DE69412264T2 - Strahlungssensor - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf einen Strahlungssensor und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, auf eine Vorrichtung zur Verwendung in Radar- oder Kommunikations- Systemen bei Frequenzen in Mikrowellen- und Millimeterwellenbereichen von 10 GHz und darüber.
• Strahlungssensoren sind im Stand der Technik wohlbekannt. Das US-Patent 4.331.957 beschreibt eine Dipolantenne, die in einer Radar-Transpondervorrichtung eingesetzt wird und für die Lokalisierung von Lawinenopfern und dergleichen verwendet wird. Sie ist eine im wesentlichen omnidirektionale Vorrichtung, was eine Eigenschaft der Dipolantennen ist, und liefert folglich keine gerichteten Szeneninformationen. Sie kann nicht verwendet werden, um Zielpeilungen zu identifizieren, und ist eine Vorrichtung mit kurzer Reichweite (z. B. 15 Meter).
• Viele strahlungssensoren werden als Radargeräte verwendet, die Richtungsszeneninformationen bei Reichweiten in der Größenordnung von Kilometern oder mehr liefern sollen. Dies erfordert die Abtastung mit einer Richtantennenvorrichtung, wie z. B. derjenigen, die auf dem Gebiet der Raketensuchköpfe verwendet wird. Das US-Patent 4.199.762 beschreibt einen Träger für eine Radarantenne, der mittels einer kardanischen Aufhängung mechanisch um zwei orthogonale Achsen bewegt wird. Eine solche Vorrichtung ist vergleichsweise groß und teuer. Außerdem ist eine mechanisch bewegte Antenne nur für Objekte innerhalb des Antennenstrahls empfindlich. Schnell bewegte Objekte, die das abgetastete Volumen durchqueren, müssen nicht notwendigerweise auf den Antennenstrahl treffen.
• Um die Nachteile der mechanisch bewegten Radargeräte zu beseitigen, wurden elektronisch bewegte Vorrichtungen entwickelt. Eine solche Vorrichtung enthält eine Matrix von Sende- und/oder Empfangsantennen. Die Sende- oder Empfangsstrahlrichtung wird gesteuert durch geeignete Phasensteuerung des Ansteuersignals oder des Lokaloszillatorsignals an jeder Antenne. Ein Phasenmatrixradar, mit "MESAR" bezeichnet, wurde offenbart auf der Konferenz mit dem Titel RADAR 87, London, Großbritanien, 19.- 21. Oktober 1987. Das MESAR umfaßt eine Matrix von 918 Wellenleiterstrahlungselementen, die in einem Quadrat mit einer Seitenlänge von 2 Metern angeordnet sind.
• Antennenmatrizen auf der Grundlage von Dipolen, die in dielektrischen Materialien eingehüllt (d. h. eingeschlossen) sind, sind im US-Patent 3.781.896 offenbart. Diese Offenbarung macht jedoch keine Aussage bezüglich der enormen Entwurfsprobleme, die beim Leiten von Signalen zu und von einer solchen Matrix auftreten. Sie macht ferner keine Aussage bezüglich des Erreichens der geforderten Richteigenschaften und Messungen.
• Eine weitere Form von Strahlungssensor wird offenbart von Zah u. a. in International Journal of Infrared and Millimeter Waves, Bd. 6, Nr. 10, 1985. Er besteht aus einer eindimensionalen Matrix von Bogenzugantennen mit integrierten Dioden, die in der Bildebene eines Linsensystems angeordnet sind, das eine Objektivlinse und eine Substratlinse umfaßt. Das von den Antennen empfangene Signal kann als eine Funktion der Antennenposition aufgezeichnet werden, um ein Bild zu erzeugen. Diese Vorrichtung hat den Nachteil, daß sie auf den Empfangsbetrieb beschränkt ist. Außerdem erfaßt sie nur Strahlung mit einer Komponente, die parallel zu den Antennen polarisiert ist. Es besteht keine Sendefähigkeit noch gibt es irgendeine Vorrichtung zum Erfassen anderer Polarisationen. Eine häufige Anforderung an Radarsensoren besteht darin, daß sie das Senden und Empfangen durch eine einzige Öffnung bewerkstelligen.
• Die Mikrowellen- und Millimeterwellen-Sternringmatrixtechnologie wird beschrieben von Alder u. a. in Proceedings of the 20th European Microwave Conference 1990, S. 454-459. Mittels Linsen gespeiste Mikrowellen- und Millimeterwellenempfänger mit Integralantennen werden beschrieben von Alder u. a. auf den Seiten 449-453 der gleichen Quelle.
• Die britische Patentanmeldung Nr. GB 2 258 949 A beschreibt eine Radarübertragungs-Relaisvorrichtung, die eine Sendeempfängermatrix von Schaltern enthält, die zwischen einem Zustand, in dem die Matrix als Planspiegel wirkt, und einen Zustand, in dem die Matrix für einfallende Strahlung transparent ist, umgeschaltet werden können. Die britische Patentanmeldung Nr. GB 2 237 936 A beschreibt ein Radarsystem, das eine Matrix von gekreuzten Dipolen enthält, die einen polarisationsselektiven Spiegel besitzt, der eine Matrix paralleler Metallstreifen umfaßt.
• Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine alternative Form eines Strahlungssensors zu schaffen.
• Die vorliegende Erfindung schafft einen Strahlungssensor, mit einer dielektrischen Linse zum Führen von Strahlung, wobei die Linse eine erste Brennebene und eine zweite Brennebene an entsprechenden Linsenoberflächenregionen definiert, die quer zu einer optischen Achse der Linse verlaufen, zu oder von denen Strahlung gelangen soll, wobei entweder die Empfangseinrichtung oder die Sendeeinrichtung bei der Sensorbetriebsfrequenz innerhalb einer Wellenlänge bei jeder Brennebene angeordnet ist, wobei die Wellenlänge derjenigen innerhalb eines Mediums unmittelbar neben der Empfangs- oder Sendeeinrichtung entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungssensor eine schaltbare Reflexionseinrichtung (18) innerhalb der Linse zum wahlweisen Ausführen der folgenden Funktionen enthält:
• (i) Reflektieren der einfallenden Strahlung mit wechselweise orthogonalen Polarisationen, und
• (ii) Durchlassen der einfallenden Strahlung der einen Polarisation und Reflektieren der einfallenden Strahlung einer orthogonalen Polarisation.
• Die Erfindung bietet den Vorteil, daß sie einen gewissen Schutz für die Strahlungsempfangseinrichtung vor Streu- HF-Strahlung bietet.
• Die schaltbare reflektierende Einrichtung kann eine monolithische Matrix von PIN-Dioden sein, die so angeordnet sind, daß sie in einem AUS-Zustand eine Signalpolarisation reflektieren und eine weitere durchlassen und in einem EIN-Zustand beide Polarisationen reflektieren, wobei die Matrix parallel zu den beiden Brennebenen liegt. Die Matrix kann zwischen ebenen Oberflächen der entsprechenden Linsenabschnitte angeordnet sein. Ein Linsenabschnitt kann wie eine sphärische Abdeckung geformt sein, während ein zweiter Linsenabschnitt kegelstumpfförmig sein kann. Dies schafft eine sehr kompakte Form der Konstruktion, die mit vergleichsweise kostengünstigen Materialien mit geringer Dichte verwirklicht werden kann.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Brennebenenmatrix zweidimensional und enthält Kreuzdipolantennen. Ein Dipol jeder Antenne liegt parallel zur Polarisation der empfangenen Strahlung, die von der reflektierenden Einrichtung auf diese geworfen wird. In dieser Ausführungsform enthält der Sensor einen Signalgenerator, der dazu dient, der ersten Brennebenenmatrix ein lokales Oszillatorsignal zuzuführen, das parallel zu jedem zweiten Dipol der Antennen polarisiert ist. Einer der Dipole kann einen geteilten Schenkel enthalten, der wie eine Zwischenfrequenzsendeleitung arbeitet. Eine zweite monolithische PIN-Diodenmatrix ist so angeordnet, daß sie die auf die Antennen fallende Strahlung beschränkt, um die Antennen sowohl vor einem Hochleistungssendesignal als auch vor Streustrahlung, die auf den Sensor gerichtet ist, zu schützen. Diese Ausführungsform der Erfindung gewährleistet das Senden und das Empfangen linear polarisierter HF-Strahlung durch die gleiche Öffnung.
• Im Sensor kann eine Zirkularpolarisierungsvorrichtung enthalten sein, um zirkular polarisierte Strahlung durch eine einzige Öffnung zu senden und zu empfangen. Der Sensor kann so konfiguriert sein, daß er die gleiche Polarisation erfaßt wie er sendet, oder eine dazu orthogonale Polarisation.
• Für ein vollständigeres Verständnis der Erfindung werden im folgenden Ausführungsformen derselben mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
• Fig. 1 eine schematische seitliche Schnittansicht eines Strahlungssensors der Erfindung ist;
• Fig. 2 eine Ansicht eines zerlegten schaltbaren Strahlungsreflektors innerhalb einer dielektrischen Linse für die Verwendung im Sensor der Fig. 1 schematisch zeigt;
• Fig. 3 eine Ansicht einer zerlegten Signalsendevorrichtung für die Verwendung im Sensor der Fig. 1 ist;
• Fig. 4 eine Polarisationsschaltantenne für die Verwendung in der Vorrichtung der Fig. 3 schematisch zeigt;
• Fig. 5 eine Empfangsantennenmatrix schematisch zeigt, die im Sensor der Fig. 1 enthalten ist;
• Fig. 6 eine Draufsicht einer Kreuzdipolantenne der Matrix der Fig. 5 ist.
• In Fig. 1 ist ein Strahlungssensor der Erfindung gezeigt, der allgemein mit 10 bezeichnet ist. Die karthesischen Bezugsachsen sind mit 11 bezeichnet und geben die orthogonalen x- und z-Referenzachsen an; die y-Achse ist nicht gezeigt, da sie senkrecht zur Zeichenebene verläuft. Der Sensor 10 ist für einen Betrieb bei einer Mikrowellenfrequenz von 16 GHz ausgelegt und enthält eine dielektrische Linse 12 mit einem sphärischen Abdeckungsabschnitt 14 und einen kegelstumpfförmigen Abschnitt 16, wobei diese Abschnitte kreisförmige Stirnflächen (nicht gezeigt) mit gleicher Größe besitzen, die nebeneinander liegen. Die Linsenabschnitte 14 und 16 bestehen aus Aluminiumoxid und besitzen eine relative Dielektrizitätskonstante von 10. Die benachbarten Stirnflächen besitzen einen Durchmesser von 6,6 cm, wobei die sphärische Abdeckungshöhe oder die maximale Dicke senkrecht zu ihrer Kreisfläche 1,9 cm beträgt.
• Eine erste Matrix von PIN-Dioden 18 ist zwischen den benachbarten Flächen der Linsenabschnitte 14 und 16 angeordnet. Die erste Diodenmatrix 18 ist flach und senkrecht zur Zeichenebene angeordnet. Die Diodenmatrix 18 wird später genauer beschrieben. Die sphärische Abdekkung 14 enthält eine zweite flache PIN-Diodenmatrix 20, deren Ebene ebenfalls senkrecht zur Zeichenebene liegt. Die zweite Matrix 20 ist zwischen den ersten und zweiten Bereichen 22 und 24 der Abdeckung 14 angeordnet, wobei deren Ebene parallel zu derjenigen der ersten Matrix 18 liegt. Sie besitzt eine Form ähnlich derjenigen der Matrix 18, mit der Ausnahme, daß sie eine kleinere Oberfläche aufweist. Die Diodenmatrizen 18 und 20 umfassen mehrere gleichmäßig beabstandete koparallele Vorspannungsleiter (nicht gezeigt) mit monolithischen PIN-Dioden (nicht gezeigt), die zwischen den Leitern angeschlossen sind. Die Vorspannungsleiter der Diodenmatrizen 18 und 20 verlaufen parallel zur x-Achse.
• Die Vorspannungsleiter der jeweiligen ersten und zweiten Matrizen 18 und 20 sind mit einer entsprechenden schaltbaren Stromversorgung (nicht gezeigt) verbunden. Die elektrische Verbindung zu den Vorspannungsleitern ist an der Kante jeder Matrix ausgeführt.
• Ein flaches Foliensubstrat 26 aus Aluminiumoxidmaterial ist am ersten Bereich 22 der Abdeckung 14 angebracht, wobei die Ebene des Substrats 26 parallel zu derjenigen der Matrizen 18 und 20 verläuft. Wie später genauer beschrieben wird, trägt das Substrat 26 eine Matrix von (nicht gezeigten) Empfangsantennen, jeweils in Form eines Paares wechselweise orthogonal gekreuzter Dipole. Jeder Dipol ist 0,4 cm lang, so daß er für eine Resonanz bei 16 GHz an einer Aluminiumoxid/Luft-Schnittstelle geeignet ist. Die Antennen sind an einer Außenfläche 26a des Substrats 26 entfernt von der Linse 12 angeordnet. Ein mit Mikrowellen gespeister Wellenleiter 28, der mit einer (nicht gezeigten) Mikrowellensignalquelle verbunden ist, besitzt ein offenes Ausgangsende 30 nahe dem Substrat 26.
• Der kegelstumpfförmige Linsenabschnitt 16 besitzt eine zweite kreisförmige Stirnfläche bei 32, die 1,752 cm von ihrer ersten kreisförmigen Oberfläche nahe der ersten Matrix 18 angeordnet ist. Der Linsenabschnitt 16 besitzt somit eine axiale Länge von 1,752 cm. Die zweite Stirnfläche 32 liegt nahe einer mit 34 bezeichneten Bauemheit und enthält ein Gitter, das eine flache Matrix von gleichmäßig beabstandeten linearen Leitern, eine Sendeantennenmatrix, ein Aluminiumoxidsubstrat sowie (nicht gezeigte) Abstandhalter hierfür umfaßt. Die Komponenten der Bauemheit 34 werden später genauer beschrieben. Die Dicke der Bauemheit 34 ordnet die Sendeantennenmatrix in einer Ebene senkrecht zur Zeichenebene an, wie mittels der gestrichelten Linie 36 gezeigt ist. Die Sendeantennenmatrixebene ist 0,148 cm von der zweiten Stirnfläche 32 und somit 1,9 cm von der ersten Matrix 18, die die Linsenabschnitte 14 und 16 trennt, beabstandet. Die Bauemheit 34 besteht zum Großteil aus Aluminiumoxid, wobei ihre Dicke ein Viertel einer Wellenlänge der Strahlung mit einer Frequenz von 16 GHz in einem Aluminiumoxidmedium mit einer relativen Dielektrizitätskonstanten gleich 10 beträgt. Die Sende- und Empfangsantennen sind folglich von der ersten Matrix 18 gleich beabstandet.
• Die Bauemheit 34 befindet sich nahe einem ersten Wellenleiter 40, der größere Abmessungen besitzt als derjenige, der für eine effiziente Übertragung von Strahlung bei der Betriebsfrequenz geeignet ist. Der erste Wellenleiter 40 ist mit einem zweiten Wellenleiter 42 verbunden. Der zweite Wellenleiter 42 besitzt Abmessungen, die für die Betriebsfrequenz von 16 GHz richtig proportioniert sind.
• Der Sensor 10 enthält ferner eine zweite Aluminiumoxidlinse 44, die konkav-konvex ist. Die ersten und zweiten Linsen 12 und 44 bilden in Kombination ein Doppellinsensystem oder eine Verbundlinse mit zwei Brennebenen. Eine Brennebene entsteht aus der Reflexion an der ersten Matrix 18 und dem Durchtritt an der zweiten Matrix 20. Sie fällt mit der Empfangsantennenmatrixebene auf der Substratoberfläche 26a zusammen. Die zweite Brennebene entsteht aus dem Durchlassen durch die erste Matrix 18 und die Baueinheit 34 und fällt mit der Sendeantennenmatrixebene bei 36 zusammen. Die Brennebenen bei 26a und 36 sind parallel zur ersten Matrix 18 und liegen auf gegenüberliegenden Seiten derselben.
• In Fig. 2 ist eine PIN-Diodenmatrix 18 zusammen mit den zwei Linsenabschnitten 14 und 16 gezeigt. Diese Komponenten sind in Fig. 2 in einem zerlegten Zustand gezeigt, während deren zusammengefügte Position zueinander in Fig. 1 gezeigt worden ist. Die PIN-Diodenmatrix 18 ist der Klarheit halber schematisch dargestellt. Die Matrix 18 umfaßt mehrere Vorspannungsleiter 45 mit dazwischen angeordneten Dioden 46. Die Dioden und Leiter sind mittels bekannter Halbleiterverarbeitungstechniken auf einem Silicium-Wafer 47 hergestellt. Der elektrische Kontakt zu den Leitern wird an der Kante des Wafers an den Kontaktpunkten 48 hergestellt. Die Matrix 20 besitzt eine ähnliche Konfiguration wie die Matrix 18, weist jedoch eine kleinere Fläche auf, die ausreicht, um die empfangene Strahlung von der gesendeten Strahlung abzuschirmen.
• Die monolithischen PIN-Diodenmatrizen werden beschrieben von A. Armstrong u. a. in der Ausgabe September 1985 des Microwave Journal auf den Seiten 197-201. Die Diodenmatrix 18 umfaßt eine Serie koparalleler Vorspannungsleiter 45 mit dazwischen angeordneten Dioden 46, wobei die Vorspannungsleiter 45 parallel zur x-Achse verlaufen und die Dioden 46, die die Vorspannungsleiter verbinden, im wesentlichen parallel zur y-Achse liegen. Der Abstand zwischen den Vorspannungsleitern und der Abstand zwischen benachbarten Dioden wird jeweils bestimmt durch die Betriebsfrequenz des Sensors 10 und beträgt weniger als ein Viertel der Wellenlänge der Strahlung innerhalb des dielektrischen Linsenmediums. Die Abstände sind so beschaffen, daß die parallel zu den Vorspannungsleitern polarisierte Strahlung wirksam reflektiert wird, wobei dann, wenn die Dioden in Vorwärtsrichtung vorgespannt sind, auch die orthogonal zu den Vorspannungsleitern polarisierte Strahlung wirksam reflektiert wird. In der Diodenmatrix 18 betragen die Abstände zwischen den Vorspannungsleitern und zwischen den benachbarten Dioden 1,4 mm.
• Die Diodenmatrix 18 ist auf einem einzigen Siliciumwafer 47 hergestellt, der einen Durchmesser von 6,6 cm besitzt. In einer (nicht gezeigten) alternativen Anordnung umfaßt die Diodenmatrix 18 ein Mosaik kleinerer Matrizen auf Siliciumsubstraten, die auf einen Aluminiumoxidwafer geklebt sind, um eine einzige Diodenmatrix mit 6,6 cm Durchmesser zu bilden, wobei die elektrische Verbindung mit den Vorspannungsleitern über flache Durchgangsbohrungskontakte auf den Siliciumsubstraten und leitende Streifen auf dem Aluminiumoxidwafer bewerkstelligt wird. Die relative Dielektrizitätskonstante von Silicium beträgt ungefähr 11,7. Dies liegt ausreichend nahe an derjenigen der Aluminiumoxidlinse 12, um eine signifikante Diskontinuität in der Durchlässigkeit zu vermeiden, die die Linseneigenschaften beeinträchtigen würde.
• Wenn die Dioden der Matrizen 18 und 20 in Sperrichtung vorgespannt sind, wird die UF-Strahlung der Frequenz 16 GHz mit einer Polarisation orthogonal zu den Vorspannungsleitern durch die Matrix durchgelassen, während die 16GHz-HF-Strahlung mit einer Polarisation parallel zu den Vorspannungsleitern reflektiert wird. Dies ist der Matrix-AUS-Zustand, wobei sich die Diodenmatrix ähnlich verhält wie ein Gitter aus Drähten, die parallel zu den Vorspannungsleitern ausgerichtet sind. Wenn die Dioden mittels eines Vorspannungsgleichstroms in Durchlaßrichtung vorgespannt werden, reflektiert die Matrix sowohl die HF-Strahlung mit einer Polarisation orthogonal zu den Vorspannungsleitern als auch die RF-Strahlung, die parallel zu den Leitern polarisiert ist, hierbei verhält sich die Diodenmatrix ähnlich wie ein Netz aus gekreuzten leitenden Drähten; dies ist der Matrix-EIN-Zustand. Im Sensor 10 sind die Vorspannungsleiter der Matrizen 18 und parallel zur x-Achse ausgerichtet, was durch die Achsen 11 gezeigt ist.
• In Fig. 3 ist eine Explosionsansicht der Bauemheit 34 und der ersten und zweiten Wellenleiter 40 und 42 gezeigt. Die Sendeantennenmatrix ist allgemein mit 50 bezeichnet. Sie enthält 12 Antennen, wie z. B. 52, die in einer 6 2 Matrix angeordnet sind. Die Antennen 52 sind schematisch durch Kreuze gezeigt.
• Jede der Antennen 52 besteht aus einem Paar wechselweise orthogonaler Planar-Metalldipole, wobei jeder Dipol zwei rechtwinklige Schenkel 54 besitzt. Die Form der Sendeantennen ist in Fig. 4 gezeigt.
• Jeder Dipol ist 4 mm lang, wobei die Schenkel 54 1,43 mm lang sind und einen Zentralabstand von 1,14 mm besitzen. Benachbarte Antennen 52 besitzen einen Mitte-Mitte-Abstand von 4,5 mm. Die Schenkel 54 sind 0,4 mm breit, was jedem Dipol ein Länge-Breite-Verhältnis von 10:1 verleiht. Dies bewirkt eine Ralbwellenlängendipolresonanz bei 16 GHz, da gezeigt werden kann, daß die effektive Länge jedes Dipols gleich seiner physikalischen Länge multipliziert mit der Quadratwurzel des Mittels der dielektrischen Konstanten der zwei Medien auf seinen beiden Seiten ist. Da sich auf einer Seite der Antennen 52 Luft befindet (relative Dielektrizitätskonstante = 1) und sich auf der anderen Seite Aluminiumoxid befindet (relative Dielektrizitätskonstante = 10) beträgt ihre effektive Länge 9,38 mm, was der halben Wellenlänge bei 16 GHz in Luft entspricht.
• Jeder Dipolschenkel 54 ist mit einem entsprechenden orthogonalen Dipolschenkel über einen PIN-Diodenschalter 56 verbunden, der durch einen Vorspannungsgleichstrom aktiviert wird. Die Vorspannungsverbindungen, mit den Diodenschalter 56 sind nicht gezeigt. Die Antennen 52 werden durch Abscheiden von Metall auf einer Oberfläche 58a eines Aluminiumoxidsubstrats 58 ausgebildet. Die Substratoberfläche 58a beträgt 35 mm 23 mm. Die PIN- Dioden sind diskrete Bauelemente, so daß ein Rybridelektronik-Herstellungsprozeß erforderlich ist. Alternativ kann die Herstellung dieser Dioden in die Herstellung der Antennen im Substratmaterial integriert sein.
• Die Sendeantennenmatrix so ist durch Aluminiumoxidabstandhalter 60 vom Gitter der linearen Leiter, allgemein mit 62 bezeichnet, getrennt. Letzteres wird ausgebildet durch Abscheiden einer Metallschicht 64 (durch Punkte gezeigt) auf einem Aluminiumoxidsubstrat 66. Die Schicht 64 besitzt einen Zentralbereich, der in einem lithographischen Prozeß geätzt wird, um lineare Leiter 68 zu definieren, die durch Abstände getrennt sind, die das Aluminiumoxidsubstrat freilegen. Bei der Anordnung als Bauemheit 34 sind die Leiter 68 parallel zur x-Achse ausgerichtet, wobei die Abstandhalter 60 das Gitter 62 berühren und das Sendeantennenmatrixsubstrat 58 die Abstandhalter 60 berührt. Der übergroße erste Wellenleiter 40 besitzt einen Stirnrand 70, der im Gebrauch an der Substratoberfläche 58a anliegt. Die darunterliegende Oberfläche des Gitters 62 (nicht gezeigt) steht in Kontakt mit der Linsenstirnfläche 32. Die Dicken des Antennenmatrixsubstrats 58, der Abstandhalter 60 und des Gitters 62 werden kombiniert, um die Sendeantennen 52 in der zweiten Brennebene, durch die Linie 36 gezeigt, der Linsensysteme 12 und 44 anzuordnen.
• Die Sensoren 10 arbeiten wie folgt. Die Mikrowelleneingangsleistung der Frequenz 16 GHz wird von einer (nicht gezeigten) Quelle längs des zweiten Wellenleiters 42 zugeführt. Die Mikrowellenstrahlung ist vertikal polarisiert, d. h. der elektrische Feldvektor ist parallel zur x-Achse polarisiert, wie durch den eingekreisten Pfeil 72 gezeigt ist. Die Eingangsleistung gelangt in den ersten Wellenleiter 40. Wenn der Sensor 10 abgeschaltet ist, gelangt die Strahlung durch die Sendeantennenmatrix zum Gitter 62, wo sie reflektiert wird, wie durch den eingekreisten Pfeil 73 gezeigt, da der elektrische Feldvektor parallel zu den Leitern 68 verläuft. Wenn die Sendeantennenmatrix aktiviert ist, wie später beschrieben wird, absorbiert sie die Mikrowellenstrahlung und strahlt sie mit einer um 90º gedrehten Polarisation wieder ab. Diese horizontal polarisierte Strahlung mit dem parallel zur y- Richtung verlaufenden elektrischen Feldvektor ist ein Sendesignal Tx, das durch das Gitter 62 gelangen kann, da der elektrische Feldvektor orthogonal zu den Leitern 68 verläuft.
• Das horizontal polarisierte Sendesignal Tx, mit einem eingekreisten Kreuz 74 gezeigt, gelangt von der Sendeantennenmatrix in den kegelstumpfförmigen Linsenabschnitt 16. Wenn sich die Matrix 18 im EIN-Zustand befindet, wird die Strahlung zurück in Richtung der Sendeantennenmatrix reflektiert. Wenn sich die Matrix 18 im AUS-Zustand befindet, gelangt das Sendesignal Tx durch die Matrix 18 hindurch in den sphärischen Abdeckungslinsenabschnitt 14. Die Matrix 20 wird in den EIN-Zustand geschaltet, wenn sich die Matrix 18 im AUS-Zustand befindet, um sowohl die parallel als auch die orthogonal zur Tx-Polarisationsorientierung polarisierte Strahlung zu reflektieren und somit eine Beschädigung der empfindlichen Empfangsantennenkomponenten durch das Hochleistungs-Tx-Signal zu verhindern. Wenn die Matrix 18 in den EIN-Zustand geschaltet wird, wird die Matrix 20 in den AUS-Zustand geschaltet, in dem sie die horizontal polarisierte Strahlung durchläßt. Wenn sich die Matrix 18 im AUS-Zustand befindet gelangt das Tx-Signal durch den Linsenabschnitt 14 ins Freie und somit zur zweiten Linse 44. Das horizontal polarisierte Sendesignal Tx, mit dem eingekreisten Kreuz 75 gezeigt, verläßt die Linse 44 aufgrund der Anordnung der Sendeantennenmatrix in einer Brennebene des Linsensystems 12 und 44 als parallelgerichteter Strahl.
• Das Sendesignal Tx besitzt eine Streurichtung, die von der Sendeantennenmatrix gesteuert wird. Die Strahlung, die von der Sendeantennenmatrix in die Linse 12 gelangt, ist mit den einzelnen Pfeilen wie z. B. 76 gezeigt. Das Linsensystem 12 und 44 besitzt eine optische Achse, die mit der gestrichelten Linie 78 gezeigt ist; dies ist auch die Symmetrieachse der Linsenabschnitte 14 und 16 und verläuft parallel zur z-Achse. Die Aktivierung der Antennen an den Positionen mit -15º und +15º unterhalb und oberhalb der optischen Achse führt zum Aussenden von Strahlen 80 und 82, die mit -15º und +15º relativ zu dieser Achse ausgerichtet sind. Eine Zentralstrahlrichtung ist bei 84 mit 0º zur optischen Achse des Linsensystems parallel zur z-Achse gezeigt, was der Ziellinie des Sensors 10 entspricht. Das Linsensystem 12 und 44 ergibt ein Sichtfeld, das einem auf der optischen Achse zentrierten 60º-Konus entspricht.
• Das Sendesignal Tx kann von einem Objekt in einer (nicht gezeigten) entfernten Szene als Empfangssignal Rx zurück zum Sensor 10 reflektiert werden. Um das Rx-Signal zu erfassen, wird die erste Matrix 18 in den EIN-Zustand geschaltet, so daß sie unabhängig von der Polarisations- Orientierung des Signals für das Empfangssignal Rx reflektierend ist. Das Empfangssignal Rx kehrt entlang der Sendestrahlpfade zurück, wie durch die Doppelpfeile wie z. B. 86 gezeigt ist, bis es die Matrix 18 erreicht. Da die Matrix 18 nun reflektiert, reflektiert sie das Empfangssignal Rx in Richtung zur zweiten Matrix 20. Die Matrix 20 befindet sich im AUS-Zustand und ist daher für horizontal polarisierte Strahlung durchlässig. Das Empfangssignal Rx, das von der Matrix 18 reflektiert wird, tritt durch die Matrix 20 hindurch, wenn ihre Polarisationsebene gegenüber derjenigen des Tx-Signals nicht gedreht worden ist. Das Empfangssignal Rx erreicht die Empfangsantennenmatrix, die auf der Oberfläche 26a angeordnet ist. Die Empfangsantennenmatrix erhält ein weiteres Eingangssignal von der Mikrowellenspeisevorrichtung 28, die ein vertikal polarisiertes Lokaloszillatorsignal (Lo) zur Verfügung stellt. Die Empfangsantennenmatrix mischt das Empfangssignal Rx und das Signal Lo, um Zwischenfrequenzsignale (ZF) zu erzeugen, die für die anschließende Signalverarbeitung in bekannter Weise geeignet sind. Die Vorspannungsleiter der Matrix 20 unterstützen die Einkopplung des Signals Lo in die Empfangsantennenmatrix. Da die Vorspannungsleiter der Matrix 20 parallel zur Polarisation des Signals Lo verlaufen, reflektiert die Matrix 20 das Signal Lo zurück zur Empfangsantennenmatrix.
• Im folgenden wird mit Bezug auf die Fig. 3 und 4 die Operation der Sendeantennenmatrix 50 beschrieben. Wenn alle PIN-Dioden 56 in einen AUS-Zustand geschaltet werden, wird ein sehr kleiner Teil der vertikal polarisierten Eingangsstrahlung 72 aufgrund des Antennenpolardiagramms in einen der Dipole aller Antennen 52 eingekoppelt. Folglich durchdringt die Eingangsstrahlung zum Großteil unbeeinflußt die Antennenmatrix 50 und die Abstandhalter 60. Die Strahlung wird vom Gitter 62 wie bei 73 gezeigt zurückgeworfen, da sie parallel zu den Gitterleitern 68 polarisiert ist. Die Strahlung wird daher daran gehindert, die Linse 12 zu erreichen und anschließend ins Freie auszutreten.
• Wenn ein Paar von Dioden 56, das irgendeiner der Antennen 52 zugeordnet ist, in einen EIN-Zustand versetzt wird, indem ein Vorspannungsstrom angelegt wird, induziert die vertikal polarisierte Strahlung ein Mikrowellensignal in diesen vertikalen Dipol der Antenne, der mit seinem zugehörigen horizontalen Dipol gekoppelt wird. Dies geschieht aufgrund des Strompfades, der von jeder PIN- Diode 56 zwischen dem orthogonalen Dipolschenkeln geschaffen wird. Der Großteil der von der eingeschalteten Antenne 52 empfangenen Energie wird in ihren horizontalen Dipol eingekoppelt und wird im wesentlichen mit horizontaler Polarisation erneut abgestrahlt. Wie von Brewitt- Taylor u. a. in Electronics Letters Bd. 17 (1981), S. 729-731, offenbart, strahlt eine Antenne, die an einer Schnittstelle zwischen zwei Medien mit unterschiedlichen relativen Dielektrizitätskonstanten angeordnet ist, vorwiegend in das Medium mit der höheren Dielektrizitätskonstante ab. Somit strahlt die Antenne 52 vorwiegend in das Aluminiumoxidsubstrat 58 ab.
• Das erneut abgestrahlte Signal von der Antennenmatrix 50 gelangt durch die Abstandhalter 60 zum Gitter 62. Da es horizontal und somit orthogonal zu den Gitterleitern 68 polarisiert ist, durchdringt es das Gitter 62 mit sehr geringer Reflexion, wie mit 74 gezeigt ist. Es gelangt anschließend in die Linse 12 und wird zum Sendesignal Tx.
• Im Betrieb wird die Richtung und die räumliche Ausdehnung des Sendestrahls dadurch bestimmt, welche der Sendeantennen 52 aktiviert sind. Ein erneut abgestrahltes Signal, das horizontal polarisiert ist, entspringt an jeder Antenne 52, die aktiviert ist. Da die Antennen 52 über eine der Brennebenen des Linsensystems bei 36 verteilt sind, bewirkt die Aktivierung einer einzelnen Antenne eine Sendestrahlrichtung, die durch die Antennenanordnung bestimmt wird. In Fig. 1 sind Sendestrahlrichtungen gezeigt, die bei ±15º bezüglich einer zentralen Ziellinienstrahlrichtung bei 0º ausgerichtet sind.
• In den Fig. 5 und 6 ist die Empfangsantennenmatrix gezeigt. Die Antennenmatrix ist in Fig. 5 allgemein mit 100 bezeichnet und enthält individuelle Antennen 102 in einer 6 2 Matrix, schematisch als Kreuze mit einem Zentralquadrat gezeigt. Die Fig. 6 zeigt eine individuelle Empfangsantenne genauer. Die Empfangsantennenmatrix 100 besitzt Antennen 102 mit ähnlicher Anzahl, Form und Beabstandung wie die Sendeantennenmatrix 50. Die zwei Matrizen 50 und 100 sind mit ihren Ebenen und Längsabmessungen parallel angeordnet. Die Empfangsantennenmatrix 100 unterscheidet sich von der Sendeantennenmatrix 50 dadurch, daß jede Antenne 102 einen Schenkel 104a enthält, der in Längsrichtung geteilt ist. Außerdem besitzt jede Antenne 102 einen Zentralring von 4 RF-Mischerdioden 106a bis 106d. Jede der Dioden 106a bis 106d ist zwischen einem entsprechenden Paar Schenkel 104 verschiedener orthogonaler Dipole verbunden, wie z. B. die Diode 106c zwischen den Schenkeln 104b und 104c. Die Schenkel 104c und 104d eines der Dipole in Fig. 6 sind mit den Anoden der Diodenpaare 106a/106b bzw. 106c/106d verbunden. Die Schenkel 104a und 104b der anderen Dipole sind mit den Katoden der Diodenpaare 106a/106b bzw. 106c/106d verbunden. Die Dioden 106a bis 106d sind folglich in Richtung der Schenkel eines Dipols und von den Schenkeln der anderen weg polarisiert. Die Bereiche des gespaltenen Schenkels 104a sind mit entsprechenden Dioden 106a und 106b verbunden, wobei die Antenne 102 so angeordnet ist, daß die Längsabmessungen der Schenkel 104a und 104b parallel zur Längsabmessung des Substrats 26 ausgerichtet sind. Die Längsabmessungen der Schenkel 104a und 104b sind somit parallel zur x-Achse ausgerichtet, während die Längsabmessungen der Schenkel 104c und 104d parallel zur y-Achse der Fig. 1 ausgerichtet sind.
• Die Empfangsantennenmatrix 100 arbeitet wie folgt. Ihre Längsabmessung ist in Fig. 5 horizontal, in Fig. 1 jedoch vertikal dargestellt. Die Empfangsstrahlung Rx der HF- Frequenz 16 GHz ist parallel zum Dipol 104c/104d polarisiert. Die Lokaloszillatorstrahlung vom Horn 28 ist parallel zum Spaltschenkeldipol 104a/104b polarisiert. Die Strahlungen Lo und Tx entwickeln Signale in den Dipolen, die zu ihren Polarisationen parallel sind, wobei diese Signale durch den Ring der Dioden 106a bis 106d gemischt werden, um ZF-Signale zu erzeugen. Die ZF-Signale liegen bei der Differenzfrequenz zwischen den Signalen Lo und Tx. Der Spaltschenkel 104a erscheint bei Frequenzen von 16 GHz aufgrund der kapazitiven Kopplung zwischen seinen Schenkeln als einzelner Schenkel. Bei der Zwischenfrequenz jedoch wirkt er wie zwei parallele Leiter, die eine Übertragungsleitung bilden. Folglich bewirkt der Spaltschenkel 104a ein Ausgangssignal, das zur Weiterleitung der ZF-Signale der (nicht gezeigten) Verarbeitungsschaltung zugeführt wird. Eine solche Schaltung ist im Stand der Technik wohlbekannt und wird hier nicht genauer beschrieben. Sie kann einen ZF-Verstärker und einen Analog/Digital-Umsetzer für jede Antenne 102 enthalten. Die vom Umsetzer ausgegebenen Digitalsignale können digitalen Elektronikschaltungen bekannter Art zugeführt werden.
• Der Strahlungssensor 10 bietet sowohl Sende- als auch Empfangsfähigkeit durch einer gemeinsamen Öffnung, die durch die optische Öffnung des Doppellinsensystems 12 und 44 definiert wird. Strahlungsreflexionen an den Oberflächen des Doppellinsensystems aufgrund der Grenzflächen zwischen unterschiedlichen dielektrischen Medien werden durch Antireflexionsbeschichtungen bekannter Art unterdrückt, ähnlich der Linsenvergütung in optischen Instrumenten.
• Die Sendeantennenmatrix 50 und die ersten und zweiten Wellenleiter 40 und 42, die in Fig. 3 gezeigt sind, können durch eine Mikrowellensignalquelle ersetzt werden, die mechanisch (statt elektronisch) ausgerichtet werden kann. Eine flexible koaxiale Signalzuführung ist mit einem Abschnitt des Wellenleiters verbunden, der einer einzigen, permanent kurzgeschlossenen Polarisationsschaltantenne Leistung zuführt. Die Antenne ist in der Linsenbrennebene 36 angeordnet und strahlt Mikrowellenleistung in die Linse 12 ab. Der Abschnitt des Wellenleiters kann längs zweier zueinander orthogonaler Achsen in der Brennebene 36 mittels Schrittmotoren bewegt werden. Dies sorgt für die Lokalisierung des Sendesignalursprungs in der Brennebene 36, so daß er einer von mehreren Sendestrahlrichtungen entspricht.
• In einer alternativen Ausführungsform besitzt der Sensor 10 eine Zirkularpolarisierungsvorrichtung, die zwischen die Linse 44 und einer entfernten Szene eingesetzt ist. Die Zirkularpolarisierungsvorrichtung kann eine gedruckte Schaltungsvariation mit Mäanderlinie sein, wie beschrieben ist in "IEEE Transactions on Antennas and Propagation", Bd. AP-35, Nr. 6, Juni 1987, S. 652-661. Beim Durchtritt durch die Zirkularpolarisierungsvorrichtung wird das vertikal polarisierte Tx-Signal rechtsdrehend zirkular polarisiert (RHC). Das von einem entfernten Ziel in Richtung zum Sensor reflektierte Rx-Signal kann entweder RHC oder linksdrehend zirkular polarisiert sein (LHC), in Abhängigkeit von der Anzahl der Reflexionen, denen das Signal unterliegt. Beim Durchtritt durch die Zirkularpolarisierungsvorrichtung wird das Rx-Signal vertikal oder horizontal polarisiert, in Abhängigkeit davon, ob das reflektierte Signal entsprechend RHC- oder LHC-polarisiert ist. Die PIN-Diodenmatrix 20, die Empfangsantennenmatrix 100 und die Lo-Signalquelle können so orientiert sein, daß sie entweder vertikal oder horizontal polarisierte Strahlung erfassen und somit entweder die RHC- oder die LHC-polarisierte Komponente des Rx- Signals überwachen.

Claims (8)

1. Strahlungssensor mit einer dielektrischen Linse zum Führen von Strahlung, wobei die Linse eine erste Brennebene (26a) und eine zweite Brennebene (36) an entsprechenden Linsenoberflächenregionen definiert, die quer zu einer optischen Achse (78) der Linse verlaufen, zu oder von denen Strahlung gelangen soll, wobei entweder die Empfangseinrichtung oder die Sendeeinrichtung bei der Sensorbetriebsfrequenz innerhalb einer Wellenlänge bei jeder Brennebene angeordnet ist, wobei die Wellenlänge derjenigen innerhalb eines Mediums unmittelbar neben der Empfangs- oder Sendeeinrichtung entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungssensor eine schaltbare Reflexionseinrichtung (18) innerhalb der Linse zum wahlweisen Ausführen der folgenden Funktionen enthält:

(i) Reflektieren der einfallenden Strahlung mit wechselweise orthogonalen Polarisationen, und

(ii) Durchlassen der einfallenden Strahlung der einen Polarisation und Reflektieren der einfallenden Strahlung einer orthogonalen Polarisation.

2. Strahlungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß:

(a) bei einer Sensorbetriebsfrequenz innerhalb einer Wellenlänge bei der ersten Brennebene eine Strahlungsempfangseinrichtung (100) zum Empfangen von Strahlung angeordnet ist;

(b) bei einer Sensorbetriebsfrequenz innerhalb einer Wellenlänge bei der zweiten Brennebene eine Strahlungssendeeinrichtung (50) zum Einkoppeln von Strahlung in die dielektrischen Linsen angeordnet ist; und

(c) die schaltbare Reflexionseinrichtung (18) innerhalb der dielektrischen Linse angeordnet ist und in einem ersten Zustand eine Einrichtung zum Durchlassen der Strahlung mit einer ersten Polarisationsorientierung und zum Reflektieren der Strahlung mit einer zweiten Polarisationsorientierung orthogonal zur ersten Orientierung schafft und in einem zweiten Zustand eine Einrichtung zum Reflektieren der Strahlung sowohl der ersten als auch der zweiten Polarisations- Orientierungen schafft.

3. Strahlungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die schaltbare Reflexionseinrichtung (18) eine Matrix von Halbleiterschaltern (46) enthält.

4. Strahlungssensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die schaltbare Reflexionseinrichtung (18) eine Matrix von PIN-Dioden (46) enthält.

5. Strahlungssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix der PIN-Dioden mehrere Vorspannungsleiter (45), die im wesentlichen koparallel angeordnet sind, und mehrere PIN-Dioden (46) umfaßt, die elektrisch zwischen den Vorspannungsleitern angeschlossen sind.

6. Strahlungssensor nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite schaltbare Reflexionseinrichtung (20) innerhalb der dielektrischen Linse (12) angeordnet ist und so beschaffen ist, daß sie die Strahlungsempfangseinrichtung (100) vor der von der Sendeeinrichtung (50) ausgesendeten Strahlung schützt.

7. Strahlungssensor nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Linse (12) zwei Abschnitte (14, 16) mit einer sphärischen Abdeckung bzw. mit einer Kegelstumpfform umfaßt.

8. Strahlungssensor nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die schaltbaren Reflexionseinrichtungen (18, 20) so beschaffen sind, daß sie eine linear polarisierte Empfangsstrahlung (86) auf die Empfangseinrichtung (100) richten.