne verändern. Ferner kann die Form der Antenne an sich verändernde elektrische und/oder physische Umgebungen angepasst werden, um eine gute Antennenleistung zu erzielen. Die Schalter sind jedoch Relais, entweder Halbleiterrelais, mechanische oder optoelektronische Relais, die im Allgemeinen hinter der eigentlichen Antenne angebracht sind. Derartige Schalter sind teuer und schwierig in der Herstellung.
Daher ist diese Antennenstruktur für kostensensible Anwendungen zu teuer.
Eine typische kostensensible Anwendung für eine Flachantenne ist ein automatischer Türöffner. Automatische Türöffner verwenden Türöffnersensoren, die üblicherweise aus Wellenleiter-Transceivern bestehen. Der Ausgang des Wellenleiter-Transceivers ist ein Wellenleiter-Flansch. Es ist jedoch äußerst schwierig und teuer, einen Schalter für verschiedene Antennen zu konstruieren, der in der Wellenleitertechnologie eingesetzt werden kann.
Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine Flachantenne mit auf einfachere Weise verbesserten Erfassungsmöglichkeiten bereitzustellen.
Die Flachantenne gemäß vorliegender Erfindung zeichnet sich durch die im unabhängigen Anspruch 1 angegebenen Merkmale aus.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Verwendung einer derartigen Flachantenne als Teil eines Geräts, das einen parallelen Verkehrszurückweisungsalgorithmus ausführt, in dem die von der Flachantenne empfangenen Informationen auf eine Weise verarbeitet werden, dass mindestens zwei verschiedene Keulen der Flachantenne analysiert werden, um die Richtung eines Fußgängers zu berechnen, der sich im oder in der Nähe des von einem Türöffnersensor abgedeckten Bereich(s) bewegt.
Eine erfindungsgemäße Flachantenne umfasst folgende Elemente:

– eine Vielzahl von Antennenelementen, die relativ zueinander in einer vorbestimmten Ausrichtung angeordnet sind; wobei jedes der Vielzahl von Antennenelementen selektiv elektrisch mit einem oder mehreren der anderen Antennenelemente verbunden werden kann;
– eine Vielzahl von Schaltern, welche die Vielzahl von Antennenelementen elektrisch miteinander verbinden, so dass beim Schließen eines der Schalter mindestens zwei Antennenelemente elektrisch miteinander verbunden werden,
– eine Antennenanordnung, die durch die Vielzahl von Schaltern in Verbindung mit der Vielzahl von Antennenelementen definiert ist;
– wobei die Antennenelemente auf einem ebenen Substrat derart positioniert sind, dass mindestens zwei verschiedene Strahlungskeulen der Antenne durch Aktivieren verschiedener Antennenelemente mittels der auf dem Antennensubstrat selbst befindlichen Schalter bereitgestellt werden können.

Erfindungsgemäß wurde eine Flachantenne konstruiert, die bei der direkten Kopplung an einen Wellenleiterausgang verwendet werden kann. Diese Antenne besteht aus einem Substrat, insbesondere einem Mikrowellensubstrat, das Antennenelemente beinhaltet. Die Antennenelemente können Patches (Flecken) auf dem Substrat umfassen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Patches auf das Mikrowellensubstrat aufgeätzt. Erfindungsgemäß wird bevorzugt, eine Schaltfunktion auf dem ebenen Substrat selbst und nicht im Wellenleiter zu erzeugen. Die erfindungsgemäße Antenne kann unter geringen Kosten erzeugt werden, insbesondere unter Verwendung weit verbreiteter und kostengünstiger mikroelektronischer Produktionstechniken
Die Patches können einen mittleren Patch umfassen, der die Funktion einer Kopplung mit einer Mikrowellenschaltung, beispielsweise einem Wellenleiter, einer Koaxialsonde, eine Loch- oder eine Schlitzkopplung, durchführt. Andere Arten von Mikrowellenschaltungen mit einer Verbindung über ein Loch, eine Koaxialsonde etc. können ebenfalls verwendet werden. Alle anderen Patches sollten hinsichtlich ihrer Länge dahingehend optimiert sein, dass der jeweilige Patch bei einer mittleren Frequenz schwingt, und hinsichtlich ihrer Breite der Impedanz und Strahlungsleistung der Antenne angepasst sein.
Vorzugsweise wird ein Wellenleiter zur Kopplung mit der Flachantenne bereitgestellt. Der Wellenleiter kann einen Übergang an die Flachantenne umfassen, der durch einen Wellenleiter-Flansch abgeschlossen wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Übergang einen „Doggy Bone"-Filter, der Störstrahlung bei harmonischen Frequenzen verringert. Zur Erzielung einer guten Filterleistung sollte bei Anbringung des Wellenleiter auf der Oberfläche der Flachantenne der Abstand zwischen dem „Doggy Bone"-Filter und der Ebene der Flachantenne mindestens ungefähr die Hälfte einer Wellenleiterlänge betragen. Zur Sicherstellung eines konstanten elektromagnetischen Feldes an seiner hinteren Öffnung und zur Bereitstellung einer Impedanzanpassung kann der Wellenleiter in seinem größeren Abmaß vergrößert sein. Schließlich kann der Wellenleiter eine rechteckige Öffnung umfassen, die derart ausgelegt ist, dass der mittlere Patch mit ausreichend Energie versorgt wird und eine gute Abstimmung zwischen dem Wellenleiter und der Flachantenne gewährleistet ist.
Um einen unerwünschten Mikrowellenaustritt über die Antennensteuerleitungen zu verhindern und eine Gesamtisolierung der Flachantenne gegenüber dem Rest der Antennensteuerschaltung zu gewährleisten, sollte ein Teil der Steuerleitungen und der Verbindungsplättchen (Pads) zum Anlegen eines Gleichstroms an die Schalter mit einem mikrowellenabsorbierenden Material abgedeckt sein.
Erfindungsgemäß sind PIN-Dioden als Schalter bevorzugt. Bei der Speisung der PIN-Dioden und bei ihrem Einsetzen in das Innere des Antennenlayouts ist auch zu berücksichtigen, dass diese zusätzlichen Komponenten die Strahlungsmerkmale der Antenne nicht modifizieren oder stören. Gemäß der Erfindung wurde der Weg, über den der Gleichstrom zur Polarisierung der PIN-Dioden verläuft, derart ausgelegt, dass er sich nicht auf das Antennenstrahlungsmuster auswirkt. In diesem Zusammenhang ist der Ort der Verbindung der Versorgungsleitung einer PIN-Diode auf dem Patch, auf dem die PIN-Diode angebracht ist, von primärer Bedeutung.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine Schaltung zur Steuerung der Flachantenne durch Erhalt mindestens eines Dopplersignal-Abtastwerts aus mindestens einem Messgerät, das mit mindestens einer Keule der Flachantenne arbeitet, Verarbeiten der erhaltenen Doppler-Signale gemäß einem Algorithmus und Durchführen eines Hochgeschwindigkeits-Umschaltens zwischen den Konfigurationen der Flachantenne gemäß dem Algorithmus bereit.
Die Schaltung umfasst vorzugsweise Abtast- und Halte-Schaltungen zum Abtasten der erhaltenen Doppler-Signale. Die Abtast- und Halteschaltungen können mit dem Hochgeschwindigkeits-Umschalten synchronisiert werden. Vorteilhafterweise kann die Schaltung einen digitalen Signalprozessor zur Verarbeitung des mindestens einen Doppler-Signals umfassen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform verarbeitet der digitale Signalprozessor zwei von den zwei Messgeräten erhaltene Doppler-Signale, die zwei verschiedenen Keulen der Flachantenne entsprechen, und berechnet anhand der Doppler-Signale eine Zwischenkeule durch Gewichtung der Doppler-Signale. Bei diesen Messgeräten handelt es sich vorzugsweise um Schottky-Dioden, die in einem Transceiver der Antenne angeordnet sind. Die Schaltung kann auch einen Oszillator umfassen, der ein Abtastfrequenzsignal mit einer zum Abtasten geeigneten Genauigkeit erzeugt. In Fällen der Verwendung einer Frequenzquelle mit hoher Stabilität kann die Schaltung so geformt sein, dass eine Gewichtung der beiden Keulen durch Impulsbreitenmodulation des Antennensteuersignals erfolgt. Die Gewichtung zwischen den zwei Antennenkeulen würde durch die Mittelwertbildung des Tiefpassfilters des Verstärkers erfolgen. Dann würde mindestens eine Er fassungskette ausreichen, um das gewichtete Doppler-Signal abzurufen.
Das bevorzugte Anwendungsgebiet der Flachantenne sind Türöffneranwendungen. Vorteilhafterweise wird die Antenne in einem Türöffnersensor verwendet.
Ein derartiger Türöffnersensor kann einen parallelen Verkehrszurückweisungsalgorithmus durchführen, der die von der Flachantenne empfangenen Informationen derart verarbeitet, dass mindestens zwei verschiedene Keulen der Flachantenne analysiert werden, um die Richtung eines Fußgängers, der sich im oder in der Nähe des vom Türöffnersensor abgedeckten Bereichs bewegt, zu berechnen. Im Gegensatz zu bekannten Türöffnersensoren kann dabei Verkehr vor einer Tür dadurch sicherer erfasst werden, dass eine von dem Sensor gesteuerte Tür nur dann aufgeht, wenn eine Person durch die Tür einzutreten beabsichtigt, d. h. die Person in eine bestimmte Richtung geht, die in einen Erfassungsbereich des Sensors fällt.
Weitere Ziele, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen. Es zeigen:
1 eine Ausführungsform eines Wellenleiter-Antennenhalters;
2 eine Ausführungsform des Layouts der Flachantenne;
3 den Gleichstromweg der Antenne von 2;
4 die Anordnung von absorbierendem Material auf der Antenne von 2;
5 ein Diagramm mit den zwei möglichen horizontalen Strahlungsmustern der Antenne von 2;
6 ein Diagramm mit dem typischen vertikalen Strahlungsmuster in beiden Konfigurationen der Antenne von 2;
7 eine Ausführungsform einer ZF-Verarbeitungsschaltung zur Verwendung mit der Antenne von 2; und
8 die Anwendung der Erfindung in einem automatischen Türöffner.
Die gesamte Antenne besteht aus einer Anordnung aus einem Wellenleiter 10 und einer Flachantenne 30 mit elektronischer Schaltung.
1 zeigt den Wellenleiter 10. Ein Wellenleiter-Flansch 16 schließt einen Transceiver ab, und ein Wellenleiter-Übergangsabschnitt 18 ist so ausgelegt, dass er mit dem Transceiver-Ausgang kompatibel ist. Im Inneren des Wellenleiter-Übergangsabschnitts 18 wird ein Filter 20 zur Verringerung des Störstrahlungspegels bei harmonischen Frequenzen verwendet. Dabei bezeichnet die Bezugsziffer 12 eine Aufsicht auf den Wellenleiter 10 und die Bezugsziffer 14 eine Seitenansicht des Wellenleiters 10.
Hinter dem Filter 20 wird ein Wellenleiterstück dazu verwendet, einen erforderlichen Abstand zwischen dem Filter 20 und der Antennenebene zu halten, so dass die elektromagnetischen Felder im Inneren nicht durch die Nähe der beiden Einheiten gestört werden. Ferner ist der Wellenleiter 10 in seinem größeren Abmaß vergrößert, um ein konstantes elektromagnetisches Feld an der hinteren Öffnung der Antenne sicherzustellen (wodurch die Cosinusschwankung des E-Felds im Inneren des Wellenleiters minimiert wird) und eine Impedanzanpassung bereitzustellen.
Die in 2 gezeigte Flachantenne ist am Endpunkt der Wellenleiterlänge angeordnet und die elektromagnetischen Felder werden über eine rechteckige Öffnung vom Wellenleiter in die Antenne gekoppelt. Diese Öffnung ist so ausgelegt, dass ein mittlerer Patch 50 des Substrats 31 der Flachantenne 30 ausreichend mit Energie versorgt wird. Ferner wird dadurch eine gute Anpassung sichergestellt. Nach dem Koppeln der Energie der elektromagnetischen Strahlung an den mittleren Patch 50 wird sie auch durch Verwendung von Mikrostreifenleitungen 58, 60, 62 an andere Patches 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46, 48 verteilt. Die Besonderheiten der Koppelleitungen sind nachstehend ausgeführt.
Die Antennenstruktur ist aus drei Leitungen 33, 49 und 41 mit jeweils drei Patches zusammengesetzt. Dabei umfasst die linke Leitung 33 die Patches 34, 36, 38, die rechte Leitung 41 die Patches 42, 44, 46 und die mitt lere Leitung 49 die Patches 40, 48, 50. Jede Leitung 33, 41, 49 bildet ein Antennenelement. Bei jeder Leitung sind die Patches über die erwähnten Mikrostreifenleitungen 58, 60 und 62 jeweils elektrisch miteinander verbunden. Somit sind drei Antennenelemente auf der Flachantenne 30 ausgebildet.
Die Form des mittleren Patches 50 unterscheidet sich von den Formen der anderen Patches 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46 und 48 aufgrund seiner Koppelfunktion mit dem Wellenleiter 10. Die anderen Patches 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46 und 48 sind Patches mit optimierter Länge, damit jeder Patch auf der mittleren Frequenz der Antenne schwingt. Die Breite der Patches 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46 und 48 wird zur Einstellung der Impedanz und Strahlungsstärke der Antenne verwendet. Diese Technik lässt sich auch auf eine größere Antenne anwenden, insbesondere Antennen mit größer dimensionierten und/oder mehr Patches.
Wie bereits erwähnt, besteht die Antenne aus drei Antennenelementen oder -leitungen mit jeweils drei Patches. Innerhalb jeder Leitung wird die Kopplung durch zwei (Mikrostreifen-)Leitungen 58, 60 sichergestellt, die auf jeder Seite des mittleren Patches 50 angeschlossen sind und die Randpatches 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46 und 48 speisen. Die Länge jeder dieser Leitungen 58, 60 ist derart ausgelegt, dass die Patches 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46 und 48 alle phasengleich entlang der Leitung strahlen.
Die beiden seitlichen Leitungen 58 und 60 werden dann über horizontale Koppelleitungen 61, 63, die derart konstruiert sind, dass die seitlichen Leitungen 58, 60 phasengleich gespeist werden und Symmetrie an der Antennenstruktur 30 entlang gespart wird, mit der mittleren Leitung 62 verbunden. Dadurch ergibt sich die „S"-förmige Kopplung um den mittleren Patch 50 herum. Durch die sich aus der Änderung der Leitungsbreite ergebende Änderung der Mikrostreifenimpedanz kann ein gewisser Abgleich und eine gewisse relative Leistungsanpassung bereitgestellt werden. Dies erweist sich bei der Einstellung des horizontalen Strahlungsmusters der Antenne sowie zur Optimierung des Reflexionsverlusts des Gesamtaufbaus als nützlich.
Durch alle Leitungen hindurch wird die vom Wellenleiter 10 auf dem mittleren Patch erzeugte Energie 50 im erforderlichen Anteil an alle Antennenelemente 33, 41, 49 verteilt.
Insbesondere bei Türöffneranwendungen ist es von Vorteil, wenn zwei Arten von Antennenmustern möglich sind: eine große horizontale Keule und eine schmale. Da jede Keule einer Antenne entspricht, werden zwei verschiedene Antennen benötigt. Beide Antennen sollten das gleiche vertikale Strahlungsmuster haben. Um dies zu erreichen, müssen Schaltelemente zum Umschalten zwischen den zwei Konfigurationen verwendet werden.
Das Umschalten erfolgt durch PIN-Dioden 56 und 57, die jeweils auf den horizontalen Kopplungsleitungen 63 bzw. 61 angebracht sind. Diese Dioden 56 und 57 dienen als aktive Schalter, mit denen die Patches 34, 36, 38 und 42, 44, 46 mit dem mittleren Patch 50 verbunden bzw. von diesem getrennt werden können. Dies ermöglicht die Steuerung des Stroms der Mikrowellenenergie an die seitlichen Patches 34, 36, 38 und 42, 44, 46.
Die PIN-Dioden 56 und 57 haben die Eigenschaft, dass sie im „EIN"-Zustand einen geringen Serienwiderstand und im „AUS"-Zustand eine geringe Kapazitanz bereitstellen. Daher sind sie bevorzugte Elemente, um eine gute Umschaltleistung ohne komplizierte Anpassungsschaltungsanordnung um die PIN-Dioden herum bereitzustellen.
Im „EIN"-Zustand der PIN-Dioden werden die beiden seitlichen Patchleitungen 33 und 41 gespeist, und die Antenne verhält sich wie eine Antenne mit 3 × 3 Patches, wodurch sich eine schmale Keule in der horizontalen Ebene ergibt. Diese Konfiguration wird für Anwendungen mit schmaler Keule verwendet.
Im „AUS"-Zustand der Dioden sind die beiden seitlichen Patchleitungen 33 und 41 von der mittleren Patchleitung 49 abgekoppelt. Die horizontalen Kopplungsleitungen 56, 57 sind abgekoppelt. Somit umfasst die Antenne eine Flachantenne mit nur einer Leitung mit den Patches 40, 48, 50 und einem breiten Strahlungs- oder Empfangsmuster in der horizontalen Ebene und einem Strahlungs- oder Empfangsmuster ähnlich dem Muster einer Antenne mit schmaler Keule in der vertikalen Ebene.
Die Dioden 56 und 57 können oberflächenmontierbare Bauteile (engl. surface mount devices, SMD) mit minimaler Störfrequenz der Baugruppe (engl. package parasitic) sein. Die Dioden 56 und 57 können auf der Mitte eines passenden Pads angebracht sein, wo die Breite des Mik rostreifens größer ist. An diesem Punkt ist der Impedanzpegel ziemlich niedrig und die Impedanz der Diode im „AUS"-Zustand ist hoch genug, um eine gute Isolierung zu ermöglichen.
Zum korrekten Umschalten muss eine geeignete Polarisation an die Dioden angelegt werden. Um die Diode in den „EIN"-Zustand zu versetzen, muss diese mit einem Strom von ca. 10 mA vorgespannt werden. Um die Diode in den „AUS"-Zustand zu schalten, wird eine Vorspannung von ca. 0 V angelegt. Die Dioden 56 und 57 dürfen jedoch nicht für den „AUS"-Zustand potenzialfrei bleiben.
Daher werden die beiden Dioden 56 und 57 in Reihe mit Gleichstrom gespeist. Dies bietet mehrere Vorteile:

– Schaltet eine der Dioden ab, dann fließt kein Strom in der zweiten und die Antenne geht auf die meistverwendete größere Keule zurück.
– Durch Reihenschaltung der zwei Dioden verringert sich die Menge von Polarisationsleitungen und daher die durch diese Leitungen verursachten Störungen des Antennenstrahlungsmusters.
– Da die beiden Dioden in Reihe polarisiert werden, fließt im Wesentlichen derselbe Strom durch sie. Daher wird eine gute Abstimmung zwischen den zwei Seiten der Antenne erzielt, was wiederum die Symmetrie der Keule verbessert.
– Da im Wesentlichen derselbe Strom durch die Dioden fließt, verringert sich der Stromverbrauch selbst bei Verwendung von zwei Dioden auf ca. 1 × den Polarisationsstrom.

Nachstehend ist die optimale Verbindung der Polarisationsleitungen mit den Seitenantennen erläutert. Bei den meisten Polarisationsschaltungen ist es äußerst wichtig sicherzustellen, dass kein Mikrowellensignal durch sie hindurch fließt, da es möglicherweise aufgrund von Nicht-Linearität oder Störungsmischung des Mikrowellensignals innerhalb der Niederfrequenzschaltung zu einigen Nebenwirkungen kommt. Es könnte dann ein Problem darstellen, wenn dies entweder zu Rauschen oder einem dopplerartigen Signal (jedwedem Signal zwischen 30 Hz und 400 Hz) führen würde. Wenn diese Leitungen irgendein Mikrowellensignal aufnehmen, dann können sie ferner die Erzeugung einer Verzerrung des Antennenstrahlungsmusters verursachen. Um dies zu vermeiden, wurde eine spezielle Konfiguration der Antenne 30 verwendet.
Elektromagnetische Simulationen haben gezeigt, dass eine Antenne mit Resonanzpatch an den Rändern maximale Spannung und auf der Mitte der lateralen Seite minimale Spannung hat. Genau dort ist eine dünne Leitung angeschlossen, um den Gleichstrom an die Dioden zu legen. Elektromagnetische Simulationen haben ebenfalls gezeigt, dass die Unterdrückung von Mikrowellenenergie unter Verwendung dieser Strategie bis zu 35 dB erreichen könnte. 3 zeigt den Gleichstromweg der Antenne 30. Gleichstrom wird über Verbindungspads 52 und 54 zugeführt, die über dünne Leitungen mit den Patches 34 bzw. 46 verbunden sind.
Um eine vollkommene Isolierung der Antenne vom Rest der Radarschaltung sicherzustellen, sind zusätzliche Vorsichtsmaßnahmen erforderlich. Dies lässt sich durch Verwendung eines mikrowellenabsorbierenden Materials bewerkstelligen, das auf die Polarisationsleitungen aufgeklebt wird. In 4 ist das auf die Oberfläche der Antenne aufgebrachte absorbierende Material dargestellt. Dabei ist die Form des absorbierenden Materials so ausgelegt, dass es auf dem Antennensubstrat verbleibt.
Durch elektronisches Umschalten zwischen den zwei Antennen ist es nunmehr möglich, zwei verschiedene Keulen 70, 72 der Antenne gemäß der angelegten Steuerspannung zu erhalten. 5 zeigt zwei mögliche Keulen 70 und 72, die durch Umschalten der Konfiguration der Antenne erzeugt werden. Die Keulen 70 und 72 beziehen sich auf die horizontale Verteilung der Strahlungsmuster der zwei Konfigurationen der Antenne. Ein mechanisches Verändern der Antenne ist nicht mehr erforderlich. Eine einzige Antenne kann einfach durch elektronisches Umschalten verschiedene Keulen erzeugen. Da alle der Antennenelemente 33, 41, 49 ziemlich ähnlich sind, fällt unabhängig von der Antennenkonfiguration das Strahlungsmuster 80 in der vertikalen Ebene fast gleich aus, wie in 6 zeigt. Daher ist das vertikale Strahlungsmuster 80 für beide Konfigurationen der Flachantenne 30 fast identisch.
Die Verwendung einer derartigen Antenne bietet auch den Vorteil, dass sie ohne weiteres mit existierenden kostengünstigen Transceivern auf der Basis der Wellenleitertechnologie kompatibel ist. Die Montage dieser Bauelemente ist weniger kritisch und robuster bei der Realisierung als eine vollkommen flache Lösung. Zum Schutz der Dioden kann ein Schaumradom verwendet werden.
Die oben beschriebenen Techniken sind ziemlich allgemein und können in verschiedenen Situationen verwendet werden, in denen eine Veränderung der Antennenkeule erforderlich ist. Durch elektronische Verarbeitung des Doppler-Signals und Steuerung der Antenne sind viele verschiedene Konfigurationen möglich.
Das elektronische Umschalten der Antenne eröffnet die Möglichkeit zur Steuerung der Antenne mit einem Prozessor und aufgrund dessen eine ferngesteuerte Einstellung des Strahlungsmusters. Dabei ist es nicht nur möglich, zwischen den beiden äußersten Konfigurationen umzuschalten, sondern auch durch Verwendung eines Algorithmus äquivalente Erfassungskeulen zu erzeugen, die zwischen den zwei äußersten liegen. Eine Gewichtung des bei jeder Konfiguration empfangenen Doppler-Signals wird dazu verwendet, alle erforderlichen Zwischenzustände zu erhalten.
7 zeigt eine Schaltung für ZF-Verarbeitung, die mit einem Mikrowellentransceiver 106 verbunden ist. Der Transceiver 106 umfasst einen an einer Flachantenne 30 angebrachten Wellenleiter. Durch die Verarbeitung werden die Doppler-Signale von zwei im Mikrowellentransceiver 106 vorgesehenen Schottky-Dioden 100 und 102 für jede der zwei Antennenkonfigurationen erhalten. Zu diesem Zweck wird ein von der Antenne 30 erhaltenes Signal in jeder Konfiguration der Antenne 30 abgetastet und eine Hochgeschwindigkeits-Umschaltung erfolgt zwischen den zwei Konfigurationen der Antenne 30. Abtast- und Halteschaltungen 114, 116, 118 und 120 sind auf die Umschaltung der Konfigurationen der Antenne 30 synchronisiert, um die Ausgangssignale der Abtast- und Halteschaltungen 114, 116, 118 und 120 auf den entsprechenden Kanälen umzuschalten.
Bei einer derartigen Schaltung ist es möglich, das Doppler-Signal der zwei Schottky-Dioden 100 und 102 für die zwei Konfigurationen der Antenne fast gleichzeitig abzurufen und sie zur digitalen Verarbeitung an einen Prozessor zu senden. Berücksichtigt der Prozessor nur das von der Konfiguration mit nur einer Antenne kommende Signal, dann hat ein Sensor das Erfassungsmuster der auf diese Stellung umgeschalteten Antenne. Sind jedoch die beiden Konfiguration gleichzeitig verfügbar, dann kann durch Gewichtung der Doppler-Signale jedwede Zwischenkeule berechnet werden.
Bei dieser Technik kann der Abtasttakt entweder vom Prozessor oder von einem zusätzlichen Oszillator 108 bereitgestellt werden, dessen Frequenzgenauigkeit nicht kritisch ist, vorausgesetzt, sie bleibt ausreichend hoch, um eine gute Abtastung zu ermöglichen.
Im Fall einer Mikrowellenquelle mit sehr hoher Frequenzstabilität ist es möglich, zum Abtasten eine Impulsbreitenmodulation zu verwenden. In diesem Fall würde zum Abrufen des Signals nur eine Erfassungskette ausreichen. Die Wahl zwischen den Keulen würde über den Arbeitszyklus erfolgen.
Eine derartige aktive Flachantenne 30, die bei einem aktiven Antennensensor verwendet wird, liefert mehr Informationen als eine Einzelantenne. Die Verwendung der von der aktiven Flachantenne 30 empfangenen zusätz lichen Informationen kann zu einem effektiven parallelen Verkehrszurückweisungsalgorithmus für Fußgänger führen, der bei Türöffnersystemen verwendet wird, wie 8 zeigt. Durch gleichzeitige Überwachung der Amplitude des von den zwei Antennenkonfigurationen eines oben an einer Tür 150 angebrachten aktiven Antennensensors 152 kommenden Doppler-Signals kann bestimmt werden, von welcher Seite ein Fußgänger kommt.
Werden die horizontalen Strahlungsmuster des aktiven Antennensensors 152 sorgfältig gewählt, dann könnte man die von demselben Zielobjekt erzeugten Informationen in beiden Antennenkonfigurationen korrelieren, um den Winkel des Verlaufswegs des Zielobjekts im Vergleich zur Sensorachse anzunähern.
Kommt das Zielobjekt in der Achse des Sensors (Richtung A), dann ist die Größe der Signale, die dem Erfassungsfeld 156 der zweiten Konfiguration (schmales Feld) entspricht, höher als diejenige, die dem Erfassungsfeld 154 der ersten Konfiguration (breites Feld) entspricht. Im Gegensatz dazu ist, wenn ein Zielobjekt parallel zum Kopfstoß der Tür 150 (Richtung B) läuft, die Größe der Signale, die dem breiten Erfassungsfeld entspricht, größer als diejenige, die dem schmalen Feld entspricht. Wird das Größenverhältnis zwischen den mit beiden Antennenkonfigurationen erzeugten Signalen kontinuierlich berechnet, dann könnte der Winkel der Verlaufsbahn des Zielobjekts ausgewertet werden. Ferner könnten diese Informationen dann mit einem vorgegebenen Pegel verglichen werden, um Zielobjekte zu unterscheiden, die parallel zum Kopfstoß der Tür 150 laufen.
Im obigen wurden Ausführungsformen einer Flachantenne gemäß der Erfindung beschrieben. Bei der Erfindung sind die Flachantennenkonstruktionen jedoch nicht auf die oben beschriebenen beschränkt. Auch sind bei der vorliegenden Erfindung die verwendeten Materialien in keiner Weise beschränkt. Auch wird bei der Erfindung keinesfalls beschränkt, wie die Kopplung zwischen dem Transceiver und dem mittleren Patch hergestellt wird. Der Erfindungsgedanke kann auf unterschiedliche Weise innerhalb des im unabhängigen Anspruch 1 definierten Umfangs angewandt werden.

10: Wellenleiter
12: Aufsicht auf den Wellenleiter
14: Seitenansicht des Wellenleiters
16: Wellenleiter-Flansch
18: Übergangsabschnitt
20: Filter
30: Flachantennenschaltung
31: Substrat
33: Leitung
34: Patch
36: Patch
38: Patch
40: Patch
41: Leitung
42: Patch
44: Patch
46: Patch
48: Patch
49: Leitung
50: mittlerer Patch
52: Verbindungspad
54: Verbindungspad
56: PIN-Diode
57: PIN-Diode
58: Mikrostreifenleitung
60: Mikrostreifenleitung
61: Kopplungsleitung
62: Mikrostreifenleitung
63: Kopplungsleitung
70: Keule
72: Keule
80: Strahlungsmuster
100: Schottky-Diode
102: Schottky-Diode
106: Transceiver
108: Oszillator
114: Schaltung
116: Schaltung
118: Schaltung
120: Schaltung
150: Tür
152: Sensor
154: Erfassungsfeld
156: Erfassungsfeld

Claims

Flachantenne (30) mit: einer Vielzahl von Antennen (33, 41, 49), die in vorbestimmter Ausrichtung relativ zueinander angeordnet sind, wobei jede dieser Antennen (33, 41, 49) aus mindestens einem Plättchen oder Patch (34, 36, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50) besteht, die untereinander elektrisch verbunden sind, um eine auf einem ebenen Substrat angebrachte vertikale Anordnung zu bilden, wobei jede der Antennen (33, 41, 49) über eine Vielzahl von Schaltern (56, 57) selektiv elektrisch mit einer oder mehreren der anderen Antennen (33, 41, 49) verbunden werden kann, so dass durch das Schließen eines der Schalter (56, 57) zwei benachbarte Antennen elektrisch miteinander verbunden werden, und die Vielzahl von Antennen (33, 41, 49) eine horizontale Antennenanordnung definiert, dadurch gekennzeichnet, dass die horizontale Antennenanordnung aus einer mittleren Antenne (49) und mindestens einer seitlichen Antenne (33, 41) gebildet ist, wobei die mittlere Antenne (49) über mit Schaltern (56, 57) versehene horizontale Leitungen (61, 63) mit der mindestens einen seitlichen Antenne (33, 41) verbunden ist, wobei die Schalter (56, 57) derart gesteuert werden, dass im „EIN"-Zustand eine oder mehrere der seitlichen Antennen (33, 41) mit der mittleren Antenne (49) verbunden ist bzw. sind, wodurch sich eine schmalere Keule in der horizontalen Ebene ergibt, und im „AUS"-Zustand die mindestens eine seitliche Antenne (33, 41) abgeschaltet ist und lediglich die mittlere Antenne (49) aktiv ist, wodurch sich eine breite Keule in der horizontalen Ebene ergibt.
Flachantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (56, 57) auf dem Antennensubstrat angeordnet sind.
Flachantenne nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Patches (34, 36, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50) einen mittleren Patch (50) umfassen, der über ein Loch, eine Schlitzkopplung oder jedwede andere Art von Kopplung eine Koppelfunktion zu einer Mikrowellenschaltung, beispielsweise einem Wellenleiter (10) oder einer Koaxialsonde bewirkt.
Flachantenne nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass alle anderen Patches (34, 36, 38, 40, 42, 44, 46, 48) hinsichtlich ihrer Länge dahingehend optimiert sind, dass der jeweilige Patch bei einer mittleren Frequenz in Schwingung versetzt wird, und hinsichtlich ihrer Breite auf die Impedanz und die Strahlungsstärke der Antenne abgestimmt sind.
Flachantenne nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine linke seitliche, eine mittlere und eine rechte seitliche Antenne (33, 41, 49) mit jeweils drei Patches (34, 36, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50) umfasst, wobei bei jeder Antenne die Patches über vertikale Leitungen (58, 60, 62) miteinander verbunden sind und die linke bzw. die rechte Antenne (33, 41) über die Schalter (56, 57) mit dem mittleren Antennenelement (49) elektrisch verbunden werden können.
Flachantenne nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wellenleiter (10) zum Koppeln mit der Flachantenne vorgesehen ist.
Flachantenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (10) einen Übergang (18) zur Flachantenne umfasst, der mit einem Wellenleiter-Flansch (16) abgeschlossen ist.
Flachantenne nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang (18) einen "Doggy Bone"-Filter (20) umfasst, der Störstrahlung bei harmonischen Frequenzen verringert.
Flachantenne nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anbringung des Wellenleiters (10) an der Oberfläche der Flachantenne (30) der „Doggy Bone"-Filter (20) und die Ebene der Flachantenne (30) in etwa eine Wellenleiterlänge voneinander beabstandet sind.
Flachantenne nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (10) in seinem größeren Abmaß vergrößert ist, um ein konstantes elektromagnetisches Feld an seiner hinteren Öffnung sicherzustellen und eine Impedanzanpassung bereitzustellen.
Flachantenne nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (10) eine rechteckige Öffnung umfasst, die derart ausgelegt ist, dass der mittlere Patch (50) mit ausreichend Energie versorgt wird und eine gute Abstimmung zwischen dem Wellenleiter (10) und der Flachantenne (30) gewährleistet wird.
Flachantenne nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Schaltern um PIN-Dioden handelt.
Flachantenne nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pfad für einen Gleichstrom zur Polarisierung der PIN-Dioden bereitgestellt wird und derart ausgebildet ist, dass er keinen Einfluss auf das Antennenstrahlungsmuster hat.
Flachantenne nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens Anschlusspads (52, 54) zur Anlegung von Gleichstrom an die Schalter und/oder ein Teil der Steuerleitungen (66, 68) mit einem mikrowellenabsorbierenden Material abgedeckt sind.
Flachantenne nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Schaltung zum Steuern der Flachantenne (30) durch Erhalt mindestens eines Doppler-Signals von mindestens einem Messgerät (100, 102), das mit mindestens einer Keule der Flachantenne (30) arbeitet, Verarbeiten der erhaltenen Doppler-Signale gemäß einem Algorithmus und Durchführung einer Hochgeschwindigkeits-Umschaltung zwischen den Konfigurationen der Flachantenne (30) gemäß dem Algorithmus.
Flachantenne nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung Abtast- und Halteschaltungen (114, 116, 118, 120) zum Abtasten der erhaltenen Doppler-Signale umfasst.
Flachantenne nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtast- und Halteschaltungen (114, 116, 118, 120) mit der Hochgeschwindigkeits-Umschaltung synchronisiert sind.
Flachantenne nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung einen digitalen Signalprozessor zur Verarbeitung des mindestens einen Doppler-Signals umfasst.
Flachantenne nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der digitale Signalprozessor zwei von zwei Messgeräten (100, 102) erhaltene Doppler-Signale verarbeitet, die zwei verschiedenen Keulen der Flachantenne entsprechen, und durch Gewichtung der Dopplersignale eine Zwischenkeule aus diesen berechnet.
Flachantenne nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung einen Oszillator (108) umfasst, der ein Abtastfrequenzsignal (Φ) mit einer zum Abtasten geeigneten Genauigkeit erzeugt.
Flachantenne nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung derart gebildet ist, dass sie ein Abtasten durch Pulsbreitenmodulation durchführt.
Flachantenne nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie bei einem Türöffnersensor (152) verwendet wird.
Gerät mit einer Flachantenne nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Türöffnersensor (152) einen parallelen Verkehrsabweisungsalgorithmus ausführt, der die von der Flachantenne empfangenen Daten derart verarbeitet, dass dabei mindestens zwei verschiedene Keulen (154, 156) der Flachantenne analysiert werden, um die Richtung eines Fußgängers zu berechnen, der sich in dem vom Türöffnersensor (152) erfassten Bereich oder in dessen Nähe bewegt.