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Stand der Technik
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Für Mikrowellensysteme, wie sie beispielsweise in Radareinrichtungen für Kraftfahrzeuge verwendet werden, besteht eine Messmethode darin, einen gebündelten Mikrowellenstrahl über einen Sichtbereich zu führen und dabei mittels der Mikrowellenstrahlung eine Umgebung abzutasten. Dafür wird eine Antenne benötigt, die in einen eng definierten Raum abstrahlt. Zusätzlich muss sich auch die Raumrichtung der Abstrahlung verändern lassen, damit der Sichtbereich abgetastet („gescannt”) werden kann. Antennen bzw. Antennensysteme, die diese Anforderung erfüllen, werden Scanner genannt.
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Um ein mechanisches Bewegen der Antenne zu vermeiden, kann die Tatsache ausgenutzt werden, dass in Wellenleitern die elektromagnetische Ausbreitungswellenlänge von der Frequenz abhängt. Bei Verwendung eines geeigneten Wellenleiters können unterschiedliche elektromagnetische Wellen, die aus derselben elektromagnetischen Strahlungsquelle stammen, derart überlagert werden, dass die Abstrahlrichtung der überlagerten Wellen von der Frequenz abhängt. Eine solche Antenne wird Frequenzscanner („frequency scanning array”) genannt.
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DE 10 2007 045 013 A1 zeigt eine Radareinrichtung zum alternativen Abtasten eines Fernbereichs mittels eines kontinuierlichen modulierten Radarsignals oder eines Nahbereichs mittels eines gepulsten modulierten Radarsignals.
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DE 37 38 705 A1 zeigt eine Anordnung zur Veränderung der Abstrahlcharakteristik einer Mikrowellenantenne mittels einer Linsenanordnung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sendevorrichtung anzugeben, mittels derer auf einfache Weise unterschiedliche Abstrahlcharakteristiken erzielt werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung löst dieses Problem durch die Sendevorrichtung mit Merkmalen von Anspruch 1. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen an.
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Erfindungsgemäß umfasst eine Sendevorrichtung für elektromagnetische Strahlung einen Hohlleiter mit einem Eingang zum Einspeisen einer elektromagnetischen Welle, wobei der Hohlleiter mehrere Öffnungen aufweist, um die elektromagnetische Welle aus dem Hohlleiter austreten zu lassen. Zum selektiven Verschließen wenigstens einer der Öffnungen gegenüber der elektromagnetischen Welle ist ein ansteuerbares Verschlusselement vorgesehen.
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Durch selektives Öffnen bzw. Verschließen einer oder mehrerer Öffnungen des Hohlleiters lässt sich die Abstrahlcharakteristik der Sendevorrichtung gezielt beeinflussen. Insbesondere können in Abhängigkeit einer Ansteuerung des Verschlusselements wenigstens zwei Abstrahlcharakteristiken erzielt werden, die sich in ihren Ausdehnungen, etwa in ihren Öffnungswinkeln und/oder Reichweiten, unterscheiden. Dadurch kann auf einfache Weise ein Mikrowellensystem aufgebaut sein, welches je nach Ansteuerung des Verschlusselements unterschiedliche räumliche Gebiete abtastet.
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Bevorzugterweise ist dabei eine erste Abstrahlcharakteristik schmaler mit größerem Antennengewinn als eine zweite Abstrahlcharakteristik. Ein Abtasten in einem Fernbereich kann mittels der ersten Abstrahlcharakteristik in einem relativ schmalen Sichtbereich erfolgen, während das Abtasten in einem nahen Bereich mittels der zweiten Abstrahlcharakteristik in einem breiteren Sichtbereich erfolgen kann.
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Die Öffnungen können derart im Hohlleiter angeordnet sein, dass eine Abstrahlrichtung der elektromagnetischen Strahlung von der Frequenz der Strahlung abhängig ist. Dadurch kann auf einfache Weise ein Scanner aufgebaut sein, bei dem die relativ häufige Änderung der Abstrahlrichtung ohne Veränderung mechanischer Komponenten über die Frequenz durchgeführt wird, während die wesentlich seltenere Umschaltung zwischen einem Nah- und einem Fernbereich mittels des Verschlusselements bewerkstelligt ist.
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Das Verschlusselement kann dazu eingerichtet sein, wenigstens eine der Öffnungen nur partiell zu verschließen. Durch das partielle Verschließen kann eine Reduzierung der Abstrahlung der elektromagnetischen Welle an der betroffenen Öffnung erzielt werden, wobei die Reduzierung vom Grad des Verschließens abhängig ist. Dadurch lässt sich die Abstrahlcharakteristik vorteilhafterweise besonders genau steuern.
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Das Verschlusselement kann dazu eingerichtet sein, mehrere der Öffnungen gleichmäßig zu verschließen. Das Verschlusselement kann einen mechanischen Schieber umfassen, der beispielsweise in einer senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Strahlung stehenden Richtung verdreht oder verschoben werden kann. Durch Vorsehen entsprechender Perforationen im Schieber können auf einfache Weise mehrere Konstellationen geöffneter und verschlossener Öffnungen realisiert sein, so dass in unterschiedlichen Stellungen des Schiebers eine Vielzahl unterschiedlicher Abstrahlcharakteristiken bereitgestellt sein können.
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Die Öffnungen können in einer Reihe angeordnet sein. Dadurch wird die austretende elektromagnetische Strahlung in einer Richtung senkrecht zur Ausdehnungsrichtung der Reihe unabhängig von der Frequenz der elektromagnetischen Strahlung und der Ansteuerung des Verschlusselements nicht beeinflusst. Diese Ausführungsform ist insbesondere vorteilhaft für einen typischen Scanner mit konstantem Elevationswinkel. Die Öffnungen können gleichmäßig beabstandet sein, wodurch vorteilhafterweise eine Symmetrie der Abstrahlcharakteristik bezüglich der Abstrahlrichtung erreicht bzw. verbessert werden kann.
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Die elektromagnetische Strahlung kann eine Radarstrahlung sein.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
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1 eine Sendevorrichtung für elektromagnetische Strahlung;
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2 unterschiedliche Abstrahlcharakteristiken der Sendevorrichtung aus 1; und
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3 die Sendevorrichtung aus 1 mit selektiv verschlossenen Öffnungen darstellt.
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Beschreibung der Figuren
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1 zeigt eine Sendevorrichtung 100 für elektromagnetische Strahlung in einer Explosionsdarstellung. Die Sendevorrichtung 100 umfasst einen Hohlleiter 110 mit einem Oberteil 112 und einem Unterteil 115. Im Betrieb liegen die Teile 112 und 115 aufeinander, wie durch die vertikalen Pfeile angedeutet ist. Zueinander korrespondierende Vertiefungen in den beiden Teilen 112, 115 bilden einen Mäander 130, der an Eingängen 140 am Rand des Hohlleiters 110 endet. Einer der Eingänge 130 ist prinzipiell ausreichend, der zweite dargestellte Eingang 130 ist optional. In das Oberteil 112 ist eine Reihe Öffnungen 120 in vertikaler Richtung eingebracht, wobei jede der Öffnungen 120 an einer anderen Stelle auf den Mäander 130 trifft.
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Die Sendevorrichtung 100 kann in der gezeigten Weise etwa aus zwei Platten 112, 115, etwa aus Messing oder einem anderen Metall, aufgebaut sein oder auch auf eine andere Weise so geformt sein, dass sich ein entsprechender Wellenleiter ergibt.
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Durch einen oder beide der Eingänge 130 kann mittels eines Überganges (nicht gezeigt) eine elektromagnetische Welle in den Mäander 130 eingekoppelt werden. Die elektromagnetische Welle pflanzt sich entlang des Mäanders 130 fort und tritt teilweise durch die Öffnungen 120 nach oben aus. Jede aus den Öffnungen 120 austretende Mikrowellenstrahlung hat eine charakteristische Distanz zum verwendeten Eingang, welche die Phasenlage der austretenden Mikrowellenstrahlung beeinflusst. Form, Größe und Anordnung der Öffnungen 120 sind vorzugsweise derart gewählt, dass jede der Öffnungen 120 als eine punktförmige Quelle elektromagnetischer Strahlung modelliert werden kann. Die Öffnungen 120 können mit einem Material ausgefüllt sein, welches für die elektromagnetische Strahlung durchlässig ist, um ein Eintreten von Fremdkörpern in den Hohlleiter 110 zu verhindern.
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Der Mäander 130 ist zwischen den Öffnungen 120 derart geformt, dass sich die durch die Öffnungen 120 austretenden Mikrowellenstrahlungen oberhalb der Sendevorrichtung 100 entsprechend ihrer Phasenlagen überlagern, so dass mittels positiver und negativer Interferenz insgesamt eine Abstrahlcharakteristik und eine Abstrahlrichtung der elektromagnetischen Strahlung bewirkt wird.
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In die Sendevorrichtung 100 wird vorzugsweise periodisch frequenzmodulierte elektromagnetische Hochfrequenz eingestrahlt, so dass eine Abstrahlcharakteristik, die sich aufgrund der aus den Öffnungen 120 austretenden interferierenden Strahlung bildet, frequenzabhängig ist. Insbesondere ist bevorzugt, dass die Öffnungen 120 derart mit dem Mäander 130 und der frequenzmodulierten Strahlung abgestimmt sind, dass die Abstrahlcharakteristik der Sendevorrichtung 100 eine frequenzgesteuerte Richtung bezüglich der z-Achse einnimmt. Die Richtung ändert sich aufgrund der periodisch gesteuerten Hochfrequenz periodisch, so dass elektromagnetische Strahlung in einen Sichtbereich der Sendevorrichtung 100 abgestrahlt wird. Reflektionen dieser Strahlung können den gleichen Weg in umgekehrter Richtung durchlaufen und von einem Übergang an einem der Eingänge 130 aufgenommen werden, so dass mittels eines Vergleichs der gesendeten mit der empfangenen Hochfrequenz ein Rückschluss auf Objekte im Sichtbereich möglich ist.
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Um unterschiedliche Abstrahlcharakteristiken der Sendevorrichtung 100 zu realisieren, sind einzelne der Öffnungen 120 gegenüber der in den Mäander 130 eingestrahlten Mikrowellenstrahlung verschließbar ausgeführt. Dies kann durch eine mikrowellendichte Blende erfolgen, die vor eine oder mehrere der Öffnungen 120 verbracht werden kann. Die Blende kann eine oder mehrere der Öffnungen 120 je nach Stellung freigeben oder verschließen, so dass die aus den Öffnungen 120 austretende Mikrowellenstrahlung von der Stellung der Blende abhängig ist. Die Blende kann bezüglich der Öffnungen 120 verschieb-, dreh- oder klappbar sein und etwa aus einer Metallplatte bestehen. Unterschiedlich große Öffnungen in der Blende, die ganz oder teilweise mit den Öffnungen 120 in Deckung gebracht werden können, können eine vollständige oder teilweise Freigabe jeder der Öffnungen 120 bewirken. Die Blende kann ausgebildet sein, mehreren unterschiedlichen Stellungen mehrere vorbestimmte Muster von freigegebenen Öffnungen 120 zu ermöglichen, die zu mehreren vorbestimmten Abstrahlcharakteristiken der Sendeeinrichtung 100 korrespondieren.
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In einer anderen Ausführungsform ist anstelle eines mechanischen Verschlusses ein mittels eines elektrischen oder optischen Signals unmittelbar steuerbarer Verschluss vorgesehen. Beispielsweise kann ein Halbleiter vor einer der Öffnungen 120 angeordnet und mittels einer Steuerspannung in unterschiedliche Leitfähigkeiten gebracht werden, so dass er Mikrowellenstrahlung in Abhängigkeit seines Leitwertes aus der Öffnung 120 entlässt. Vor jeder der Öffnungen kann ein individuell steuerbares Verschlusselement angeordnet sein, so dass sich unterschiedliche Abstrahlcharakteristiken einstellen lassen, ohne eine mechanische Bewegung an der Sendevorrichtung 100 durchführen zu müssen. In einer weiteren Ausführungsform kann die Steuerung des Leitwertes – und damit der Permissivität gegenüber Mikrowellenstrahlung – synchronisiert mit der Frequenzmodulation der in den Eingang 140 eingestrahlten elektromagnetischen Welle erfolgen, um eine von der Ausrichtung der abgegebenen Strahlung abhängige Bündelung der resuliterenden Abstrahlcharakteristik zu erzielen.
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2 zeigt unterschiedliche Abstrahlcharakteristiken der Sendevorrichtung 100 aus 1. Eine erste Abstrahlcharakteristik 210 und eine zweite Abstrahlcharakteristik 220 sind in ein polares Koordinatensystem eingezeichnet. Ein zusätzlich angegebenes kartesisches Koordinatensystem erleichtert die Bezugnahme auf die Darstellung von 1.
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Die Sendevorrichtung 100 ist nicht explizit dargestellt und befindet sich im Ursprung des polaren Koordinatensystems. Die 0°-Richtung entspricht der y-Richtung in 1, die 90°-Richtung entspricht der x-Richtung in 1. Für beide Abstrahlcharakteristiken 210 und 220 gilt, dass ein Punkt auf der Außenlinie definiert ist durch eine Richtung im polaren Koordinatensystem und durch einen Abstand vom Ursprung des polaren Koordinatensystems, wobei der Abstand des Punkts einer Signalstärke entspricht. So ist aus den eingezeichneten Abstahlcharakteristiken 210, 220 jeweils die bevorzugte Abstrahlrichtung und eine zugehörige räumliche Verteilung der Abstrahlung ablesbar. In einer typischen Applikation, beispielsweise in einem Scanner-Radar eines Kraftfahrzeugs, entspricht die Darstellung von 2 einer Ansicht von oben.
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Beide Abstrahlcharakteristiken 210 und 220 sind im Wesentlichen symmetrisch zur 0°-Richtung. Der maximale Öffnungswinkel der dargestellten ersten Abstrahlrichtung 210 beträgt etwa 12°, während der maximale Öffnungswinkel der zweiten Abstrahlcharakteristik 220 etwa 60° beträgt. Die höchste Signalstärke der ersten Abstrahlcharakteristik 210 in der 0°-Richtung ist beinahe doppelt so groß wie die höchste Signalstärke der zweiten Abstrahlcharakteristik 220 in der gleichen Richtung. Die erste Abstrahlcharakteristik 210 eignet sich somit in besonderer Weise für eine Abtastung eines entfernten Ziels, beispielsweise mittels eines Fernbereichradars (long range radar, LRR). Die zweite Abstrahlcharakteristik 220 eignet sich besser für eine Nahbereichsabtastung, beispielsweise mittels eines Mittelbereichs – oder Nahbereichsradars (medium range radar, MRR, bzw. short range radar, SRR).
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Eine Änderung der Abstrahlrichtung mittels Änderung der Frequenz der elektromagnetischen Strahlung wie oben mit Bezug auf 1 beschrieben ist, kann in der gegebenen Polardarstellung durch ein Drehen der jeweiligen Abstrahlcharakteristik 210, 220 um den Ursprung des polaren Koordinatensystems dargestellt werden. Üblicherweise wird bei einer solchen Richtungsänderung auch die idealisiert dargestellte Keulenform der Abstrahlcharakteristiken 210 und 220 verzerrt. Die grundsätzlichen Eigenschaften der Abstrahlcharakteristiken 210 und 220 bezüglich Öffnungswinkel und Signalstärke bleiben jedoch erhalten.
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3 zeigt die Sendevorrichtung 100 aus 1 mit selektiv verschlossenen Öffnungen 120. Die Öffnungen 120 sind exemplarisch gezeigt und entsprechen nicht den in 1 gezeigten Öffnungen 120. Die Perspektive entspricht einer Blickrichtung in 1 von unten entlang der y-Achse, also in der Richtung, in der Mikrowellenstrahlung aus den Öffnungen 120 austritt.
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Von den Öffnungen 120 im Hohlleiter 110 sind einige mittels einer Blende 310 verschlossen. Bezüglich einer Durchnummerierung in positiver x-Richtung der Öffnungen 120 in 3 von links nach rechts sind die Öffnungen 1, 2, 8, 12, 13, 17, 24 und 25 durch die Blende 310 verschlossen. Dadurch wird beispielsweise die zweite Abstrahlcharakteristik 220 in 2 realisiert. Wird die Blende 310 nach oben (in positiver z-Richtung) verschoben, so dass keine der Öffnungen 120 mehr verschlossen sind, so ergibt sich eine andere Abstrahlcharakteristik, beispielsweise die erste Abstrahlcharakteristik 210 aus 2.
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Die dargestellte Anordnung und Form der Öffnungen 120 im Hohlleiter 110 ist exemplarisch. In anderen Ausführungsformen können die Öffnungen 120 andere als die rechteckige Form aufweisen und unterschiedliche Abstände zueinander aufweisen. Die Öffnungen 120 können auch auf der in 1 dargestellten Innenfläche des Hohlleiters 110 in zwei Dimensionen (x und z) verteilt sein, statt, wie dargestellt, in einer Reihe angeordnet zu sein. Beispielsweise können die Öffnungen 120 entlang eines Kreises oder einer Ellipse angeordnet sein. Mehrere Kreise bzw. Ellipsen können konzentrisch zueinander sein.
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Die Blende 310 ist entsprechend den Öffnungen 120 ausgeformt. In weiteren Ausführungsformen kann die Blende 310 auch dazu eingerichtet sein, zusätzlich oder alternativ zu einer Verschiebung entlang der z-Achse entlang der x-Achse verschoben zu werden. Darüber hinaus kann die Blende 310 auch um die y-Achse gedreht werden. Dies ist besonders vorteilhaft bei Anordnung von Öffnungen 120 entlang von Kreisen bzw. Ellipsen, wie oben beschrieben ist. Die Blende 310 kann ausgeformt sein, mehrere Muster von verschlossenen, teilverschlossenen bzw. offenen Durchlässen 120 zu bewirken.
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In weiteren Ausführungsformen können auch mehrere Blenden 310 verwendet werden, insbesondere kann jedes zu verschließende Loch 120 über einen individuellen Schieber 120 verfügen. In einer Variante kann die Blende 310 auch durch einen Klappenmechanismus ersetzt sein. In noch einer weiteren Ausführungsform können zu verschließende Öffnungen 120 auch mittels eines anderen ansteuerbaren Verschlusselements bezüglich elektromagnetischer Strahlung selektiv verschließbar sein, beispielsweise einem Element, dessen elektromagnetische Durchlässigkeit spannungsgesteuert ist.
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Die Erfindung eignet sich insbesondere zum Aufbau eines Mikrowellen-Scanners zum Einsatz in einem Kfz-Radar, eines Bewegungs- oder Einbruchsmelders sowie weiteren Applikationen, in denen scannende Antennen im Mikrowellenbereich gewünscht sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007045013 A1 [0003]
- DE 3738705 A1 [0004]
