DE2702416A1 - DOPPLER RADAR ARRANGEMENT - Google Patents
DOPPLER RADAR ARRANGEMENTInfo
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Description
Öle Erfindung betrifft eine Doppler-Radaranordnung, insbesondere eine Miniatur-Doppler-Radaranordnung, sowie einen dazu geeigneten Mikrowellenempfanger.The invention relates to a Doppler radar arrangement, in particular a miniature Doppler radar arrangement, and also to a suitable microwave receiver.
Eine Doppler-Radaranordnung dient zur Erfassung bewegter Objekte, indem.ein pulsmoduliertes bzw. getastetes bzw. Impuls-Funksignal oder ein Dauerstrich-Funksignal einer Sendequelle Über eine Sendeantenne ausgesandt und auf ein bewegtes Objekt oder Bewegtziel gerichtet wird. Dieses Signal wird an dem Bewegtziel reflektiert und, mit einer Doppler-Frequenzverschiebung behaftet, in den Empfänger der Radaranordnung eingespeist. Diese Radaranordnung weist eine Empfangsantenne auf, die wie die Sendeantenne aufgebaut sein kann und das reflektierte Signal empfängt und es in einen Mischer einspeist, wo es mit einem Bezugssignal gemischt wird, dessen Frequenz (in einfachen Anordnungen) der Frequenz des Sendesignals entspricht. Das Bezugssignal kann entweder aus derA Doppler radar arrangement is used to detect moving Objects by using a pulse-modulated or keyed or Impulse radio signal or a continuous wave radio signal from a transmission source Sent via a transmission antenna and sent to a moving one Object or moving target is directed. This signal is reflected at the moving target and, subject to a Doppler frequency shift, in the receiver of the radar arrangement fed in. This radar arrangement has a receiving antenna that can be constructed like the transmitting antenna and that receives the reflected signal and feeds it into a mixer, where it is mixed with a reference signal whose Frequency (in simple arrangements) corresponds to the frequency of the transmitted signal. The reference signal can either be taken from the
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Sendequelle oder aus einem getrennten Lokal- bzw. überlagerungsoszillator stammen. Der Mischer erzeugt aus dem reflektierten Signal und dem Bezugssignal ein Mischer-Ausgangssignal, dessen Frequenz die Differenz- oder Doppier-Frequenz ist, und das zur Anzeige des Vorhandenseins des Bewegtziels verwendet werden kann.Transmission source or from a separate local or superimposed oscillator come. The mixer generates a mixer output signal from the reflected signal and the reference signal, whose frequency is the difference or doubling frequency, and that to indicate the presence of the Moving target can be used.
Mit der in jüngster Zeit erfolgten Entwicklung von Festkörper-Bauelementen wie Übertragungselektronenanordnungen (auch Gunn-Elemente genannt), die Signale im Mikrowellenbereich erzeugen, ist es nun möglich, Miniatur-Doppler-Radaranordnungen zu entwickeln. Eine derartige Radaranordnung ist beispielsweise in der GB-PS 1 214 833 beschrieben. Miniatur-Radaranordnungen werden derzeit in Nledergeschwindigkeits-Nahbereichs-Anwendungen, z. B. für Einbruchs-A lariaanlagen und Straßenverkehrsdetektoren verwendet.With the recent development of solid-state components like transfer electron arrangements (also called Gunn elements), the signals in the microwave range it is now possible to produce miniature Doppler radar assemblies to develop. Such a radar arrangement is described in GB-PS 1 214 833, for example. Miniature radar arrays are currently used in low-speed short-range applications, z. B. used for burglary A lariaanlagen and road traffic detectors.
Bereits entwickelte Miniatur-Radaranordnungen arbeiten im Dauerstrichbetrieb. Nachteilig dabei ist jedoch, daß der bei Dauerstrichdetektion sich langsam bewegender Objekte auftretende Rauschpegel sehr hoch ist. Um also ein reflektiertes Signal über dem Rauschpegel zu erfassen, muß die Leistung des Sende- bzw. Bezugssignals wenigstens 15 mW bzw. 5 n** betragen. Da kommerziell verfügbare)Pestkörperquellen, die diese Leistung erzeugen können, einen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Gleichstromenergie in Mikrowellenenergie von höchstens 2 % haben, muß die gesamte Gleichstrom-Eingangsleistung etwa 1 W betragen. Der Leistungsverbrauch ist also außerordentlich hoch und muß normalerweise durch eine netzgespeiste Gleichstromquelle gedeckt werden, so daß nur im Notbetrieb eine Batterie verwendet werden kann.Miniature radar arrangements that have already been developed work in continuous wave operation. The disadvantage here, however, is that the noise level occurring with continuous wave detection of slowly moving objects is very high. In order to detect a reflected signal above the noise level, the power of the transmitted or reference signal must be at least 15 mW or 5 n **. Since commercially available plague sources capable of producing this power have an efficiency in converting direct current energy to microwave energy of 2 % or less, the total direct current input power must be about 1 watt. The power consumption is therefore extremely high and normally has to be covered by a mains-fed direct current source, so that a battery can only be used in emergency operation.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die mit der Miniaturisierung einer Doppler-Radaranordnung verbundenen Nachteile, insbesondere die großen Abmessungen der Stromversorgungsquelle, zu vermeiden.It is therefore the object of the invention to overcome the disadvantages associated with the miniaturization of a Doppler radar arrangement, in particular to avoid the large dimensions of the power supply source.
Diese Aufgabe wird durch einen für eine Miniatur-Doppier-Radaranordnung geeigneten Mikrowellenempfänger gelöst, der aufweist: eine Empfangsantenne zum Empfang eines an einem entfernten Zielobjekt reflektierten pulsmodulierten Empfangs-Mikrowellensignals; einen Signalgenerator zur Erzeugung eines pulsmodulierten Mikrowellen-Bezugssignals, das mit dem pulsmodulierten Empfangs-Mikrowellensignal zeitlich zusammenfällt; einen Mischer zur Mischung des Empfangs-Mikrowellensignals mit dem Mikrowellen-Bezugssignal und zur Erzeugung eines pulsmodulierten Mischer-Ausgangssignals; einen elektrischen Impulsintegrator; ein Tor, das im geöffneten Zustand das Mischer-Ausgangssignal in den Impulsintegrator einspeist; und eine Torsteuereinheit zur Durchschaltung des Tors in Koinzidenz mit den Mis eher-Ausgangssignalimpulsen.This task is accomplished by one for a miniature doubler radar arrangement suitable microwave receiver solved, comprising: a receiving antenna for receiving one at a remote target object reflected pulse-modulated received microwave signal; a signal generator for generating a pulse-modulated microwave reference signal that is associated with the pulse-modulated Received microwave signal coincides in time; a mixer for mixing the received microwave signal with the microwave reference signal and for generating a pulse modulated mixer output signal; an electric one Pulse integrator; a gate that, when open, feeds the mixer output into the pulse integrator feeds; and a gate control unit for switching the gate through in coincidence with the mis-output signal pulses.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist durch eine Miniatur-Doppler-Radaranordnung gegeben, die aufweist: eine Festkörper-Mikrowellenquelle; einen Impulsgenerator zur periodischen Pulsmodulation bzw. Tastung der Festkörper-Mikrowellenquelle; eine Sendeantenne zur Aussendung von Sende-Mikrowellenimpulsen der Festkörper-Mikrowellenquelle; und den genannten Mikrowellenempfänger, wobei der Impulsgenerator die Tastfrequenz des Mikrowellen-Bezugssignals steuert und die Torsteuereinheit zur Durchschaltung des Tors darstellt. In diesem Fall besteht das von der Empfangsantenne aufgenommene, von einem entfernten Zielobjekt stammende Empfangssignal aus Reflexionen des von derAn advantageous embodiment of the invention is given by a miniature Doppler radar arrangement which comprises: a solid state microwave source; a pulse generator for periodic pulse modulation or keying of the Solid state microwave source; a transmission antenna for transmitting transmission microwave pulses from the solid-state microwave source; and said microwave receiver, wherein the pulse generator is the sampling frequency of the microwave reference signal controls and represents the gate control unit for switching the gate through. In this case it consists of the Receiving antenna received, originating from a distant target object received signal from reflections of the
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Sendeantenne ausgesandten Sendesignals an dem bewegten Objekt.Transmitting antenna transmitted transmission signal to the moving object.
Die bisher entwickelten Doppler-Radaranordnungen, die entweder ein pulsmoduliertes bzw. getastetes oder ein Dauerstrich-Sendesignal verwenden und miniaturisiert oder nichtminiaturisiert sind, verwenden in ihrem Empfänger ein Dauerstrich-Bezugssignal. Es läßt sich jedoch zeigen, daß die Verwendung eines getasteten Miseher-BezugssignaIs zusammen mit einem Tor, einem Filter und einem Integrator wie in der erfindungsgemäßen Radaranordnung den Gesamt-Gleichstrom-Leistungsverbrauch der Radaranordnung erheblich verringert, wie nachstehend näher erläutert wird, ohne daß die Detektionseigenschaften verschlechtert werden.The previously developed Doppler radar arrangements, which are either pulse-modulated or keyed or a Use continuous wave transmission signal and are miniaturized or non-miniaturized, use a in their receiver Continuous wave reference signal. However, it can be shown that the use of a keyed mixer reference signal with a gate, a filter and an integrator as in the radar arrangement according to the invention, the total direct current power consumption the radar assembly is significantly reduced, as will be explained in more detail below, without the Detection properties are deteriorated.
Auf diese Weise läßt sich die erfindungsgemäße Radaranordnung durch eine Batterie speisen, z. B. durch eine Batterie, die ständig durch eine Solarzelle nachgeladen wird.In this way, the radar arrangement according to the invention can be fed by a battery, for. B. by a Battery that is constantly recharged by a solar cell.
Die Sende-, Empfangs- und Bezugssignalimpulse können gleichlang oder ungleichlang sein und gleichgroße Abstände aufweisen. Ein typischer Wert für die Impulslänge ist 0,1-10 /US und der Impulsabstand beträgt 0,1-10 ms, so daßThe transmit, receive and reference signal pulses can be of equal or unequal length and the same spacing exhibit. A typical value for the pulse length is 0.1-10 / US and the pulse spacing is 0.1-10 ms, so that
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das Tastverhältnis zwischen 10 und 10 J liegt.the duty cycle is between 10 and 10 J.
Der Bezugssignalgenerator zur Erzeugung des pulsmodulierten Mikrowellen-Bezugssignals ist vorzugsweise die über einen Nebenschlußweg an den Mischer angeschlossene Mikrowellenquelle der Radaranordnung. Er kann aber auch durch eine zusätzliche Festkörper-Mikrowellenquelle dargestellt sein, die als separater überlagerungsoszillator arbeitet, jedoch durch den Impulsgenerator getastet wird.The reference signal generator for generating the pulse-modulated microwave reference signal is preferably the via a microwave source of the radar arrangement connected to the mixer. But it can also be through a additional solid-state microwave source operating as a separate local oscillator, however is scanned by the pulse generator.
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Der Mischer kann durch eine übliche Silizium-Schottky-Sperrschicht-J)iode realisiert sein oder einen Festkörperoszillator aufweisen, der auch als Signalquelle und Bezugs-Signalgenerator arbeitet.The mixer can be implemented by a conventional silicon Schottky barrier layer or have a solid-state oscillator which also works as a signal source and reference signal generator.
Der Integrator ist im einfachsten Fall ein Kondensator und das Tor ist vorzugsweise in CMOS-Technologie aufgebaut .In the simplest case, the integrator is a capacitor and the gate is preferably constructed using CMOS technology.
Besonders vorteilhaft ist, wenn das Mischer-Ausgangssignal durch ein Hochpaßfilter gefiltert wird.It is particularly advantageous if the mixer output signal is filtered through a high pass filter.
Schließlich 1st es günstig, den Ausgang des Integrators an einen S chmalbandfi lter-Verstärker anzuschließen, der die Doppler-Frequenzkomponente des Integrator-Ausgangssignals filtert, wobei ein Vergleicher das Ausgangssignal des Sohmalbandfilters mit einem Schwellensignal vergleicht und eine Anzeigeeinheit ein Anzeigesignal erzeugt, wenn der Vergleicher das Vorhandensein eines über dem Rauschpegel liegenden Signals erfaßt.Finally, it is convenient to use the output of the integrator to be connected to a narrowband filter amplifier that supports the Doppler frequency component of the integrator output signal filters, wherein a comparator compares the output signal of the narrow band filter with a threshold signal and a Display unit generates a display signal when the comparator detects the presence of a signal above the noise level.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The invention will now be explained in more detail with reference to the drawing. Show it:
Fig. 1 das Blockschaltbild einer Miniatur-Doppler-Radaranordnung;1 shows the block diagram of a miniature Doppler radar arrangement;
Fig. 2a, 2b und 2c Signale zur Erläuterung der Arbeitswelse der Radaranordnung nach Fig. 1;FIGS. 2a, 2b and 2c show signals for explaining the operating mode of the radar arrangement according to FIG. 1;
Fig. 3 den typischen Verlauf der Rauschzahl in Abhängigkeit von der Miseher-Oifferenzfrequenz einer Doppler-Radaranordnung; und3 shows the typical course of the noise figure as a function of the mixer differential frequency a Doppler radar array; and
Flg. 4 das Blockschaltbild einer weiteren Miniatur-D oppler-Radaranordnung.Flg. 4 shows the block diagram of a further miniature D oppler radar arrangement.
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Die Radaranordnung nach Flg.l weist einen Ubertragungselektronenoszillator 1 auf, der durch einen Impulsgenerator periodisch getastet wird. Während der Dauer der Impulse (die typisch 1 ais lang sind und 1 ms auseinanderliegen) erzeugt der Oszillator 1 ein Mikrowellensignal (mit einer typischen Frequenz von 10 GHz), das in eine Sendeantenne eingespeist und von dieser auf ein (nicht gezeigtes) Bewegtziel ausgerichtet in den freien Raum abgestrahlt wird. Die von dem Bewegtziel reflektierten Reflexionssignale werden von einer Empfangsantenne 7 aufgenommen, die denselben Aufbau wie die Sendeantenne 5 haben kann. Das Empfangssignal wird in einer Mischerdiode 9 mit einem Bezugssignal gemischt, das durch einen Teil des im Oszillator 1 erzeugten getasteten Signals dargestellt ist. Das Ausgangssignal der Mischerdiode 9 besteht aus Impulsen, die über ein durch Impulse aus dem Impulsgenerator 3 gesteuertes Tor 11 in einen Integrator 13 eingespeist werden. Das Ausgangssignal des Integrators 13 wird durch einen Schmalbandfilter-Verstärker 15 gefiltert und in einen Vergleicher 17 eingespeist, wo es mit einer Schwellenspannung V-, verglichen wird. Wenn das Ausgangssignal des Fi It er-Verstärkers 15 über der Schwellenspannung Vm liegt, erzeugt der Vergleicher ein Ausgangssignal, das eine Anzeigeeinheit 19 durchschaltet.The radar arrangement according to Flg.l has a transmission electron oscillator 1, which is periodically sampled by a pulse generator. During the duration of the impulses (which are typically 1 ais long and 1 ms apart) the oscillator 1 generates a microwave signal (with a typical frequency of 10 GHz) which is fed into a transmitting antenna is fed in and emitted from this aimed at a (not shown) moving target in the free space. The reflection signals reflected from the moving target are picked up by a receiving antenna 7, which can have the same structure as the transmitting antenna 5. The received signal is mixed in a mixer diode 9 with a reference signal which is generated by part of the oscillator 1 gated signal is shown. The output signal of the Mixer diode 9 consists of pulses, which are controlled by pulses from the pulse generator 3 gate 11 in a Integrator 13 are fed. The output signal of the Integrator 13 is through a narrow band filter amplifier 15 filtered and fed into a comparator 17, where it is compared with a threshold voltage V- will. When the output of the Fi It er amplifier 15 is above the threshold voltage Vm, the comparator generates an output signal which a display unit 19 switches through.
Fig.2a zeigt das getastete Sendesignal mit der Amplitude T , das von der Sendeantenne 5 ausgesandt wird. Fig.2b zeigt das entsprechende getastete Signal Vmlx an der Mischerdiode 9. Die Mischerdiode 9 empfängt während einer bestimmten Dauer jedes Sendeimpulses einen aus zwei Komponenten dargestellten Spannungsimpuls. Einein Fig. 2b durch eine horizontal verlaufende Strichlinie dargestellte Komponente ist fest und rührt nur vom Bezugssignalimpuls her. Die andere2a shows the sampled transmission signal with the amplitude T, which is transmitted by the transmission antenna 5. FIG. 2b shows the corresponding sampled signal V mlx at the mixer diode 9. The mixer diode 9 receives a voltage pulse made up of two components for a specific duration of each transmission pulse. A component represented by a horizontal dashed line in Fig. 2b is fixed and originates only from the reference signal pulse. The other
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Komponente, die sich der festen Komponente additiv überlagert, ist veränderlich und wird durch Mischung des Bezugs- mit dem Reflexionssignal erzeugt. Diese veränderliche Komponente schwingt amplitudenmäßig mit der Differenzoder Doppler-Frequenz. Bei dieser Überlegung sei angenommen, daß das reflektierte Empfangssignal bzw. Reflexionssignal vor Beendigung des Sendeimpulses, d. h. innerhalb von 1 /US erfaßt wurde.Component that is additively superimposed on the fixed component, is variable and is generated by mixing the reference signal with the reflection signal. This mutable Component oscillates in amplitude with the difference or Doppler frequency. With this consideration it is assumed that that the reflected received signal or reflection signal before the end of the transmission pulse, d. H. within 1 / US.
Fig. 2c zeigt die Impulse Vmix in gedrängtem Zeitmaßstab, wobei diese Impulse als schmale Linien L auftreten. Der Amplitudenmaßstab ist in dieser Darstellung gedehnt, so daß erkennbar ist, daß die Hüllkurve E sinusförmig mit der Doppler-Frequenz (ein typischer Wert ist 30 Hz) schwankt.FIG. 2c shows the pulses V mix on a compressed time scale, these pulses appearing as narrow lines L. The amplitude scale is stretched in this illustration so that it can be seen that the envelope curve E fluctuates sinusoidally with the Doppler frequency (a typical value is 30 Hz).
Das Tor 11 schaltet bei jedem Impuls V . derart durch, daß das an den Integrator 13 angelegte Signal lediglich Impulse, nicht dagegen Impulspausen aufweist. Somit ist Jeder in den Integrator 13 eingespeiste Impuls ein Abtastwert der sinusförmigen Hüllkurve E nach Fig.2c. Der Integrator 13 integriert diese Abtastwerte und speichert sie bis zum Eintreffen des nächsten Impulses, was in Fig.2c strichliniert angedeutet ist. Der Integrator 13 erzeugt also ein kontinuierliches elektrisches Ausgangssignal, das sich sinusförmige mit der Doppler-Frequenz ändert. Nicht-Doppler-Komponenten werden durch den Filterverstärker 15 ausgefiltert. Der Vergleicher 17 vergleicht die Amplitude des gefilterten Niederfrequenzsignals mit dem Schwellenwert VT, der höher als der vermutliche Rauschpegel eingestellt wird, so daß die Anzeigeeinheit 19 nur bei Zielobjekten anspricht, die ein über einen vorbestimmten Wert liegendes Signal verursachen.The gate 11 switches with each pulse V. in such a way that the signal applied to the integrator 13 only has pulses, but not pulse pauses. Thus, each pulse fed into the integrator 13 is a sample of the sinusoidal envelope curve E according to FIG. 2c. The integrator 13 integrates these sampled values and stores them until the arrival of the next pulse, which is indicated by dashed lines in FIG. 2c. The integrator 13 thus generates a continuous electrical output signal which changes sinusoidally with the Doppler frequency. Non-Doppler components are filtered out by the filter amplifier 15. The comparator 17 compares the amplitude of the filtered low-frequency signal with the threshold value V T , which is set higher than the presumed noise level, so that the display unit 19 only responds to target objects which cause a signal above a predetermined value.
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Obwohl der Impulsgenerator 3 in Flg. 1 als einzelne Einheit dargestellt 1st, besteht er in einem praktischen Aufbau aus einem Impuls-Taktgeber, einem Gatter und einer Batterie, wobei das Gatter durch logische Impulse aus dem Taktgeber aufgetastet wird und die Batteriespannung an den Oszillator 1 anlegt. Die logischen Impulse des Taktgebers schalten auch das Tor bzw. Gatter 11 durch. Der Taktgeber und das Tor 11 können in üblicher CMOS-Technologie aufgebaut sein. Das Impulsgenerator-Gatter kann beispielsweise durch einen Lawinentransistor oder MOS-Transistor (z. B. vom Typ Siliconix VMP 1) dargestellt sein.Although the pulse generator 3 in Flg. 1 is presented as a single unit, it consists of a practical one Made up of a pulse clock generator, a gate and a battery, the gate being generated by logic pulses from the Clock is switched on and the battery voltage is applied to the oscillator 1. The logic impulses of the clock also switch the gate or gate 11 through. The clock and the gate 11 can be in standard CMOS technology be constructed. The pulse generator gate can, for example, be an avalanche transistor or MOS transistor (e.g. of the Siliconix VMP 1 type).
Der Oszillator 1 ist vorzugsweise ein elektronisches Bauelement mit hohem Wirkungsgrad (15 bis 20 %), wie es beispielsweise in der GB-PS 1 450 998 und in der DT-OS 2620980.5 beschrieben ist. Das elektronische Bauelement in der erstgenannten Patentschrift weist eine aktive Indiumphosphid sowie eine Kathode aus einer Silber-Galium-Sauerstoff-Legierung auf. Das in der Offenlegungsschrift beschriebene elektronische Bauelement hat ebenfalls eine aktive Indiumphosphid-Schicht, jedoch weist die Kathode eine zur Erzeugung eines hohen elektrischen Feldes dienende Zone bzw. Schicht, z. B. eine Schottky-Sperrschicht auf, und zwischen dieser Zone und der aktiven Schicht eine schmale n+-Schicht.The oscillator 1 is preferably an electronic component with a high degree of efficiency (15 to 20 %) , as described, for example, in GB-PS 1 450 998 and in DT-OS 2620980.5. The electronic component in the first-mentioned patent specification has an active indium phosphide and a cathode made of a silver-galium-oxygen alloy. The electronic component described in the laid-open specification also has an active indium phosphide layer, but the cathode has a zone or layer, e.g. B. a Schottky barrier layer, and between this zone and the active layer, a narrow n + layer.
Der Oszillator 1, der Mischer 9, die Antenne 5 (und die Antenne 7,falls diese verschieden 1st) können in einem einzigen (nicht gezeigten) Gehäuse untergebracht werden, durch das gleichzeitig die Einkopplung des Mischer-Bezugs signals aus dem Oszillator 1 in den Mischer 9 vorgenommen wird. Als Beispiele für eine derartige Einheit selen die Doppler-Radar-Module CL 8960 und CL 8920 der Firma Mullard genannt. In der erstgenannten Einheit sind der Oszillator 1The oscillator 1, the mixer 9, the antenna 5 (and the antenna 7, if this is different) can in one single (not shown) housing are housed, through which the coupling of the mixer reference signal at the same time from the oscillator 1 into the mixer 9. As examples of such a unit, the selenium Doppler radar modules CL 8960 and CL 8920 from Mullard called. In the first-mentioned unit are the oscillator 1
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und der Mischer 9 in zwei benachbarten leerlaufenden Wellenleitern angeordnet« die als Antennen 5 und 7 wirken. Die Kopplung zwischen Oszillator und Mischer wird durch direkte Kopplung zwischen den Wellenleitern hergestellt. In der zweiten Einheit sind der Oszillator, der Mischer und eine einzelne Antenne an drei Eingänge eines Mikrowellen-Ferrit-Zirkulators angeschlossen. Die Kopplung zwischen Oszillator und Mischer erfolgt durch ein Streusignal im Zirkulator.and the mixer 9 arranged in two adjacent open waveguides which act as antennas 5 and 7. the Coupling between the oscillator and mixer is established by direct coupling between the waveguides. In the second unit are the oscillator, the mixer and a single antenna connected to three inputs of a microwave ferrite circulator. The coupling between oscillator and mixing is done by a scatter signal in the circulator.
Der Filterverstärker 15 ist vorzugsweise ein programmierbarer Verstärker sehr geringer Leistung, z. B. vom Typ LM 4250 der US-Firma National Semiconductor.The filter amplifier 15 is preferably a very low power programmable amplifier, e.g. B. of the type LM 4250 from the US company National Semiconductor.
Der Integrator 15 ist im einfachsten Fall ein Kondensator der Größe 2000 pF.In the simplest case, the integrator 15 is a capacitor of size 2000 pF.
Die Anzeigeeinheit kann beispielsweise durch eine Flüssigkristallblende, eine Leuchtdiode, einen Zähler oder einen Hochfrequenzsender zur übertragung eines Anzeigesignals an einen entfernten Empfänger dargestellt sein. Am Eingang der Anzeigeeinheit wird zweckmäßigerweise ein (nicht gezeigtes) RC-Filter mit einer bestimmten Zeltkonetanten angeschlossen, das unerwünschte Signale ausfiltert, die auf momentane Bewegungen von Objekten, die nicht zu dem zu untersuchenden Objekt gehören, zurückzuführen sind.The display unit can, for example, by a Liquid crystal panel, a light emitting diode, a counter or a high frequency transmitter for the transmission of a display signal to a remote recipient. At the input of the display unit, an RC filter (not shown) with a certain time constant is expediently connected, which filters out unwanted signals that are triggered by momentary movements of objects that do not belong to the object to be examined can be traced back.
Wie bereits erwähnt, kann durch Tastung des . Mischers, z. B. der Mischerdiode 9 nach Fig.l in der erfindungsgemäßen Radaranordnung der gesamte Gleichstrom-Leistungsverbrauoh und die durch die Radaranordnung erzeugte mittlere Mikrowellenleistung verringert werden, ohne daß sich die Detektlons· eigenschaften verschlechtern. Die Begründung dafür 1st wie folgt: Die In Fig. 3 in logarlthmisohem Maßstab dargestellteAs already mentioned, by keying the. Mixer, z. B. the mixer diode 9 according to Fig.l in the inventive Radar arrangement of the total DC power consumption and the mean microwave power generated by the radar arrangement can be reduced without the Detektlons properties deteriorate. The reason for this is as follows: The one shown in FIG. 3 on a logarithmic scale
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Rauschzahl für eine typische Doppler-Radaranordnung mit SchwebungsIUckenempfang und einem Dauerstrich-Mischer-Bezugssignal ändert sich bei Differenzfrequenzen unterhalb einer durch einen Punkt W dargestellten kritischen Frequenz näherungsweise umgekehrt proportional zur Differenzfrequenz, die der Mischer detektiert (diese Differenzfrequenz kann die Doppler-Frequenz selbst oder die mit einer Zwischenfrequenz überlagerte Doppler-Frequenz sein). Oberhalb der Frequenz W verläuft die Rauschzahl horizontal bis zu einem Punkt U, darüber weist die Rauschzahlkennlinie eine endliche Steigung auf. Der Punkt W liegt je nach Mischer zwischen 10 kHz und 1 MHz, der Punkt U, der in der Praxis nicht exakt definiert ist) liegt bei etwa 100 MHz.Noise figure for a typical Doppler radar arrangement with beat signal reception and a continuous wave mixer reference signal changes at difference frequencies below a critical frequency represented by a point W approximately inversely proportional to the difference frequency that the mixer detects (this difference frequency can be the Doppler frequency itself or the Doppler frequency superimposed with an intermediate frequency). Above the frequency W, the noise figure runs horizontally to to a point U, above which the noise figure characteristic curve has a finite slope. The point W is depending on the mixer between 10 kHz and 1 MHz, the point U, which is not exactly defined in practice) is around 100 MHz.
Da kommerziell verfügbare Miniatur-Doppler-Radaranordnungen verhältnismäßig niedrige Zielobjekt-Geschwindigkeiten erfassen und die Differenzfrequenzen somit niedrig sind,ist deren Rauschzahl sehr hoch, was in Fig. 3 durch den Punkt X dargestellt ist.As commercially available miniature Doppler radar arrays detect relatively low target object speeds and the difference frequencies are thus low whose noise figure is very high, which is shown in FIG. 3 by the point X.
Wenn jedoch das Mischer-Bezugssignal wie in der Anordnung nach Fig.l getastet wird, gilt nicht die durch den Punkt X dargestellte Rauschzahl, sondern eine mittlere Rauschzahl, die dem Punkt Y entspricht. In diesem Beispiel liegt eine Kammstruktur im Abstand der Impulswiederholungsfrequenz und mit einer - - Hüllkurve zugrunde, wobei das erste MinimumIf, however, the mixer reference signal is sampled as in the arrangement according to FIG. 1, the noise figure represented by point X does not apply, but an average noise figure which corresponds to point Y. - In this example, a comb structure in the spacing of pulse repetition frequency and with a located - based envelope, wherein the first minimum
bei der inversen Impulsdauer (im typischen Fall bei 1 MHz) liegt. Dieses Spektrum, das die Fourierwtransformierte des in Fig. 2b dargestellten Impulssignals ist, wird über das Tor 11 übertragen, das synchron zu diesem Signal geöffnet wird und somit ein angepaßtes bzw. "Matohed"-Filter für das getastete Mischersignal darstellt. Die Gesamt-Rauschzahl wirdat the inverse pulse duration (typically 1 MHz). This spectrum, which is the Fourier w transformed of the pulse signal shown in FIG. 2b, is transmitted via gate 11, which is opened synchronously with this signal and thus represents an adapted or "Matohed" filter for the sampled mixer signal. The total noise figure becomes
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somit gegenüber dem Fall, daß das Mischer-Bezugssignal ein Dauerstrichsignal ist, erheblich verringert. Die damit verbundene Verringerung der Eingangs-Gleichstromleistung bei gleichen Detektionseigenschaften kann mehrere Größenordnungen betragen. Da die Rauschzahl des Mischers bei sehr niedrigen Frequenzen sehr hoch ist, wie Fig.3 zeigt, kann zur Verbesserung der Gesamt-Rauschleistung zusätzlich ein Hochpaßfilter 10 zwischen dem Mischer 9 und dem Tor 11 eingefügt werden, dessen Eckfrequenz etwa bei der Frequenz W liegt.thus considerably reduced compared to the case in which the mixer reference signal is a continuous wave signal. The associated reduction in input DC power at the same detection properties can be several orders of magnitude. Since the noise figure of the mixer is very low Frequencies is very high, as FIG. 3 shows, a high-pass filter 10 can also be inserted between the mixer 9 and the gate 11 to improve the overall noise power whose corner frequency is approximately at the frequency W.
Es kann gezeigt werden, daß die Radaranordnung nach Fig. 1 für eine ausreichende Detektion von sich langsam bewegenden Zielobjekten im Nahbereich eine mittlere Gleichstromleistung von nur etwa 0,3 mW bei einem 1 kHz-Impulszug aus Impulsen der Länge 1 /US bei einer 10 GHz-übertragungselektronenanordnung mit 20 % Wirkungsgrad ausreicht. Die restliche Schaltung der Radaranordnung benötigt eine vergleichbare Leistung. Somit kann die Radaranordnung drei Jahre lang aus einer Quecksilberbatterie mit 1,5 Ah Kapazität ständig gespeist werden.It can be shown that the radar arrangement according to FIG. 1 has an average direct current power of only about 0.3 mW with a 1 kHz pulse train of pulses of length 1 / US at 10 GHz for sufficient detection of slowly moving target objects in the close range -transmission electron arrangement with 20 % efficiency is sufficient. The rest of the circuitry of the radar arrangement requires comparable power. This means that the radar system can be continuously fed for three years from a mercury battery with a capacity of 1.5 Ah.
Ein weiterer Vorteil der Radaranordnung nach Fig. 1 betrifft die Interferenz zweier Radaranordnungen, die am selben Ort arbeiten, d. h. gegenseitig unerwünschte Signale einspeisen. Dieses Problem ist mit kommerziellen Dauerstrich-Miniatur-Doppler-Radaranordnungen nur sehr schwierig zu vermelden und es sind aufwendige Frequenzmodulations-Einrichtungen in den Radaranordnungen erforderlich, um die gegenseitige Interferenz bzw. Störung möglichst kleinzuhalten. Demgegenüber ist in der Radaranordnung nach Flg.l die Wahrscheinlichkeit der Interferenz mit weiteren identischen Radaranordnungen sehr gering, da das Tastverhältnis derAnother advantage of the radar arrangement according to FIG. 1 relates to the interference between two radar arrangements which are on work in the same place, d. H. feed in mutually undesirable signals. This problem is very difficult with commercial miniature Doppler continuous wave radars to report and complex frequency modulation devices are required in the radar systems to keep mutual interference or disturbance as small as possible. In contrast, in the radar arrangement according to Flg.l the probability of interference with other identical radar arrangements is very low, since the duty cycle of the
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Impulse sehr gering ist (ein typischer Wert ist 10 ). Außerdem sind die Sendeimpulse derartiger Radaranordnungen durchweg phasenungleich und die reflektierten Empfangsimpulse werden kohärent erfaßt. Sogar für den Fall, daß eine Anordnung einen unerwünschten, von einer anderen Anordnung ausgesandten Impuls erfaßt, ist die Phase des nächsten unerwünschten Impulses zufällig,verglichen mit der Tastfrequenz der empfangenden Radaranordnung. Somit würde das Ausgangssignal des Filters 15 für diesen nächsten Impuls einfach zusätzliches Rauschen erzeugen. Die Rauschleistung kann durch Verbreiterung der Bandbreite der Radaranordnung minimisiert werden, indem einfach die Frequenz des Oszillators 1 geändert wird.Impulses is very low (a typical value is 10). In addition, the transmission pulses of such radar arrangements consistently out of phase and the reflected received pulses are recorded coherently. Even in case that one arrangement detects an undesired pulse emitted by another arrangement is the phase of the next unwanted pulse randomly compared to the sampling frequency of the receiving radar arrangement. Consequently would be the output of filter 15 for this next Impulse simply create additional noise. The noise power can be increased by widening the bandwidth of the radar array can be minimized by simply changing the frequency of the oscillator 1.
Es läßt sich zeigen, daß die Frequenzänderung eines 1 /US-Mikrowellenimpulses für ein Zielobjekt im Bereich von 10 m ohne deutliche Verschlechterung des Signal-Störabstandes 5 MHz betragen darf. Diese Frequenzstabilität läßt sich in einfacher Weise durch übliche Wellenleiter-Schaltungsanordnungen erzielen.It can be shown that the frequency change of a 1 / US microwave pulse for a target object in the area of 10 m without any significant deterioration in the signal-to-noise ratio may be 5 MHz. This frequency stability can be easily implemented by conventional waveguide circuit arrangements achieve.
In Abänderung der Radar anordnung nach Fig.l kann auch ein (nicht gezeigter) separater oder lokaler übertragungselefctronenoszillator zur Erzeugung des getasteten Miseher-Bezugssignals verwendet werden, wobei der lokale Oszillator durch den Impulsgenerator 3 gleichzeitig mit dem Oszillator getastet wird.In modification of the radar arrangement according to Fig.l can also a separate or local transmission electronic oscillator (not shown) used to generate the sampled mixer reference signal, the local oscillator is sampled by the pulse generator 3 at the same time as the oscillator.
Die Geschwindigkeit des Zielobjekts kann einfach durch Messung der Frequenz des AusgangsSignaIs des Filters 15 bestimmt werden.The speed of the target object can be determined simply by measuring the frequency of the output signal from the filter 15 to be determined.
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Für die Beschreibung der Radaranordnung nach Pig.l wurde angenommen, daß die Zeit für ein an einem Bewegtziel reflektierten und empfangenen Signal (diese Zeit berechnet sich aus der halben Ausbreitungsgeschwindigkeit, multipliziert mit der Zielobjekt-Entfernung) geringer als die Mikrowellen-Impulslänge ist und typisch 1 /US beträgt. Dies bedeutet, daß eine gewünschte Zielobjekt-Auf lösung durch Begrenzung der Zielöbjekt-Entfernung erreicht wird; bei einem 1 /us-Impuls beträgt die Entfernung 150 m. Um Zielobjekte in größerer Entfernung zu erfassen, kann die Anordnung nach Fig. 1 derart abgeändert werden, daß das öffnen des Tors 11 und das Tasten des Mischers 9 durch das Bezugssignal durch eine Verzögerungseinheit oder durch einen zweiten Impuls aus der Quelle 1, der zum Mischer 9 nur bei gesperrter Sendeantenne durchgeschaltet wird, verzögert werden.For the description of the radar arrangement according to Pig.l was assumed to be the time for one at a moving target reflected and received signal (this time is calculated from half the propagation speed, multiplied by the target object distance) is less than the microwave pulse length and is typically 1 / US. This means that a desired target object resolution is achieved by limiting the target distance; with a 1 / us pulse the distance is 150 m. In order to detect target objects at a greater distance, the arrangement according to FIG. 1 can be modified in such a way that the opening of the gate 11 and the keying of the mixer 9 by the reference signal by a delay unit or by a second pulse from the source 1, which is switched through to the mixer 9 only when the transmitting antenna is blocked, is delayed will.
Fig. 4 stellt eine weitere Abänderung der Radaranordnung nach Fig. 1 dar. Diese Radaranordnung ist derart erweitert, daß eine Richtungsinformation über das Zielöbjekt erhalten werden kann. Anstelle eines einzigen Detektorkanals, der nach Fig.l den Mischer 9» das Tor 11, den Integrator 15 und den Filterverstärker 15 aufweist, sind in der Radaranordnung nach Fig.4 zwei Kanäle a und b vorgesehen, die dieselben Bauelemente aufweisen, deren Bezugszeiohen mit den Zusätzen a und b versehen sind. In dieser Anordnung wird das reflektierte Empfangssignal, das durch die Empfangsantenne 7 erfaßt wird, durch einen Differentialringübertrager 25, der auch die Phase eines der beiden Signale dreht, in zwei Signale aufgespalten. Ein Signal wird ohne Phasenänderung in einen Mischer 9a eingespeist, während das andere Signal mit einer relativen + 90°-Phasenänderung in denFIG. 4 shows a further modification of the radar arrangement according to FIG. 1. This radar arrangement is expanded in such a way that direction information about the target object can be obtained. Instead of a single detector channel which, according to FIG. 1, has the mixer 9, the gate 11, the integrator 15 and the filter amplifier 15, two channels a and b are provided in the radar arrangement according to FIG the additions a and b are provided. In this arrangement, the reflected received signal detected by the receiving antenna 7 is split into two signals by a differential ring transformer 25 which also rotates the phase of one of the two signals. One signal is fed into a mixer 9a without a phase change, while the other signal is fed into the mixer 9a with a relative + 90 ° phase change
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anderen Mischer 9b gelangt. In ähnlicher Weise werden getastete Bezugssignale des Oszillators 1 ohne Phasenverschiebung und mit 90° Phasenverschiebung über einen Differentialringübertrager 27 in die Mischer 9a und 9b eingespeist. Die Erfassung des Doppler-Signals erfolgt in den Kanälen a und b getrennt, und zwar in derselben Welse wie bereits anhand der Fig. 1, 2 und 3 beschrieben wurde, indem Tore 11a und 11b gleichzeitig geöffnet werden. Das Ausgangssignal eines der beiden Filter 15* z. B. des Filters 15» (vgl. Fig.4) wird wie in der Anordnung nach Fig.l in den Vergleicher 17 und die Anzeigeeinheit 19 eingespeist. Die Ausgangssignale beider Filter 15a und 15b werden ferner in einem Phasendetektor 29 gemischt, dessen Ausgangssignal zwei parallelen Vergleichern 31 und 35 zugeführt wird, die Anzeigeeinheiten 33 und 37 ansteuern.another mixer 9b arrives. Similarly, sampled reference signals of the oscillator 1 are obtained without a phase shift and with a 90 ° phase shift via a differential ring transformer 27 into the mixers 9a and 9b fed in. The Doppler signal is acquired separated in channels a and b, in the same way as already described with reference to FIGS. 1, 2 and 3 by opening gates 11a and 11b at the same time. The output signal of one of the two filters 15 * z. B. the filter 15 »(see. Fig.4) is as in the arrangement fed into the comparator 17 and the display unit 19 according to FIG. The output signals of both Filters 15a and 15b are also mixed in a phase detector 29, the output signal of which has two parallel Comparators 31 and 35 are fed to the display units Control 33 and 37.
Das Ausgangssignal des Phasendetektors 29 ist ein Gleichstromsignal, dessen Vorzeichen gemäß bekannter theoretischer Überlegungen von der Richtung des erfaßten Zielobjekts abhängt. Wenn dieses Ausgangssignal positiv und größer als eine Schwelle V ist, steuert der Vergleicher 31 die Anzeigeeinheit 33 an, um eine Annäherung des Zielobjekts darzustellen. Wenn das Ausgangssignal negativ und größer als eine Schwelle V_ ist, wird die Anzeigeeinheit 37 durch den Vergleicher 35 angesteuert; dies bedeutet, daß sich das Zielobjekt entfernt.The output of the phase detector 29 is a Direct current signal, the sign of which, according to known theoretical considerations, depends on the direction of the detected Target object. When this output signal is positive and greater than a threshold V, the comparator controls 31 displays the display unit 33 to show an approach of the target object. When the output is negative and is greater than a threshold V_, the display unit 37 is activated by the comparator 35; this means that the target object is moving away.
Miniatur-Doppler-Radaranordnungen gemäß der Erfindung können in folgenden Anwendungen eingesetzt werden:Miniature Doppler radar assemblies according to the invention can be used in the following applications:
(1) Mikrowellen-Einbruchs-Alarmanordnungen (z. B. für Läden) mit einem einzigen Mikrowellen-Sendestrahl;(1) Microwave intrusion alarm arrangements (e.g. for Shops) with a single microwave transmission beam;
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(2) Mikrowellen-Schranken (ζ. B. für eine Fabrik), bestehend aus mehreren Mikrowellen-Einbruchs-Alarmanordnungen, deren Strahlen sich überlappen und einen "Sicherheitszaun" definieren;(2) Microwave barriers (ζ. B. for a factory), consisting of several microwave intrusion alarm arrangements, the beams of which overlap and define a "security fence";
(3) Fahrzeug-Geschwindigkeitsmesserj(3) Vehicle speedometer j
(4) Fahrzeugzähler;(4) vehicle counter;
(5) Mautstellen-Steueranordnungen;(5) toll booth tax orders;
(6) Umdrehungszähler bei der Fahrzeugprüfung;(6) Revolution counter when testing the vehicle;
(7) Antikollisionsanordnungen;(7) anti-collision assemblies;
(8) Verkehrsregelung;(8) traffic regulation;
(9) Verkehrsampelregelung;(9) traffic light control;
(10) Eisenbahn-Geschwindigkeitsmesser und Positionsdetektoren (insbesondere für künftige Personenzüge);(10) Railway speedometers and position detectors (especially for future passenger trains);
(11) Eisenbahn-Meßstellenschalter;(11) railway metering point switch;
(12) Rangierbahnhof-Geschwindigkeitsregelung;(12) yard speed control;
(13) Diagnostische Einrichtungen,ζ. B. zur Materialprüfung von Turbinenschaufeln;(13) Diagnostic facilities, ζ. B. for material testing of turbine blades;
(14) Schleifscheiben-Umfangsgeschwindigkeitsmessungen;(14) grinding wheel peripheral speed measurements;
(15) Stahlwalzwerke;(15) steel mills;
(16) Förderkorb-Geschwindigkeitsmessungen;(16) bucket speed measurements;
(17) BrUckenschwingungs-Detektion;(17) bridge vibration detection;
(18) Anlegen von großen Schiffen, insbesondere von Tankern;(18) Mooring of large ships, especially tankers;
(19) Atmungsüberwachung bei Tieren und Menschen;(19) respiratory monitoring in animals and humans;
(20) He Im-Radargeräte;(20) He Im radars;
(21) Personenzähler;(21) people counter;
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(22) Antikollisionssysteme für Kräne;(22) anti-collision systems for cranes;
(23) Aufzugssteuerungen;(23) elevator controls;
(24) automatische Beleuchtung;(24) automatic lighting;
(25) Plugzeug-Landebahn-Überwachung;(25) plug-in runway monitoring;
(26) Boots- und Schiffsradar sowie -Geschwindigkeitsmesser; (26) boat and ship radar and speedometer;
(27) Steiggeschwindigkeits-Anzeiger; und(27) rate of climb indicator; and
(28) Höhenmesser.(28) altimeter.
Obwohl der erfindungsgemäße Mikrowellenempfänger in erster Linie als Miniatur-Doppler-Radarempfänger verwendet werden soll, ist sein Einsatz auch in Analogsystemen möglich. Beispielswelse kann er als Empfänger in einem Mikrowellen-Nachrichtenübertragungssystem (z. B. zur Sprechübertragung) verwendet werden. In diesem Fall ist das von dem Zielobjekt stammende Empfangssignal ein z. B. mit der Information amplitudenmoduliertes Signal aus einem fernen Sender. Hierbei müssen ein Bezugssignal-Überlagerungsoszillator und die Tordurchschaltung beispielsweise durch den Empfang von Funkbefehlsimpulsen aus einer zentralen Steuereinheit oder durch eine Servo-Nachlaufeinrichtung synchronisiert werden. Eine derartige Anordnung ist in einer sehr lauten Umgebung vorteilhaft, wo. ein Gehörschutz (z. B. durch Helme) notwendig ist.Although the microwave receiver according to the invention in primarily used as a miniature Doppler radar receiver it can also be used in analog systems. For example, it can act as a receiver in a microwave communications system (e.g. for speech transmission). In this case it is from the target object originating received signal a z. B. with the information amplitude-modulated signal from a remote transmitter. Here must have a reference signal local oscillator and the gate connection, for example by receiving radio command pulses can be synchronized from a central control unit or by a servo tracking device. One such an arrangement is advantageous in a very noisy environment where. hearing protection (e.g. through helmets) is necessary is.
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