EP0139920B1

EP0139920B1 - Barrier using microwaves

Info

Publication number: EP0139920B1
Application number: EP84109376A
Authority: EP
Inventors: Ian T. Simpson
Original assignee: Hoermann Sicherheitstechnik GmbH
Current assignee: Hoermann Sicherheitstechnik GmbH
Priority date: 1983-10-07
Filing date: 1984-08-08
Publication date: 1987-11-19
Also published as: DE3336610A1; JPH0239835B2; JPS6097285A; DE3467647D1; EP0139920A1

Description

Mikrowefienschranken 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.Microwave cabinets are used to secure rooms and protection zones against intruders. The microwave transmitter and the microwave receiver are arranged at the opposite ends of a line to be monitored. If the microwave antenna beam is completely or partially interrupted by an intruder, a circuit provided in the receiver triggers an alarm signal.

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).The area covered by such a microwave barrier must, on the one hand, extend to the ground (so that an intruder cannot crawl under the beam) and, on the other hand, must reach high enough (to prevent it from jumping over).

Eine bekannte Mikrowellenschranke (GB-A 1 475 111) verwendet einen einzigen Antennenstrahl bzw. eine Anzahl von Antennenelementen, die einen einzigen Strahlausbreitungswinkel (im folgenden als Strahlbreite bezeichnet) 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 Höhe (Schutz gegen Überspringen).A known microwave barrier (GB-A 1 475 111) uses a single antenna beam or a number of antenna elements which determine a single beam propagation angle (hereinafter referred to as beam width). As will be explained in more detail below, this results in an unsatisfactory compromise between the requirements of good surveillance near the ground (protection against crawling under) and in height (protection against skipping).

Mikrowellenschranken müssen im allgemeinen eine Reichweite (Länge der geschützten Strecke) zwischen 10 und 200 m besitzen. Ein Alarm soll dabei ausgelöst 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.Microwave barriers must generally have a range (length of the protected route) between 10 and 200 m. An alarm is to be triggered when an intruder tries to crawl under the microwave barrier, run through the barrier or jump over it. To meet these requirements, the monitoring zone must extend to the ground on the one hand and to a height of over 2 m on the other.

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) =2,/a
wobei λ = Wellenlänge
- a = Apertur der Antenne

In order to meet both requirements, it would be advantageous to use an antenna beam which has a relatively large vertical extension in the area of the transmitter and the receiver. Now the beam width and the geometric dimensions of a microwave antenna are linked to the wavelength of the radiation by the following formula:

Beam width (in degrees) = 2, / a
where λ = wavelength
- a = aperture of the antenna

Zur Erzielung einer grossen Strahlbreite ist somit ein kleiner Wert der Antennenapertur 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 Mikrowellensignals fokussiert ist.In order to achieve a large beam width, a small value of the antenna aperture is therefore necessary. The beam width corresponds to the angle at which the radiation spreads from the antenna. Numerically, it corresponds to the angular range in which the main part of the microwave signal is focused.

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.If an antenna with an aperture of 20 cm is arranged at a height of 100 cm above the floor (cf. FIG. 1), a beam width of 8.6 ° results at a wavelength of 3 cm. The antenna beam thus diverges by 4.3 ° up and down. This antenna beam strikes the ground or the 2 m height at a distance of 12 m (from the transmitter or receiver).

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.If you reduce the aperture of the antenna, you increase the divergence of the antenna beam. Accordingly, the points at which the antenna beam reaches the ground or the 2 m height move closer to the transmitter or receiver. While this is an advantage for monitoring, it creates significant problems from ground reflections.

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).If there is no intruder, the signal picked up by the receiver consists of two main components, namely the direct signal and the signal reflected on the ground (cf. the schematic representation in FIG. 2).

Die elektrische Empfangsfeldstärke Er ergibt sich aus folgender Formel:

wobei

E, = elektrische Empfangsfeldstärke resultierend aus dem direkten Signal,
a = Bruchteil des vom Boden reflektierten Signals,
= Wellenlänge
h = Montagehöhe des Systems
R = Abstand von Sender und Empfänger.

The electrical reception field strength results from the following formula:

in which

E, = electrical reception field strength resulting from the direct signal,
a = fraction of the signal reflected from the ground,
= Wavelength
h = installation height of the system
R = distance between transmitter and receiver.

Die beiden Komponenten des empfangenen Signals besitzen somit eine Phasenverschiebung 0. Die Grösse des empfangenen Signals hängt daher von der Grösse der am Boden reflektierten Komponente (a) und von der Phasenverschiebung (0) ab.The two components of the received signal thus have a phase shift 0. The size of the received signal therefore depends on the size of the component (a) reflected on the ground and on the phase shift (0).

Bei sehr niedrigen Werten des Winkels, 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.At very low values of the angle at which the antenna beam hits the ground (see FIG. 2), the size of the component reflected on the ground is equal to the direct component. The phase shift of 180 °, which the wave reflected on the ground experiences during the reflection, also applies to both horizontally and vertically, accordingly circularly polarized waves. The component reflected on the ground is therefore a general problem with microwave barriers, since it extinguishes the direct component at certain distances and certain mounting heights.

Praktische Mikrowellenantennen fokussieren die Strahlung in einen Strahl. Die Grösse des am Boden reflektierten Signals wird dabei auch von der Strahlbreite der Antenne beeinflusst. Breitere Strahlen ergeben grössere Werte des am Boden reflektierten Signals.Practical microwave antennas focus the radiation in a beam. The size of the signal reflected on the ground is also influenced by the beam width of the antenna. Broader rays give larger values of the signal reflected on the ground.

Fig. 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 Signals 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 m).Fig. 3 illustrates the floor reflection effect for a vertical antenna with an aperture of 20 cm and a mounting height of 100 cm above the floor. The diagram shows the dependence of the level of the received signal on the distance between transmitter and receiver. The ordinate is divided into logarithmic units of the received signal level. The distance between transmitter and receiver is plotted on the abscissa, likewise in logarithmic division. It can be seen that at certain distances, in particular at 68 m, the received signal is considerably weakened. The reason for this is that at these points the component reflected on the ground is out of phase with the direct component. The antenna's beam width ensures these effects do not occur at very short distances, since the beam only hits the ground at a distance of 12m from both ends (corresponding to a total distance of 24m).

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 gewährleisten. Hieraus können Fehlalarme und sonstige Betriebsstörungen resultieren.The dashed curve in FIG. 3 shows the influence of a reduction in the mounting height of the antenna by 10 cm. The general course of the curve remains similar; the position of the minima changes, however. In practice, this leads to difficulties in cases where the effective mounting height changes due to the growth of vegetation or snowfall. This reduces the effective mounting height, which can lead to the received signal being too low in the minimum ranges to ensure reliable operation. This can result in false alarms and other malfunctions.

Eine Lösung dieses Problems 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 möglich; 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.One solution to this problem is to reduce the beam width of the antennas in order to reduce the wave reflected on the ground. The resulting narrower antenna beam, however, does not provide adequate protection against an intruder from crawling under or jumping over the microwave barrier. If very large antennas with an aperture of 2 m were used, adequate protection on the ground and at a height of 2 m would be possible; however, the large antenna aperture would give difficulties with regard to the alignment of the very narrow antenna beam (about 0.86 °), and also with regard to the mechanical holder, which is necessary to ensure stability in strong winds.

Eine andere Lösung des durch den Bodenreflexionseffekt verursachten Problems besteht darin, dafür zu sorgen, dass die am Boden reflektierte Komponente die direkte Komponente innerhalb der Installationsentfernung 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 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 Signals, schliesst jedoch eine vollständige Phasenopposition zum direkten Signal aus. Tatsächlich ergibt sich die erste Auslöschung bei einem Abstand (zwischen Sender und Empfänger) von 6 m, d.h. bei einem Wert, der in Praxis nicht benötigt wird.Another solution to the problem caused by the ground reflection effect is to ensure that the component reflected on the ground never completely erases the direct component within the installation distance of 10 to 200 m. For this purpose, the mounting height of the antenna must be reduced. Fig. 4 shows in the fully drawn curve the situation with a mounting height of the antenna of 30 cm. A comparison with FIG. 3 shows that the relative received signal amplitude decreases continuously with the transmitter / receiver distance and that there are no cancellation effects (as in FIG. 3) within the required distance range. The reduction in the mounting height compared to the conditions in FIG. 3 increases the signal reflected on the ground, but precludes complete phase opposition to the direct signal. In fact, the first extinction occurs at a distance (between transmitter and receiver) of 6 m, i.e. at a value that is not required in practice.

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.The dashed curve in Fig. 4 shows the conditions for a mounting height of 20 cm. It can be seen that here too there is a smooth drop in the relative received signal amplitude with increasing distance and that there is no direct cancellation in the distance range shown.

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.The main disadvantage of these designs, however, is that the reduced installation height does not provide sufficient height protection, so that there is a risk of an intruder jumping over the microwave barrier.

Zum Stand der Technik gehört ferner eine Mikrowellenschranke (DE-A-2 806 448), bei der der Sender und der Empfänger Parabolspiegel in Verbindung mit Hohlleitern aufweisen, wobei an den Hohlleitern zu den Parabolspiegeln hin öffnende Trichter mit Rechteck-Querschnitt angesetzt sind. Die Hohlleiter und die Trichter sind hierbei in bezug auf die Brennpunkte der Parabolspiegel verstellbar. Das Mikrowellenfeld kann auf diese Weise in Anpassung an die örtlichen Gegebenheiten gebündelt oder aufgeweitet werden; es kann insbesondere je nach den Erfordernissen ein schmales hohes Mikrowellenfeld mit geringem Bodenflächenbedarf, ein schmales schräges Mikrowellenfeld mit geringem Bodenflächenbedarf und verbesserter Sicherung gegen ein Überspringen oder ein niedriges breites Mikrowellenfeld zur Absicherung einer grossen Bodenfläche gebildet werden. Die vorstehend erläuterten Probleme der Bodenreflexion bestehen jedoch auch bei dieser Mikrowellenschranke.The prior art also includes a microwave barrier (DE-A-2 806 448) in which the transmitter and the receiver have parabolic mirrors in conjunction with waveguides, with funnels with a rectangular cross-section opening onto the waveguides. The waveguide and the funnel are adjustable with respect to the focal points of the parabolic mirrors. In this way, the microwave field can be bundled or expanded in accordance with the local conditions; In particular, depending on the requirements, a narrow, high microwave field with a small floor space requirement, a narrow, oblique microwave field with a small floor space requirement and improved protection against skipping or a low, wide microwave field for securing a large floor area can be formed. However, the problems of floor reflection discussed above also exist with this microwave barrier.

Es ist schliesslich eine Mikrowellenschranke bekannt (FR-A-2 125 182), die - im Unterschied zu den vorstehend erläuterten Ausführungen - auf einem bidirektionalen Energiefluss beruht. Am einen Ende der Mikrowellenschranke ist ein kombinierter Sender/Empfänger mit zwei übereinander angeordneten Antennen angeordnet, während am anderen Ende ein Reflektor vorgesehen ist, der gleichfalls aus zwei übereinander angeordneten Antennen besteht. Das vom Sender ausgesandte und von der einen Reflektorantenne aufgenommene Signal wird nach Phasenmodulation von der zweiten Reflektorantenne zum Empfänger zurückgesandt. Die beiden in entgegengesetzter Richtung verlaufenden Antennenstrahlen sind somit nicht unabhängig voneinander, sonderrn stehen in einer gegenseitigen Abhängigkeit. Besondere Massnahmen zur Beseitgung der Auswirkungen von Bodenreflexionen sind auch bei dieser Mikrowellenschranke nicht vorgesehen.Finally, a microwave barrier is known (FR-A-2 125 182) which, in contrast to the explanations explained above, is based on a bidirectional energy flow. A combined transmitter / receiver with two antennas arranged one above the other is arranged at one end of the microwave barrier, while a reflector is provided at the other end, which likewise consists of two antennas arranged one above the other. The signal emitted by the transmitter and received by the one reflector antenna is sent back from the second reflector antenna to the receiver after phase modulation. The two antenna beams running in the opposite direction are therefore not independent of one another, but are mutually dependent. Special measures for eliminating the effects of floor reflections are also not provided for in this microwave barrier.

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 reflektierte Komponente vermeidet und die schliesslich mit verhältnismässig kleinen Antennenabmessungen, insbesondere einer kleinen Antennen-Apertur, auskommt.The invention is therefore based on the object, while avoiding the disadvantages described, to develop a microwave barrier which ensures flawless protection both on the ground and in height, and which also avoids the disadvantages described of extensive extinction of the direct component by the component reflected on the ground and which finally gets by with relatively small antenna dimensions, in particular a small antenna aperture.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.The object is achieved according to the invention by the characterizing features of claim 1.

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.In the microwave barrier according to the invention, the transmitter and the receiver are equipped with one or more antennas which are arranged so close to the ground that there are no extinction effects due to ground reflection. This ensures a sufficient signal level for the system under all ground conditions. According to the invention, at least one further antenna beam is also provided, which is emitted upwards at an angle at which the main part of the beam does not hit the ground. Under these conditions there is no signal reflected from the ground with respect to this upward beam; the change in signal level with distance therefore remains smooth, and there are no cancellation effects.

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 die 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.However, any movement that occurs within this or these upper beams is detected in the receiver as a change in the signal level. This results in a significant improvement in the system height. 5 shows the basic diagram of the two-beam system according to the invention. In the exemplary embodiment shown, a single transmitting and receiving antenna with an aperture of 20 cm is provided, the antenna beams being generated with a beam width of 8.6. The beam axis of the lower antenna beam runs parallel to the ground; the beam axis of the upper antenna beam is inclined upwards from the horizontal by 8.6 °.

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.With a mounting height of 30 cm and a distance between transmitter and receiver of 100 m, the lower antenna beam hits the ground at a distance of 4 m (from both ends of the monitored route) and reaches the 2 m height at a distance of 21 m from both End up. The upper antenna beam does not hit the ground, so that no changes in the received signal level can occur due to ground reflections; the 2 m height reaches the upper antenna beam at a distance of 7 m from both ends.

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.Additional antenna beams can be provided to ensure additional height protection if necessary. The circuit in the receiver is provided in such a way that an alarm is triggered if one of the several antenna beams is completely or partially interrupted.

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.6 illustrates a complete exemplary embodiment of the microwave barrier according to the invention. It contains a microwave transmitter and a separate microwave receiver, both of which are arranged on a metallic base plate.

Der Mikrowellensender enthält einen Mikrowellenoszillator 1, der einen GaAS-Feldeffekttransistorverwendet. 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 istdirekt 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.The microwave transmitter contains a microwave oscillator 1 which uses a GaAS field effect transistor. If the oscillator 1 is supplied with voltage by a driver stage 2, it generates an oscillation with the desired microwave frequency. The microwave signal generated in this way is fed through a splitter 3 to two antennas 4, 5. The lower antenna 5 is aimed directly at the receiver, while the upper antenna 4 radiates the radiation obliquely upwards, so that the main part of the radiation does not touch the ground. The microwave transmitter thus contains two relatively small antennas with two independent beam directions.

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 6 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.The receiver is located at the other end of the line to be monitored. The incoming microwave radiation is picked up by two antennas 6 and 7. Of this, the lower antenna 7 is arranged near the ground, so that the radiation component reflected on the ground can never extinguish the radiation coming directly from the transmitter. The upper antenna 6 is arranged such that its axis of maximum sensitivity is inclined obliquely upwards, while this antenna 6 has only a very low sensitivity to the signal reflected from the ground. The use of these two separate transmit and receive beams leads to extensive immunity to ground reflection effects and at the same time to good height monitoring. The signal received by antennas 6 and 7 is combined in a microwave mixer 8. This mixer 8 delivers an output signal which corresponds to the vector sum of the input signals supplied by the two antennas.

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 Summensignals.The resulting sum signal is rectified in a microwave detector 9, which can be formed, for example, by a Schottky blocking detector diode. This circuit delivers a small output voltage proportional to the size of the sum signal.

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.The rectified signal is amplified by a series of amplifiers, the degree of amplification of which is variable and is automatically set by means of a circuit 10 with automatic gain control. This circuit 10 effects a slow adjustment of the gain and compensates for different installation distances as well as long-term effects, such as environmental changes, which are caused by growing grass or snowfall. Short-term changes, such as those caused by an intruder, do not trigger a change in the degree of amplification by the circuit 10. Rather, such changes in the received signal level reach the test and hold circuit 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 Ausgangsimpulses umformt. Kommt ein Eindringling in den Bereich der Mikrowellenschranke, so hat dies eine niederfrequente Änderung des Ausgangssignals 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.The transmitter is designed so that it emits microwave pulses to save electricity. Accordingly, the signal picked up by the receiver is in the form of pulses. The control signal activating the transmitter is sent by a trigger generator 14 in the receiver via a connecting line to the transmitter. The trigger signal also serves to activate the test and hold circuit 11 in the receiver, which converts the pulse output of the circuit 10 into a continuous signal proportional to the size of the output pulse. If an intruder comes into the area of the microwave barrier, this results in a low-frequency change in the output signal of the test and hold circuit 11. A threshold detector 12 processes this low frequency signal and determines the size and speed of the intruder. If the change in amplitude exceeds a predetermined threshold, an alarm output device 13 is actuated. The behavior of the system depends on where the attempt to penetrate took place.

Ein auf dem Boden.kriechender Eindringling verursacht eine Änderung des von der unteren Antenne 7 aufgenommenen Signals. 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 Signals 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 Signals zur oberen Empfangsantenne 6 und bewirkt hier eine Änderung des Signals.An intruder creeping on the floor causes a change in the signal picked up by the lower antenna 7. An intruder who tries to jump over the microwave barrier near the transmitter interrupts the beam emitted by the upper antenna 4. As a result, part of this signal is reflected to the receiver, which - depending on the relative position of the intruder - is determined either by the upper or by the lower antenna 6 or 7. An on dringling, which tries to jump over the microwave barrier near the receiver, reflects part of the transmitted signal to the upper receiving antenna 6 and causes a change in the signal here.

In jedem Fall wird der Versuch eines Eindringens eine Änderung des empfangenen Signals an einer oder an beiden Empfangsantennen bewirken. Diese Signaländerung wird von den nachgeschalteten Kreisen verarbeitet.In any case, an attempt at intrusion will cause the received signal to change at one or both of the receiving antennas. This signal change is processed by the downstream circles.

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.7 and 8 show the transmitter and receiver. The antennas 4, 5, 6 and 7 are designed in planar form. Antennas 4 and 6 have the same beam direction angle, but a different beam direction angle than antennas 5 and 7 (which in this respect are identical to one another). The oscillator 1, the splitter 3 and the driver stage 2 are arranged on a base plate 15a, which at the same time forms the mechanical holder and the conductive plane (ground) necessary for the function of the microwave circuit.

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.In a corresponding manner, all components are arranged on a conductive base plate 15b in the receiver. The antennas 6 and 7 are provided in the same way as in the transmitter. The functions of the mixer 8 and the detector 9 are combined in a microwave receiving module 30. The output of this receiving module 30 is connected to the input of a receiver circuit 31, which performs the functions of the circuit 10 with automatic gain control, the test and hold circuit 11, the threshold detector 12, the alarm output device 13 and the trigger generator 14.

Im folgenden sei die Funktion der Planarantenne erläutert, wenngleich grundsätzlich im Rahmen der Erfindung jede Antenne verwendbar ist, die einen gerichteten Antennenstrahl erzeugt.The function of the planar antenna is explained below, although in principle any antenna that generates a directed antenna beam can be used within the scope of the invention.

Eine Planarantenne enthält ein Muster metallischer Streifen 19, die auf einem isolierenden dielektrischen Substrat 16 geätzt sind. Diese Streifen 19 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 (von halber Wellenlänge), die an Speiseleitungen angeschlossen sind. Ein Mikrowellensignal wird dem 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 Pase in einer bestimmten Winkelrichtung addieren und damit einen definierten Strahl erzeugen. Fig. 10 zeigt ein Diagramm einer Speiseleitung und der zugehörigen Dipole.A planar antenna includes a pattern of metallic strips 19 that are etched on an insulating dielectric substrate 16. These strips 19 are thus at a certain distance from a conductive metallic base plate 17 (cf. FIG. 9). The pattern of the metallic strips 19 contains a multiplicity of dipoles (of half wavelength) which are connected to feed lines. A microwave signal is fed to the input connection 20 and is distributed over eight strips 19 which form the feed lines. The microwave signal supplied to these feed lines travels along these strips to the end 21 and thereby excites the dipoles 18. Each dipole emits the microwave signal into the space above the planar antenna. The distance between the individual dipoles can be selected such that the radiation components emanating from the individual dipoles add up in size and phase in a certain angular direction and thus generate a defined beam. 10 shows a diagram of a feed line and the associated dipoles.

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 Horizontalebene des Substrats einschliesst.In the horizontal direction (FIG. 9) the microwave signal has the same amplitude and phase at every moment. This ensures that the maximum beam direction includes an angle of 90 ° with the horizontal plane of the substrate.

In der Vertikalebene wird der Abstand der Dipole 18 so gewählt, dass sich die gewünschte Strahlrichtung ergibt. Sie lässt sich aus folgender Formel ermitteln:

wobei

a = Strahlrichtung gegenüber der Senkrechten zur Substratebene,
Er = effektive relative Dielektrizitätskonstante des Substratmaterials,
λ = Wellenlänge des Mikrowellensignals,
d = Abstand zwischen benachbarten Dipolen auf derselben Seite der Speiseleitung (vgl. Fig. 10).

In the vertical plane, the distance between the dipoles 18 is selected so that the desired beam direction results. It can be determined from the following formula:

in which

a = beam direction opposite the perpendicular to the substrate plane,
Er = effective relative dielectric constant of the substrate material,
λ = wavelength of the microwave signal,
d = distance between adjacent dipoles on the same side of the feed line (see FIG. 10).

Fig. 11 veranschaulicht die Maximum-Strahlrichtung bezogen auf die Ebene des Substrats.11 illustrates the maximum beam direction in relation to the plane of the substrate.

Die Strahlbreite 0 jeder Antenne ist mit den geometrischen Abmessungen der strahlenden Apertur und mit der Strahlrichtung durch die bereits genannte Formel verknüpft

wobei

λ = Wellenlänge des Mikrowellensignals,
a = effektive Apertur in Richtung der Strahlausbreitung.

The beam width 0 of each antenna is linked to the geometric dimensions of the radiating aperture and to the beam direction using the formula already mentioned

in which

λ = wavelength of the microwave signal,
a = effective aperture in the direction of the beam spread.

Für eine Planaranordnung mit einem Strahl unter einem Winkel a ist die effektive Dimension der Apertur = a · cosa.For a planar arrangement with a beam at an angle a, the effective dimension of the aperture = a · cosa.

Der Hauptteil der von einer Antenne abgestrahlten Energie liegt innerhalb eines Winkelbereiches von a ± 0/2. Um zu gewährleisten, dass der obere Strahl keine erhebliche Bodenreflexion erfährt, muss der Winkel a nach oben geneigt und grösser als die halbe Strahlbreite (0/2) der oberen Antenne sein. Es gilt alsoThe main part of the energy radiated by an antenna lies within an angular range of a ± 0/2. In order to ensure that the upper beam does not experience any significant ground reflection, the angle a must be inclined upwards and larger than half the beam width (0/2) of the upper antenna. So it applies

Die unteren Antennen 5 und 7 werden so dimensioniert, dass sie ein maximales Signal im Empfänger liefern. Der Winkel, den die Strahlachse dieser beiden Antennenstrahlen mit der Horizontalen bildet, wird zu diesem Zweck gleich Null gewählt. Fig. 12 zeigt die hieraus resultierende Anordnung.The lower antennas 5 and 7 are dimensioned so that they deliver a maximum signal in the receiver. The angle that the beam axis of these two antenna beams forms with the horizontal is chosen to be zero for this purpose. Fig. 12 shows the resulting arrangement.

Die obere verwendete Antenne besitzt eine vertikale strahlende Apertur von 34, 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 Relativlage 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.The upper antenna used has a vertical radiating aperture of 34 cm, the lower antenna of 32.5 cm. This results in a beam width of 5.0 ° for the upper antenna beam and a beam width of 5.3 ° for the lower antenna beam. The upper antenna generates a beam that spreads upwards at an angle of 5.0 °. The antennas are arranged on a rigid base plate, which ensures the correct relative position, at the same time forms the conductive metallic holder and represents a mounting plate for the electronic components. The mounting heights of the antennas above the ground are shown in FIG. 13 for the exemplary embodiment explained.

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.With this arrangement, the lower antenna beam hits the ground at a distance of 4 m; the upper antenna beam crosses the 2 m height at a distance of 6 m. Such an arrangement performs good soil monitoring on the one hand and prevents attempts to skip the microwave barrier on the other.

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 angeordneten Antennen.While in the exemplary embodiment described above the antennas used to generate the two antenna beams are arranged vertically one above the other, FIGS. 14 and 15 show a variant with antennas arranged horizontally next to one another.

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 zuor 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 ezeugt den nach oben gerichteten Antennenstrahl, der den Erdboden im wesentlichen nicht berührt.The transmitter is shown in FIG. 14 and contains a base plate 40 on which the remaining parts of the transmitter are arranged. The oscillator 43, the splitter 44 and the driver stage 45 are arranged, as in the exemplary embodiment explained above, between the antennas 41 and 42, which are now arranged horizontally next to one another. The antennas are designed as planar antennas. The antenna 41 generates the lower antenna beam, the beam axis of which has an inclination of 0 °. The antenna 42 generates the antenna beam directed upwards, which essentially does not touch the ground.

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.The receiver shown in FIG. 15 has two planar antennas 46, 47 (similar to those in the transmitter), also a reception module 48 and a receiver circuit 50. The components mentioned are provided on a metallic base plate 49. The antenna 46 generates the lower antenna beam, the maximum sensitivity of which lies at an angle 0 (with respect to the horizontal), while the antenna 47 generates the antenna beam directed upwards, which experiences practically no ground reflection.

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.The function of this embodiment corresponds to that of the variant with antennas arranged vertically one above the other. Here, too, the output signals of the two receiving antennas are added vectorially and rectified in the receiving module. If either the lower or the upper antenna beam is interrupted, an alarm signal is generated.

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. 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 Signals 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 Null 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 erläuterten Ausführungsbeispiel.The structure of the antennas of this embodiment is slightly different from the previously explained embodiment. 16 shows the configuration of the antenna generating the lower antenna beam. The signal coming from the output 51 of the splitter is divided into eight transmission lines 52. A number of half wavelength dipoles 54 are excited by the microwave running along the transmission lines 52. The arrangement is such that the phase and magnitude of the signal on the transmission lines 52 are the same at corresponding points (approximately along the line 55) at all times. The dipoles 54 are arranged in such a way that the combined radiation forms an antenna beam, the beam axis of which forms an angle of zero with respect to the horizontal and which is mainly polarized in the vertical plane. The antenna arrangement is located on an insulating substrate 53, as in the previously explained exemplary embodiment.

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.The beam characteristic is shown in Fig. 17. The antenna 53 is arranged near the ground 56. The beam axis has an elevation angle of 0 °. The structure and function of the antenna belonging to the lower antenna beam on the receiving side are essentially the same.

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 zwischen dem Eingang 59 und dem ersten Dipol der betreffenden Übertragungsleitung 57 gewählt.18 shows the formation of the antenna for the upper antenna beam. It corresponds essentially to the antenna for the lower antenna beam shown in FIG. 16, but the transmission lines 57 are arranged in such a way that a different phase results for the dipoles 58 connected to the individual transmission lines 57. The phase for the dipoles of each transmission line is selected by choosing the path length between the input 59 and the first dipole of the transmission line 57 concerned.

Der Höhenwinkel a der Strahlachse (d.h. die Richtung maximaler Strahlstärke, vgl. Fig. 19) lässt sich dann durch die Formel bestimmen:

wobei 1 und d die aus Fig. 18 zu entnehmenden Abmessungen sind und Er die effektive relative Dielektrizitätskonstante des Substrats ist.The height angle a of the beam axis (ie the direction of maximum beam strength, see Fig. 19) can then be determined using the formula:

where 1 and d are the dimensions shown in FIG. 18 and He is the effective relative dielectric constant of the substrate.

In der horizontalen Ebene besitzen die Antennen 41, 42, 46 und 47 ein Maximum, das in einer Richtung 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 bestimmt:

wobei

λ = Wellenlänge
Er = effektive relative Dielektrizitätskonstante des Substrats.

In the horizontal plane, the

antennas

41, 42, 46 and 47 have a maximum that lies in a direction that is perpendicular to the plane of the base plate 49: this is achieved in that the distance between the individual dipoles 58 on the same transmission line 57 is exactly in Phase is selected. For this purpose, the distance D is determined as follows:

in which

λ = wavelength
Er = effective relative dielectric constant of the substrate.

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.A further exemplary embodiment of the invention, in which the antennas for generating (or for receiving) the upper and lower antenna beams are formed by a single, combined antenna, is shown in FIGS. 20 and 21.

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.The transmitter shown in FIG. 20 contains a planar antenna 60 which generates two separate antenna beams. It is excited by an oscillator 61, which is fed by a driver stage 62. The entire arrangement is located on a conductive base plate 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 Signals erfolgt in einer gedruckten Empfängerschaltung 66, die damit beim Versuch eines Eindringens ein Alarmsignal liefert.In a corresponding manner, the receiver illustrated in FIG. 21 contains a planar antenna 64, which is identical to antenna 60. The output signal of the antenna is fed to a microwave receiving module 65 and demodulated here. The resulting low-frequency signal is amplified and further processed in a printed receiver circuit 66, which thus supplies an alarm signal when an intrusion is attempted.

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.The structure of the two antennas 60 and 64 is illustrated in FIG. 22. The antenna is located on an insulating substrate 68, on which a pattern of conductive strips is produced by means of etching technology. Eight strip-shaped antenna elements 70, 71 excite a number of dipoles 69 in such a way that the desired beam characteristics are achieved.

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 Substrats 68 liegt.The antenna elements 70 are dimensioned such that the combined radiation of the radiation emitted by the dipoles of these antenna elements forms an antenna beam, the maximum of which is perpendicular to the plane of the substrate 68.

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.The antenna elements 71, on the other hand, are dimensioned such that the radiation generated by their dipoles forms an antenna beam which propagates upwards, so that the main part of this antenna beam does not touch the ground.

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.A divider circuit 72 separates the incoming signal in the transmitter into eight equal parts that excite the antenna elements 70 and 71. 72 in the receiver corresponds to a combination circuit which forms the vector sum of the signals which are supplied by the antenna elements 70, 71. The circuit 72 thus sums the signals of the two antenna beams in the receiver.

Fig. 23 veranschaulicht die entstehende Antennencharakteristik. Die Antennenanordnung 73 ist nahe dem Erdboden 74 angeordnet. Der untere Antennenstrahl 75 breiteit sich mit einem Höhenwinkel Null (d.h. Strahlachse parallel zum Erdboden) aus; infolgedessen wird jede Bewegung eines Eindringlings nahe dem Erdboden zu einer Änderung des Empfangssignals dieses unteren Antennenstrahles führen.23 illustrates the resulting antenna characteristic. The antenna arrangement 73 is arranged near the ground 74. The lower antenna beam 75 propagates with a zero elevation angle (i.e. beam axis parallel to the ground); as a result, any movement of an intruder near the ground will result in a change in the received signal of this lower antenna beam.

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.The upper antenna beam 76 spreads out at an elevation angle that is greater than half the beam width. As a result, this upper antenna beam does not touch the ground. Since it does not experience any significant ground reflection, there is a smooth, continuous dependence of the received signal strength on the distance.

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.24, 24a show a further exemplary embodiment of the invention, in which a passive reflector is used to deflect part of the lower antenna beam upwards and in this way to generate the upper antenna beam.

Sender und Empfänger enthalten jeweils eine Mikrowellenantene 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 Empfangssignals einen Alarm aus.The transmitter and receiver each contain a microwave antenna 77, which can be designed as a planar antenna, parabolic antenna or in some other way and which generates an antenna beam 78 which propagates in one direction towards the receiving antenna. A passive reflector 79 made of metallic material is partially arranged in the beam path and reflects part of the antenna beam upwards, so that an antenna beam 80 directed upwards results. If an intruder passes either the lower antenna beam 78 or the upper antenna beam 80, the change in the received signal caused thereby triggers an alarm.

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.25 and 26 illustrate the arrangement of a microwave prism in the beam path as a further variant. The prism 81 is made of dielectric insulating material. Its dimensions are chosen so that the direction of propagation is deflected upwards by the refraction of the microwave radiation in the prism. As shown in FIG. 25, the prism 81 is arranged in front of a transmitting antenna 82, the beam axis of which points in the direction of the corresponding antenna in the receiver. The radiation incident on the prism 81 is refracted upward and forms the upper antenna beam 83, which does not touch the floor, while the lower antenna beam 84 hits the floor 85 in the manner explained.

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 a umgelenkt und bildet den oberen Antennenstrahl 87.FIG. 26 illustrates the function of the prism 81. The radiation 86 coming from the transmitting antenna is deflected upward by the prism 81 by an angle of refraction a and forms the upper antenna beam 87.

Eine weitere Möglichkeit, einen oder mehrere obere Antennenstrahlen zu erzeugen, besteht in der Verwendung einer Fresnel-Linse im unteren Antennenstrahl.Another way to generate one or more upper antenna beams is to use a Fresnel lens in the lower antenna beam.

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.A Fresnel lens contains a number of stages in a dielectric insulating medium. An incoming microwave passes through this Fresnel lens and emits at a number of different angles, which is determined by the interference pattern between the waves passing through the slit parts and the non-slotted main areas.

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 zusätzliche Höhen-Schutzzone der erfindungsgemässen Mikrowellenschranke bilden.As FIG. 27 shows, the Fresnel lens 88 is arranged in the main beam 91 of the transmission antenna 89. The lens 88 generates a number of antenna beams 90 directed upwards, which form the additional height protection zone of the microwave barrier according to the invention.

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 Materials und der Abstand der Schlitze bestimmen für eine vorgegebene Frequenz die Ausbreitungswinkel 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.The Fresnel lens 88 is shown in detail in FIG. 28. It contains a block of dielectric insulating material that has a number of slots 92. The depth of the slots 91, the relative dielectric constant of the dielectric material and the spacing of the slots determine the angles of propagation of the outgoing radiation for a predetermined frequency. The lens 88 is wedge-shaped so that the incoming radiation is first refracted upwards before it passes through the slots 92. This ensures that the antenna beams emitted by the Fresnel lens mainly spread obliquely upwards.

Fig. 29 zeigt schliesslich ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein Beugungsgitter benutzt wird, um aus einem einzigen ankommenden Antennenstrahl eine Anzahl von unter unterschiedlichen Winkeln abgestrahlten 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.Finally, FIG. 29 shows an embodiment in which a diffraction grating is used to generate a number of antenna beams emitted at different angles from a single incoming antenna beam. The principle corresponds essentially to that of the Fresnel lens explained. The diffraction grating is arranged in front of the antennas that send and receive the lower antenna beam. The incoming radiation is divided into a number of antenna beams, which mainly spread obliquely upwards and thus ensure improved height protection.

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 94 erfolgt.The diffraction grating shown in FIG. 29 contains a block 93 of dielectric insulating material, on which a number of metallized strips 94 are provided. The position and width of these strips determine the directions of the outgoing antenna beams. The diffraction grating is manufactured in a wedge shape, so that the incoming radiation is first refracted upwards before scattering on the metallic strips 94.

Claims

1. Barrier using microwaves containing a microwave transmitter with an associated transmitting aerial arrangement and a microwave receiver with an associated receiving aerial arrangement in which the transmitter and receiver are arranged at opposite ends of a section to be monitored and the receiver contains a circuit which responds to alterations in the received signal caused by an intruder, characterised in that at least two aerial beams are provided, of which one aerial beam extending close to the ground comprises a beam axis with a zero angle relative to the horizontal and thus forms a protection zone extending down to the ground without cancellation effects caused by ground reflexions whilst the other aerial beam is inclined upards relative to the horizontal by an angle which is greater than the half beam width of this aerial beam.

2. Barrier using microwaves as claimed in claim 1, characterised in that two separate aerials are provided for the production of two aerial beams which are independent of each other.

3. Barrier using microwaves as claimed in claim 2, characterised in that the two aerials are offset relative to one another in the vertical direction.

4. Barrier using microwaves as claimed in claim 2, characterised in that the two aerials are offset relative to one another in the horizontal direction.

5. Barrier using microwaves as claimed in claim 1, characterised in that for the production of the two aerial beams one single aerial and an arrangement for dividing the aerial beam are provided.

6. Barrier using microwaves as claimed in claim 5, characterised in that the arrangement for dividing the aerial beam is formed by a reflector.

7. Barrier using microwaves as claimed in claim 5, characterised in that the arrangement for dividing the aerial beam is formed by a prism.

8. Barrier using microwaves as claimed in claim 5, characterised in that the arrangement for dividing the aerial beam is formed by a Fresnel lens.

9. Barrier using microwaves as claimed in claim 5, characterised in that the arrangement for dividing the aerial beam is formed by a diffraction screen.

10. Barrier using microwaves as claimed in claim 1, characterised in that one single combined aerial is provided for the production of the two aerial beams.

11. Barrier using microwaves as claimed in claim 2, characterised in that the two aerials are connected via a splitter to the same microwave oscillator.

12. Barrier using microwaves as claimed in claim 1, characterised by a circuit for the vectorial addition of the signals derived from the two aerial beams.

13. Barrier using microwaves as claimed in claim 1, characterised in that the circuit provided on the receiving side responds to alternations in the signals produced by the two aerial beams caused by an intruder.