Anordnung zur Funkortung oder Funküberwachung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Funkortung oder Funküberwachung, mit mindestens einem Sender zur Erzeugung eines hochfrequenten, oberwellenarmen Abfragesignals, mit einem das empfangene Abfragesignal frequenzumsetzenden Empfängersender an der zu ortenden bzw. zu überwachenden Stelle und einem auf das durch die Umsetzung erzeugte Antwortsignal abgestimmten Empfänger auf der Abfrageseite.
Zum Orten vorbestimmter Körper ist es bereits bekannt, die zu ortenden Körper, wie Flugzeuge oder Schiffe, mit einem Empfängersender zu versehen, der die vom Sender am Suchort ausgesandte Strahlung empfängt und entsprechend moduliert wieder abstrahlt. Die Modulation erfolgt mit einem periodisch betätigten Oszillator im Empfängersender. Am Suchort ist ein Empfänger angeordnet, der auf die zu erwartende Mischfrequenz, beispielsweise eines der beiden entstehenden Seitenbänder, anspricht. Derartige Ortungsanlagen sind unter dem Begriff Sekundär-Radaranlagen bekannt.
Anordnungen dieser Art zum Orten von Körpern weisen alle einen aktiven, d. h. mit einer Spannungsquelle versehenen Empfängersender auf und sind demnach entsprechend aufwendig und wartungsbedürftig.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, deren Empfängersender einfach und wartungsfrei ausgebildet ist.
Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass der Empfängersender als passives Netzwerk ausgebildet ist, welches einen Schwingkreis und ein daran angeschlossenes passives nichtlineares Element enthält, das aus der empfangenen Grundwelle durch Verzerrung unmittelbar eine Oberwelle erzeugt.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein mit einem nichtlinearen Element verbundener Schwingkreis, der durch elektromagnetische Schwingungen auf seiner Grundfrequenz angeregt wird, Oberwellen dieser Grundfrequenz abstrahlt. Diese Oberwellen lassen sich auf einfache Weise zum Orten des Empfängersenders bzw. eines mit ihm verbundenen Körpers verwenden. Der Sender auf der Abfrageseite muss zu diesem Zweck allerdings oberwellenarme Wellen aussenden, was auf bekannte Weise erreicht wird.
Durch die äusserst einfache Gestaltung des Empfängersenders als passive Schaltungsanordnung und die dadurch bedingten niedrigen Herstellungskosten, die Wartungsfreiheit und den geringen Raumbedarf eröffnen sich weite Anwendungsmöglichkeiten. Beispielsweise ist eine einfache und wirkungsvolle Diebstahlsicherung von Waren in einem Warenhaus dadurch möglich, dass die zu sichernden Waren mit derartigen Empfängersendern versehen werden und sämtliche Ausgänge des Warenhauses unter den Einfluss eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes mit der Eigenfrequenz des Schwingkreises des Empfängersenders gebracht werden und mit Empfängern für eine oder mehrere Oberwellen dieser Grundwelle ausgerüstet sind. Dieser Empfänger spricht immer dann an, wenn eine mit einem derartigen Empfängersender verbundene Ware an einen der Ausgänge gebracht wird.
Die Empfängersender werden nur von den bezahlten Waren entfernt oder an der Kasse entwertet. Ausserdem ist die erfindungsgemässe Anordnung auch geeignet, Flugzeuge, Satelliten, Schiffe, Schiffbrüchige, Lawinenopfer, Bergwerkskatastrophenopfer usw. zu orten. Weiterhin ist die Möglichkeit gegeben, einen Betrieb oder eine Behörde auf unbefugte Besucher zu überprüfen, wenn die Angehörigen und Inhaber von Passagierscheinen einen erfindungsgemässen Empfängersender tragen und das Fehlen eines Signals beim Passieren einer Schranke als Anzeige für eine zu kontrollierende Person herangezogen wird. Gegenüber der Ortung durch die bekannten Sekundärradaranlagen sind mit der erfindungsgemässen Anordnung auch kurze Entfernungen erfassbar. Ausserdem lassen sich die zu erfassenden Körper auswählen.
Der wesentliche Vorteil der Anordnung nach der Erfindung liegt darin, dass der Empfängersender äusserst einfach, wartungsfrei und mit minimalen Kosten herstellbar ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Empfängersenders ist dadurch gegeben, dass das passive nicht lineare Element eine Diode ist. Eine Diode hat hier den Vorteil, dass sie nur sehr geringen Raum einnimmt und zu geringen Verlusten führt.
Es ist günstig, wenn die Sende- und Empfangsantenne auf der Abfrageseite als Richtantennen ausgebildet sind. Auf diese Weise wird es ermöglicht, dass der Raum, in dem bei Auftreten eines Empfängersenders ein Signal ausgelöst wird, beliebig begrenzbar ist.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Antennen drehbar ausgeführt sind. Dadurch wird es ermöglicht, verschiedene Teile des Raumes zeitlich nacheinander abzutasten. Beispielsweise kann in der Verwendung in einem Warenhaus ein Sender vorgesehen sein, mit dem mehrere Ausgänge durch Drehen der Sendeantenne zeitlich nacheinander abgetastet werden.
Ausserdem ist es günstig, wenn das nichtlineare Element abschaltbar ist. Dadurch kann die Wirkung des Empfängersenders bewusst ausser Funktion gesetzt werden. Dieses Abschalten ist beispielsweise bei einer Diode dadurch möglich, dass diese in Durchlassrichtung mit einem Gleichstrom beschickt wird. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise Kraftfahrzeuge mit einer Diebstahlsicherung, die vom Besitzer des Kraftfahrzeuges ausser Betrieb setzbar ist, ausstatten. An dem Kraftfahrzeug wird ein erfindungsgemässer Empfängersender angebracht, der im ungedämpften Zustand beim Durchfahren bestimmter Kontrollstellen Alarm auslöst. Der Besitzer des Kraftfahrzeuges kann jedoch durch einen nur ihm bekannten Schalter den Empfängersender soweit bedämpfen, dass eine Alarmgabe unterbleibt.
Weiterhin ist es günstig, Schiffe oder Flugzeuge mit abschaltbaren Empfängersendern zu versehen, die im Normalfall abgeschaltet sind und erst im Fall einer Katastrophe wirksam werden. Dadurch kann das Auffinden gesunkener Schiffe oder verlorener Flugzeuge erleichtert werden.
Für viele Zwecke, beispielsweise bei der beschriebenen Warensicherung in Warenhäusern, besteht das Bedürfnis, die Empfängersender, nachdem sie ihren Dienst erfüllt haben, zu entwerten. Das kann auf einfacheWeise dadurch erfolgen, dass dieser durch gewollte Überlastung seines nichtlinearen Elementes entwertet wird. Diese Entwertung kann beispielsweise durch ein Hochfrequenzfeld oder durch andere zerstörende Einflussmöglichkeiten, wie Hitze, Röntgenstrahlen, mechanische oder chemische Zerstörung erreicht werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn zwei räumlich voneinander getrennte Sender auf der Abfrageseite vorgesehen sind. Insbesondere bei Verwendung von Frequenzen in der Grössenordnung von 100 lflz und darüber, hängt die am Empfängersender ankommende Senderleistung sehr stark davon ab, ob zwischen dem Sender auf der Abfrageseite und dem Empfängersender ein Körper lag, den die Strahlung zu durchdringen hatte.
In dem Beispiel der Sicherung von Waren in einem Warenhaus besteht immer die Gefahr, dass der Empfängersender an der dem Sender abgewandten Seite der ihn tragenden Person gehalten wird. Dadurch kann die Empfangsfeldstärke im Empfänger auf der Abfrageseite in einem breiten Amplitudenbereich liegen. Bei der Verwendung von wenigstens zwei räumlich voneinander getrennten Sendern auf der Abfrageseite ist dieser Nachteil weitgehend ausgeschaltet. In der Regel trifft stets Strahlung von einem der Sender voll auf den Empfängersender auf. Dadurch werden die Schwankungen der Empfangsfeldstärke am Empfänger wesentlich verkleinert und das nichtlineare Element stets wirksam ausgesteuert.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn auf der Abfrageseite mehrere voneinander räumlich getrennte Empfänger vorgesehen sind. Durch die Anordnung von mehr als einem Empfänger wird in ähnlicher Weise bei der Verwendung von mehr als einem Sender die Gefahr beträchtlich vermindert, dass die Empfangsfeldstärke am Empfänger durch einen die vom Empfängersender ausgehende Strahlung dämpfenden Körper stark verkleinert wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Empfängersenders liegt darin, dass wenigstens der Schwingkreis und seine Verbindungsleitungen auf einem Isolierstoffkörper in Form von elektrischen Leiterbahnen aufgebracht sind. Durch diese Ausführung wird eine einfache Herstellung des Empfängersenders und damit ein niedriger Preis, wie er bei der Verwendung zur Sicherung einer grossen Anzahl von Gegenständen erforderlich ist, gewährleistet. Ausserdem ist damit der Vorteil gegeben, dass der Empfängersender auf sehr kleinem Raum unterzubringen ist und sehr geringes Gewicht aufweist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gegeben, dass das nichtlineare Element in einer in dem Isolierstoffkörper angebrachten Ausnehmung angeordnet ist.
Dadurch weist der Empfängersender keine vorstehenden Teile auf, die leicht beschädigt werden können.
Ausserdem ist es vorteilhaft, wenn an den Schwingkreis eine Antenne angeschlossen ist. Dadurch wird die Strahlungsleistung des Empfängersenders beträchtlich erhöht.
Es ist dabei vorteilhaft, wenn die Antenne ebenfalls als, vorzugsweise geradlinige, Leiterbahn auf den Isolierstoffkörper aufgebracht ist.
Es ist günstig, wenn die Antenne an ihrem freien Ende mit einer Dachkapazität versehen ist. Durch eine derartige Dachkapazität kann die Antennenlänge ohne Verlust an Abstrahlleistung verkürzt werden. Dadurch wird der Raumbedarf des Empfängersenders verkleinert.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn der Isolierstoffkörper im Bereich der auf diesen aufgetragenen Dachkapazität durchbohrt ist, und wenn durch diese Bohrung eine elektrisch leitfähige Aufhängeöse geführt ist.
Durch eine derartige Aufhängeöse wird die effektive Antennenlänge und damit die Abstrahlleistung weiterhin vergrössert.
Eine vorteilhafte Ausbildung des Empfängersenders ist dadurch gegeben, dass an dem dem Anschlusspunkt der Antenne gegenüberliegenden Fusspunkt des Schwingkreises ein als Gegengewicht wirkendes Leiterstück angeordnet ist. Ein derartiges Gegengewicht, das als künstliche Erdung dient, führt zu einem günstigen Abstrahlverhalten des Schwingkreises und der Antenne.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn das nichtlineare Element über ein als Induktivität dienendes Leiterstück an den Schwingkreis angeschlossen ist. Durch diese zusätzliche Induktivität kann eine einfache Anpassung des nichtlinearen Elementes an den Schwingkreis erzielt werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemässen Anordnung;
Fig. 2 die Anordnung von gleichzeitig zwei Sendern und einem oder zwei Empfängern am Suchort, d. h. auf der Abfrageseite;
Fig. 3 die Vorderseite eines als Plakette ausgeführten Empfängersenders;
Fig. 4 die Rückseite des Empfängersenders nach Fig. 3, und
Fig. 5 ein Ersatzschaltbild eines Empfängersenders nach den Fig. 3 und 4.
Das in Fig. 1 dargestellte Schaltbild zeigt einen Sender S und einen Empfänger E, die beide am Suchort angeordnet sind. Sowohl der Empfänger S als auch der Sender E sind mit einer Richtantenne versehen. Ein Empfängersender U ist in Form eines Parallelschwingkreis es und einer diesem parallelgeschalteten Diode D dargestellt. Die Diode D erfüllt die Aufgabe des nichtlinearen Elementes.
Der Sender S arbeitet auf der Frequenz fo. Dies ist die Eigenfrequenz des Parallelschwingkreises. Der Empfänger E ist zum Empfang einer Oberwelle der Schwingung mit der Frequenz fo ausgebildet. Die Oberwelle kann ganz allgemein die doppelte, dreifache oder nfache Frequenz aufweisen. Damit die stets am Empfängerort herrschende Strahlung aus dem Sender S wirksam unterdrückt wird, ist der Empfänger beispielsweise mit einem Hochpass versehen. Die durch den Empfänger festgestellte Oberwelle der Frequenz fo kann durch eine nicht dargestellte, dem Fachmann geläufige Anordnung ausgewertet werden. Eine sehr einfache Auswerteschaltung erhält man, wenn die Sendestrahlung bereits mit einer Schwingung im Hörbereich moduliert ist, die im Empfänger dann nur noch ausgefiltert zu werden braucht.
Es sei hier noch bemerkt, dass der Sender S mit einem Tiefpass oder einer ähnlichen Schaltung versehen ist, um die Grundfrequenz fo möglichst oberwellenarm abzustrahlen.
Die Wahl der Frequenz des Senders hängt von der Verwendung der gesamten Anordnung ab. So wird man beispielsweise in einem Anwendungsfall, in dem möglichst kleine Empfängersender wünschenswert sind, in einem Frequenzbereich in der Grössenordnung von 100 MHz und darüber gehen. Dagegen wird man bei der Ortung versunkener Schiffe oder unter der Erde bzw.
unter Schnee Verschütteter relativ niedrige Frequenzen benutzen, da diese weniger stark gedämpft werden.
In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung mit zwei Sendern S1 und S2 und einem Empfänger E dargestellt. Sowohl die beiden Sender S1 und S2 als auch der Empfänger E sind mit Riciltanten- nen versehen. Die beiden Sender sind so gegeneinander ausgerichtet, dass sich ihre Hauptkeulen etwa im Bereich der Ebene, die den Raum zwischen ihnen halbiert, schneiden. In dieser Ebene ist auch der Empfänger E angeordnet. Die relative Lage des Empfängers E zu den beiden Sendern S1 und S2 hängt weitgehend von dem Verwendungszweck und der Ausbildung des Raumes, in dem die Schaltungsanordnung angeordnet werden soll, ab. Einen weiteren Einfluss auf die Lage des Empfängers und die gegenseitige Ausrichtung der Sender kann eine unterschiedliche Wahrscheinlichkeit des Auftretens von zu ortenden Körpern an bestimmten Stellen des Raumes haben.
Beispielsweise bei der Warensicherung in einem Warenhaus kann eine unterschiedliche Wahrscheinlichkeit dadurch auftreten, dass der zu erwartende Besucherstrom auf den Ausgang, beispielsweise durch bestimmte herumstehende Gegenstände, unsymmetrisch verteilt ist. Der Empfänger E ist, wie aus Fig. 2 nicht ersichtlich ist, in der Regel nicht in gleicher Höhe wie die beiden Sender S1 und S2 angeordnet.
In Fig. 2 sind in unterbrochener Linie zwei weitere Empfänger E' und E" eingezeichnet, die an die Stelle des beschriebenen Empfängers E treten können. Die Anordnung dieser Empfänger E' und E" zu den beiden Sendern S1 und S2 ist etwa symmetrisch.
Die beiden Sender S1 und S2 arbeiten auf der Frequenz fo. Sie sind durch entsprechende Filter weitgehend von Oberwellen befreit. Die Empfänger E bzw.
E' und E" sind auf eine Oberwelle der Frequenz fo, vorzugsweise 2fo, abgestimmt. Die Anordnung von zwei Sendern S1 und S2 gegenüber nur einem Sender, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, hat den Vorteil, dass die Feldstärke der elektromagnetischen Strahlung mit der Frequenz fo im Bereich des Empfängersenders nahezu konstant ist. Eine weitgehende Abweichung tritt bei einem Sender dann auf, wenn sich zwischen dem Sender S und dem Empfängersender U ein die Strahlung dämpfender Körper befindet. Ein derartiger dämpfender Körper kann beispielsweise eine den Empfängersender tragende Person oder ein mit dem Empfängersender verbundener Gegenstand sein. Eine weitere Einengung des Amplitudenbereiches der Feldstärken der Oberwellenstrahlungen wird durch die angegebene Anordnung von zwei Empfängern E' und E" erreicht.
Durch diese beiden Empfänger wird über die Empfangsfeldstärke der von dem Empfängersender U ausgesandten Oberwelle an zwei Orten des Raumes gemittelt. Die Wahrscheinlichkeit, dass zwischen dem Empfängersender U und beiden Empfängern E' und E" ein die zu empfangende Strahlung dämpfender Körper liegt, ist weitaus geringer als die Wahrscheinlichkeit, dass ein einzelner Empfänger abgeschattet wird.
Die Fig. 3 und 4 zeigen die Ausbildung eines Empfängersenders U mit auf einem Isolierstoffkörper aufgedruckten Leiterbahnen und eines in ihm eingebetteten nichtlinearen Elementes. Der Isolierstoffkörper ist als Isolierstoffplatte 1 ausgeführt. Auf seiner Vorderseite sind, wie Fig. 3 zeigt, die Leiterbahnen aufgetragen.
Diese Leiterbahnen stellen im wesentlichen einen aus einer Induktivität 2 und einem Kondensator 3 bestehenden Parallelschwingkreis, eine weitere Induktivität 4, ein Gegengewicht 5 und eine Antenne 6 dar. An Anschlusspunkten 7 und 7' ist die Isolierstoffplatte 1 durchbohrt. Im Bereich dieser Anschlusspunkte 7 und 7' ist die Isolierstoffplatte 1 auf ihrer Rückseite, wie Fig. 4 zeigt, mit einer Aussparung 8 versehen, in die eine Diode 9 eingesetzt und mit den Anschlusspunkten 7, 7' verbunden ist. Diese Diode 9 stellt das nichtlineare Element der Schaltung dar. Die als Antenne 6 dienende Leiterbahn ist an ihrem freien Ende mit einer Erweiterung in Form von zwei geradlinigen Leiterbahnen und einer als kreisförmige Leiterscheibe ausgebildeten Dachkapazität 10 versehen. Die Isolierstoffplatte 1 ist im Mittelpunkt der Leiterscheibe durchbohrt.
Durch diese Bohrung ist eine elektrisch leitende Öse 11 geführt, die mit der Leiterscheibe in leitender Verbindung steht.
Es sei hier bemerkt, dass die Forderungen an die elektrische Leitfähigkeit dieser Öse nicht sehr hoch sind.
Für Frequenzen im Bereich von 100 MHz kann auch ein Kunststoffband mit hoher Dielektrizitätskonstante venvendet werden. Auch die elektrische Verbindung der Öse mit der Leiterscheibe kann sehr lose erfolgen. Es muss lediglich ein genügend geringer Abstand vorhanden sein, um eine kapazitive Kopplung zu sichern.
Sowohl die Dachkapazität 10 als auch die Öse 11 bewirken eine Verlängerung der Antenne 6 und dadurch eine erhöhte Abstrahlleistung.
In Fig. 5 ist ein Ersatzschaltbild der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Schaltungsanordnung wiedergegeben. Entsprechende Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Kondensator 3 ist mit der Induktivität 2 zu einem Parallelschwingkreis verbunden. Das Gegengewicht 5 am Fusspunkt des Parallelschwingkreises wirkt bezüglich der Antenne als Erdung.
An dem dieser Erdung 5 gegenüberliegenden Anschluss des Parallelschwingkreises ist die Antenne 6 und die weitere Induktivität 4 angeschlossen. Die weitere Induktivität 4 ist über die Diode 9 mit dem Fusspunkt des Parallelschwingkreises verbunden.
Der aus der Induktivität 2 und dem Kondensator 3 bestehende Parallelschwingkreis ist auf die Frequenz fo abgestimmt, auf der die Sender S bzw. S1 und S2 am Suchort arbeiten. Die zusätzliche Induktivität 4 dient zur Anpassung der Diode 9 an den Parallelschwingkreis. Durch Anregen des Parallelschwingkreises mit seiner Grundfrequenz fo wird dieser in Schwingung versetzt. Die dem Schwingkreis parallel liegende Diode 9 sorgt durch ihre nichtlineare Kennlinie dafür, dass die entstehende Schwingung in ihrer Sinusform verzerrt wird. Dadurch entstehen neben der Anregungsfrequenz fo auch Oberschwingungen. Das Frequenzgemisch wird teilweise über den Parallelschwingkreis selbst, zum grossen Teil jedoch durch die Antenne 6 abgestrahlt.
Die Isolierstoffplatte ist als Kunststoffplatte ausgeführt, wie sie üblicherweise als Träger für gedruckte Schaltungen dient. Jedoch sind beliebige Träger für die beschriebenen Leiterbahnen denkbar, die eine genügende Isolierwirkung aufweisen. Insbesondere wird als Träger für die Leiterbahnen auch Papier oder eine dünne I(unststoffolie in Betracht gezogen. Die als besonderes Bauelement dargestellte Diode lässt sich auch in integrierter Form auf den Isolierstoffkörper a bringen. Das kann auf übliche Weise erfolgen. So ist es beispielsweise möglich, Wertpapiere mit einem derartigen Empfängersender zu bedrucken, um sie leicht auf ihre Echtheit überprüfen zu können. Die Leiterbahnen lassen sich auf den Isolierstoffkörper in bekannter Weise, beispielsweise nach bekannten Fotoätzverfahren aufbringen. Insbesondere ist das nichtlineare Element nicht auf eine Diode beschränkt.
Es kommt praktisch jedes passive nichtlineare Element in Frage. Beispielsweise kommen auch magnetische Materialien in Betracht,- die in enger Nachbarschaft mit ausgewählten Leiterbahnen entweder auf den Is olierstoffkörp er aufgebracht oder in ihm eingebettet sein können. Die Grösse einer derartigen Schaltungsanordnung wird im wesentlichen bestimmt durch die verwendete Grundfrequenz. Die dargestellte Isolierstoffplatte ist in den gewählten Abmessungen für etwa ein GHz ausgelegt. Dagegen wird man bei der Ortung versunkener Schiffe oder unter der Erde bzw. unter Schnee Verschütteter relativ niedrige Frequenzen benutzen, da diese weniger stark gedämpft werden. Die erforderlichen Empfängersender werden dadurch entsprechend vergrössert.
Damit die stets am Empfangsort herrschende Strahlung aus den Sendern S bzw. S1 und S2 wirksam unterdrückt wird, sind die Empfänger E bzw. E' und E" beispielsweise mit einem Hochpass versehen. Entsprechend sind die Sender S bzw. S1 und S2 beispielsweise mit einem Tiefpass versehen, um möglichst oberwellenarme Wellen auszusenden. Die durch den Empfänger festgestellte Oberwelle mit der Frequenz n fo kann durch eine nicht dargestellte, dem Fachmann geläufige Anordnung ausgewertet werden. Eine sehr einfache Auswerteschaltung erhält man, wenn die Sendestrahlung bereits mit einer Schwingung im Hörbereich moduliert ist, die im Empfänger dann nur noch ausgefiltert zu werden braucht.