DE4125386A1 - Strahlungssensor - Google Patents
StrahlungssensorInfo
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- H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
- H01Q15/02—Refracting or diffracting devices, e.g. lens, prism
- H01Q15/12—Refracting or diffracting devices, e.g. lens, prism functioning also as polarisation filter
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- H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
- H01Q19/06—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using refracting or diffracting devices, e.g. lens
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- H01Q21/0006—Particular feeding systems
- H01Q21/0031—Parallel-plate fed arrays; Lens-fed arrays
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- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
- Aerials With Secondary Devices (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft einen Strahlungssensor, und zwar ins
besondere, jedoch nicht ausschließlich, eine solche Einrich
tung zum Einsatz in Radar- oder Kommunikationssystemen bei
Frequenzen im Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich von
10 GHz und höher.
Strahlungssensoren sind aus dem Stand der Technik wohlbe
kannt. Die US-PS 4 331 957 beschreibt eine Dipolantenne, die
in einer Radartranspondereinrichtung verwendet wird und zur
Lagefeststellung von Lawinenopfern und dergleichen dient. Da
bei handelt es sich um eine im wesentlichen rundstrahlende
Einrichtung, da dies eine Eigenschaft von Dipolantennen ist,
so daß keine Richtungsinformationen aus der Umgebung gelie
fert werden. Die Einrichtung kann nicht zur Erkennung von
Zielpeilungen eingesetzt werden und ist eine Naheinrichtung
(z. B. 15 m).
Viele Strahlungssensoren werden als Radareinrichtungen ver
wendet, die gerichtete Umgebungsinformationen in Bereichen
der Größenordnung von Kilometern oder mehr liefern müssen.
Dabei ist es erforderlich, eine periodische Bewegung mit
einer Richtstrahlereinrichtung durchzuführen, wie sie bei
spielsweise auf dem Gebiet der Raketensucher erfolgt. Die
US-PS 4 199 762 beschreibt eine Stützvorrichtung für eine Radar
antenne, wobei die Stützvorrichtung periodisch um zwei zu
einander orthogonale Achsen mittels einer Kardanaufhängung
bewegt wird. Eine solche Einrichtung ist vergleichsweise
sperrig und teuer. Außerdem ist eine mechanisch bewegte
Antenne nur für Gegenstände innerhalb des Antennenstrahls
empfindlich. Schnell bewegte Gegenstände, die durch das
überstrichene Volumen passieren, brauchen nicht notwendi
gerweise auf den Antennenstrahl zu treffen.
Um die Nachteile von mechanisch bewegten Radareinrichtungen
zu überwinden, wurden elektronisch periodisch bewegte Ein
richtungen entwickelt. Eine solche Einrichtung umfaßt eine
Gruppe von Sende- und/oder Empfangsantennen. Die Richtung des
Sende- oder Empfangsstrahls wird durch geeignete Phasenspei
sung des Treibersignals oder des Überlagerersignals an jeder
Antenne gesteuert. Ein Radar mit phasengespeister Strahler
gruppe, das als MESAR bezeichnet wird, wurde anläßlich einer
Konferenz RADAR-87, London, 19.-21. Oktober 1987, beschrie
ben. Das MESAR bestand aus einer Gruppe von 918 Wellenlei
terstrahlerelementen, die in einem Quadrat mit 2 in Seiten
länge angeordnet waren. Eine für die Praxis geeignete phasen
gespeiste Strahlergruppe mit vier Seitenflächen und 1500 Ele
menten pro Seitenfläche würde etwa 2 Millionen Pfund Sterling
kosten.
Antennengruppen auf der Basis von Dipolen, die in dielektri
sche Materialien eingekapselt sind, sind in der
US-PS 3 781 896 beschrieben. Diese Patentschrift sagt jedoch nichts
in bezug auf die beträchtlichen Konstruktionsprobleme, die
beim Einspeisen von Signalen zu und von einer solchen Strah
lergruppe zu bewältigen sind. Auch wird nichts über die Er
zielung der notwendigen Richteigenschaften und Messungen aus
gesagt.
Eine weitere Form von Strahlungssensor ist von Zah et al. in
International Journal of Infrared and Millimeter Waves, Bd.
6, Nr. 10, 1985, angegeben. Er besteht aus einer eindimen
sionalen Gruppe von Schmetterlingsantennen mit integrierten
Dioden, die in der Bildebene eines Linsensystems mit einem
Objektiv und einer Substratlinse angeordnet sind. Das von den
Antennen empfangene Signal kann als Funktion der Antennen
position aufgezeichnet werden und ein Bild liefern. Diese
Einrichtung weist den Nachteil auf, daß sie auf den Betrieb
im Empfangsmodus beschränkt ist. Außerdem detektiert sie nur
Strahlung mit einer Komponente, die parallel zu den Antennen
polarisiert ist. Die Einrichtung kann nicht senden, und es
sind auch keine Maßnahmen zur Detektierung anderer Polarisie
rungen vorgesehen. Häufig wird jedoch von Radarsensoren ver
langt, daß sie durch eine einzige Apertur senden und empfan
gen können.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer alterna
tiven Form von Strahlungssensor.
Durch die Erfindung wird ein Strahlungssensor angegeben mit
einer dielektrischen Sammellinse, die so angeordnet ist, daß
sie eine optische Apertur und eine optische Achse durch die
Apertur definiert, wobei:
- a) in der Linse polarisationsselektive Reflexionseinrich tungen vorgesehen sind, die so angeordnet sind, daß sie an jeweiligen Oberflächenbereichen der Linse, die über die optische Achse verlaufen, eine erste und eine zweite Brennebene definieren,
- b) die Reflexionseinrichtung dafür sorgt, daß die Brenn ebenen verschiedenen Strahlungspolarisationen entspre chen,
- c) eine Empfangsantennengruppe im Bereich der ersten Brennebene angeordnet ist und jede Antenne eine ent sprechende Strahlungsbündelrichtung durch die Linse definiert und überwiegend an durch die Linse gehende Strahlung gekoppelt ist, und
- d) im Bereich der zweiten Brennebene vorgesehen sind entweder:
- i) eine richtungsselektive Sendeeinrichtung, die mit einer Vielzahl von Ausgangsbündelrichtungen durch die Linse koppelbar ist, oder
- ii) eine zweite Empfangsantennengruppe, die äquivalent zu der Gruppe der ersten Brennebene angeordnet ist und auf eine davon verschiedene Strahlungspolarisation an spricht.
Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung bedeutet der
Ausdruck "im Bereich von" "innerhalb einer Wellenlänge der
Sensorbetriebsfrequenz", wobei die Wellenlänge diejenige
innerhalb des Mediums ist, das unmittelbar an die Antennen
bzw. an die Sendeeinrichtung angrenzt.
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, daß sie eine
Vielfachstrahlungs-Funktionsfähigkeit aus einer einzigen
Apertur hat und nicht weniger kompakt als eine bekannte
Einrichtung mit Einzelfunktion ist.
Die Reflexionseinrichtung kann ein Gitter von linearen Lei
terbahnen sein, die so angeordnet sind, daß sie eine Signal
polarisation reflektieren und eine andere übertragen, wobei
das Gitter zu beiden Brennebenen parallel ist. Das Gitter
kann zwischen ebenen Flächen von entsprechenden Linsenteilen
eingeschlossen sein. Der eine Linsenteil kann als sphärische
Kappe geformt sein, während ein zweiter Linsenteil kegel
stumpfförmig ist. Dadurch ergibt sich eine sehr kompakte Kon
struktion, die mit kostengünstigen Materialien vergleichs
weise geringer Dichte realisierbar ist.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Gruppe in
der ersten Brennebene zweidimensional und umfaßt Kreuzdipol
antennen. Ein Dipol jeder Antenne ist parallel zu der Polari
sation der Empfangsstrahlung, die von der Reflexionseinrich
tung darauf gerichtet wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel
enthält der Sensor einen Signalgeber, der so angeordnet ist,
daß er der Gruppe in der ersten Brennebene ein Überlagerer
signal zuführt, das parallel zu dem zweiten Dipol jeder An
tenne polarisiert ist. Einer der Dipole kann einen geteilten
Schenkel aufweisen, der als Zwischenfrequenz-Antennenleitung
dient.
Der Sensor kann eine Empfangsantennengruppe in der zweiten
Brennebene von gleicher Bauart wie die erste Gruppe aufwei
sen. Er kann ferner eine außerhalb der Linsenapertur angeord
nete Übertragungseinrichtung aufweisen, um eine Mikrowellen- oder
Millimeterwellen-Beleuchtung der Umgebung vorzusehen.
Bei einer alternativen Ausführungsform hat der Sensor in der
zweiten Brennebene eine Sendeeinrichtung, umfassend eine
Gruppe von getrennt aktivierbaren Polarisationsumschaltan
tennen, eine linear polarisierte Radarsignaleinspeisung zu
diesen Antennen sowie eine polarisationsselektive Reflexions
einrichtung, die so angeordnet ist, daß sie die Signalein
speisung vom Ausgang durch die Linse isoliert und zu der Lin
se Signale überträgt, die in einer dieser Antennen aufgrund
der Signaleinspeisung erzeugt wurden. Bei dieser Anordnung
ist es möglich, einen Sendestrahl in eine von einer Vielzahl
von Richtungen entsprechend der durch die Aktivierung einer
entsprechenden Antenne bestimmten Wahl zu lenken. Die Polari
sationsumschaltantennen können Kreuzdipole mit Diodenschal
tern und als Schlitze in einer Metallschicht oder einem Me
tallflächenkörper gebildet sein.
Der Sensor kann eine alternative Ausführungsform einer Sende
einrichtung aufweisen, die eine Signaleinspeisung aufweist,
die über die zweite Brennebene bewegbar ist.
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer
Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausfüh
rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:
Fig. 1 eine seitliche Schnittansicht eines Strahlungs
sensors nach der Erfindung;
Fig. 2 eine auseinandergezogene Ansicht einer Signalüber
tragungseinrichtung zur Verwendung in dem Sensor
von Fig. 1;
Fig. 3 und 4 Polarisationsumschaltantennen zur Verwendung in der
Einrichtung nach Fig. 2;
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Empfangsanten
nengruppe, die in dem Sensor von Fig. 1 vorgesehen
ist;
Fig. 6 eine Draufsicht auf eine Kreuzdipolantenne der
Gruppe von Fig. 5;
Fig. 7 eine alternative Ausführungsform einer Polarisa
tionsumschaltantenne für die Einrichtung von Fig.
2;
Fig. 8 eine seitliche Schnittansicht einer alternativen
Ausführungsform des Sensors nach der Erfindung mit
zwei Empfangsantennengruppen; und
Fig. 9 Polarisationsumschaltantennen, die so angeordnet
sind, daß eine Phasenregelung erhalten wird.
Fig. 1 zeigt einen Strahlungssensor nach der Erfindung, der
allgemein mit 10 bezeichnet ist. Der Sensor 10 ist zum Be
trieb bei einer Mikrowellenfrequenz von 16 GHz ausgelegt. Er
umfaßt eine Linse 12 mit einem sphärischen Kappenteil 14 und
einem Kegelstumpfteil 16, wobei diese Teile aneinandergren
zende gleich große kreisrunde Endflächen (nicht gezeigt)
haben. Die Linsenteile 14 und 16 bestehen aus Aluminiumoxid
mit einer Dielektrizitätskonstanten von 10. Die aneinander
grenzenden Endflächen haben Durchmesser von 6,6 cm, und die
Höhe oder maximale Dicke des sphärischen Kappenteils senk
recht zu seiner kreisrunden Endfläche beträgt 1,9 cm. Ein
Metallgitter 18 aus einem ebenen Feld von gleichbeabstandeten
geraden Leiterbahnen ist zwischen den aneinandergrenzenden
Endflächen der Linsenteile 14 und 16 eingeschlossen. Das
Gitter 18 ist in der Zeichnung, zu der seine Ebene senkrecht
verläuft, seitlich zu sehen.
Der sphärische Kappenteil 14 enthält ein zweites Metallgitter
20 in Form eines ebenen Feldes von linearen Leiterbahnen, die
in der Zeichnung vom Ende her zu sehen sind. Das zweite Git
ter 20 ist zwischen einem ersten und einem zweiten Abschnitt
22 und 24 des Kappenteils 14 eingeschlossen, und seine Ebene
verläuft parallel zu dem ersten Gitter 18.
Ein ebenes flächiges Substrat 26 aus Aluminiumoxidmaterial
ist an dem vorderen Mittenbereich der Linse 12 befestigt,
wobei die Ebene des Substrats 26 parallel zu den Ebenen der
Gitter 18 und 20 verläuft. Wie noch im einzelnen erläutert
wird, trägt das Substrat 26 eine Gruppe von Empfangsantennen
(nicht gezeigt) jeweils in Form eines Paars von zueinander
orthogonalen Kreuzdipolen. Jeder Dipol hat eine Länge von
0,4 cm, was für eine Resonanz bei 16 GHz an einer Aluminium
oxid/Luft-Grenzfläche korrekt ist. Die Antennen liegen an der
Außenseite 26a des Substrats 26 fern von der Linse 12.
Ein Mikrowelleneinspeisungshohlleiter 28, der an eine Mikro
wellensignalquelle (nicht gezeigt) angeschlossen ist, hat ein
offenes Ausgangsende 30 nahe dem Substrat 26.
Der Kegelstumpfteil 16 der Linse hat eine zweite kreisrunde
Endfläche bei 32, die von seiner dem ersten Gitter 18 be
nachbarten ersten kreisrunden Endfläche einen Abstand von
1,678 cm aufweist; d. h. der Kegelstumpfteil 16 hat eine
axiale Länge von 1,678 cm. Die zweite Endfläche 32 grenzt an
eine allgemein mit 33 bezeichnete Baugruppe an, die ein
drittes Gitter, eine Sendeantennengruppe, ein Aluminiumoxid
substrat und dafür bestimmte Abstandshalter (nicht gezeigt)
umfaßt. Die Bauelemente der Baugruppe 33 werden später noch
im einzelnen erläutert. Die Dicke der Baugruppe 33 legt die
Sendeantennengruppe in einer Ebene 34 fest, die von der zwei
ten Linsenendfläche 32 einen Abstand von 0,222 cm aufweist,
was eine Entfernung von 1,9 cm von dem die Linsenteile 14 und
16 trennenden ersten Gitter 18 bedeutet. Die Baugruppe 33
besteht weitgehend aus Aluminiumoxid, und ihre Dicke beträgt
eine viertel Wellenlänge der Strahlung einer Frequenz von
16 GHz in einem Aluminiumoxidmedium mit einer Dielektrizi
tätskonstanten von 10. Die Sende- und Empfangsantennengruppen
sind somit von dem ersten Gitter 18 gleichbeabstandet.
Die Baugruppe 33 befindet sich angrenzend an einen ersten
Hohlleiter 35, der größere Dimensionen hat, als sie für die
Betriebsfrequenz geeignet sind. Der erste Hohlleiter 35 ist
mit einem zweiten Hohlleiter 36 gekoppelt, dessen Dimensionen
für die Betriebsfrequenz von 16 GHz richtig ausgelegt sind.
Der Sensor 10 hat ferner eine zweite Aluminiumoxidlinse 40,
die konkav-konvex ist, und einen Zirkularpolarisator 42. Der
Polarisator 42 ist als gedruckte Schaltung mit Mäanderleitern
ausgelegt, wie er in "IEEE Transactions on Antennas and
Propagation", Bd. AP-35, Nr. 6, Juni 1987, S. 652-661,
beschrieben ist.
Die erste und die zweite Linse 12 und 40 bilden gemeinsam ein
zweiteiliges Objektivsystem bzw. ein Linsensystem mit zwei
Brennebenen. Die eine Brennebene ergibt sich aus der Re
flexion am ersten Gitter 18 und der Übertragung am zweiten
Gitter 20. Sie ist mit der Empfangsstrahlerebene auf der Sub
stratoberfläche 26a koinzident. Die andere Brennebene ist bei
34 mit der Sendestrahlerebene koinzident und entsteht aus der
Übertragung durch das erste Gitter 18. Die Brennebenen bei
26a und 34 sind dem Gitter 18 parallel und befinden sich auf
dessen entgegengesetzten Seiten.
Der Sensor 10 arbeitet wie folgt. Mikrowelleneingangsenergie
mit 16 GHz von einer Quelle (nicht gezeigt) wird entlang dem
zweiten Hohlleiter 36 eingespeist; sie wird in der Ebene der
Zeichnung vertikal polarisiert, wie durch einen eingekreisten
Pfeil 44 angedeutet ist. Die Eingangsleistung gelangt in den
ersten Hohlleeiter 35 und, wenn der Sensor 10 ausgeschaltet
ist, durch die Sendeantennengruppe zum dritten Gitter, an dem
sie reflektiert wird. Wenn die Sendeantennengruppe aktiviert
ist, wie noch beschrieben wird, absorbiert sie die vom drit
ten Gitter reflektierte Energie und strahlt sie erneut mit
einer um 90° gedrehten Polarisation ab; d. h. die Sendegruppe
wirkt als Polarisationsschalter. Dadurch wird ein Sendesignal
Tx erzeugt, das eine horizontale lineare Polarisation senk
recht zur Zeichenebene hat, wie durch ein einkreistes Kreuz
46 angedeutet ist.
Das horizontal polarisierte Sendesignal Tx geht von der Sen
deantennengruppe in den Kegelstumpfteil 16 der Linse, wie
durch-einzelne Pfeile etwa bei 48 angedeutet ist. Es wird
durch das erste Gitter 18 übertragen, weil es orthogonal zu
den Leitern dieses Gitters polarisiert ist. Dann geht es
durch den sphärischen Kappenteil 14 der Linse in die Luft und
weiter zur zweiten Linse 40. Beim Austritt aus der zweiten
Linse 40 wird das Sendesignal Tx von dem Zirkularpolarisator
42 von linearer horizontaler Polarisation bei 50 zu Zirkular
polarisation umpolarisiert, wie durch einen teilkreisförmigen
Pfeil 52 angedeutet ist. Das Sendesignal Tx tritt aus der
zweiten Linse 40 als paralleler Strahl aus, und zwar aufgrund
der Lage der Sendegruppe an einer Brennebene des Linsen
systems 12/40.
Die Strahlrichtung des Sendesignals Tx ist durch die Sende
antennengruppe bestimmt. Eine Strichlinie 54 zeigt die opti
sche Achse des zweiteiligen Objektivsystems 12/40, die auch
die Symmetrieachse der Linsenteile 14 und 16 ist. Eine
Aktivierung von Antennen an den Positionen -15° und +15°
unter und über der Achse 54 führt dazu, daß Sendestrahlen 56
und 58 auf -15° und +15° zu dieser Achse gerichtet werden.
Eine zentrale Strahlrichtung ist mit 60 bei 0° auf der Achse
54 des Linsensystems gezeigt, die die Ziellinie des Sensors
10 ist. Das zweiteilige Objektivsystem 12/40 ergibt ein Seh
feld, das ein auf die Achse 54 zentrierter 60°-Konus ist.
Ein Sendesignal Tx, das eine ungerade Anzahl von Reflexionen
oder "Rücksprüngen" in einer Umgebung erfährt, kehrt als Emp
fangssignal Rx mit relativ umgekehrter Polarisation zurück.
Ein Empfangssignal Rx mit einer ungeraden Anzahl von Rück
sprüngen, das sich dem Polarisator 42 bei 62 nähert, hat in
folgedessen gegenüber dem abgehenden Sendesignal Tx bei 52
entgegengesetzte Zirkularpolarisation. Das Empfangssignal
wird von dem Polarisator 42 vertikal linear polarisiert (in
der Zeichenebene), wie durch einen eingekreisten vertikalen
Pfeil 64 angedeutet ist.
Empfangssignale Rx kehren entlang Sendestrahlbahnen zurück,
wie durch Doppelpfeile 66 angedeutet ist, bis das erste Git
ter 18 erreicht ist. Da die Empfangssignale parallel zu den
Leitern des ersten Gitters polarisiert sind, werden sie in
Richtung zu der Empfangsantennengruppe auf dem Substrat 26
reflektiert. Sie werden von dem zweiten Gitter 20 übertragen,
da sie orthogonal dazu polarisiert sind. Das zweite Gitter
hat die Funktion, Sendestrahlung zu reflektieren, so daß die
Empfangsantennengruppe gegenüber dem direkten Empfang von
Hochenergie von der Sendegruppe abgeschirmt ist. Die Emp
fangsanordnung liegt auf der Substratfläche 26a in einer
Brennebene des zweiteiligen Objektivsystems 12/40, an der
parallele Empfangsstrahlung fokussiert wird.
Die Empfangsantennengruppe erhält einen weiteren Eingang von
der Mikrowelleneinspeisung 28, die ein Überlagerersignal bzw.
LO-Signal liefert. Die Antennengruppe mischt die Empfangs-
und Überlagerersignale Tx und LO unter Erzeugung von Zwi
schenfrequenzsignalen für die anschließende Signalverarbei
tung in bekannter Weise.
Nachstehend wird zusätzlich auf Fig. 2 Bezug genommen, die
eine Explosionsansicht der Baugruppe 33 sowie den ersten und
den zweiten Hohlleiter 35 und 36 zeigt. Die Sendeantennen
gruppe ist allgemein mit 70 bezeichnet. Sie umfaßt zwölf An
tennen 72, die als Gruppe von 6×2 angeordnet sind. Die An
tennen 72 sind schematisch durch Kreuze dargestellt.
Jede Antenne 72 besteht aus einem gekreuzten Paar von zu
einander orthogonalen ebenen Metalldipolen, und jeder Dipol
hat ein Paar von rechteckigen Schenkeln 74. Die Form der
Sendeantennen 72 ist allgemein in Fig. 3 dargestellt.
Jeder Dipol ist 4 mm lang, und die Schenkel 74 sind 1,43 mm
lang mit einem zentralen Zwischenraum einer Länge von
1,14 mm. Einander benachbarte Antennen 72 haben jeweils einen
Mittenabstand von 5,4 mm. Die Schenkel 74 haben eine Breite
von 0,4 mm, so daß jeder Dipol eine Verhältnis von Länge zu
Breite von 10 : 1 hat. Dadurch ergibt sich eine Dipolresonanz
einer halben Wellenlänge bei 16 GHz, da gezeigt werden kann,
daß die effektive Länge jedes Dipols seine physische Länge,
multipliziert mit der Quadratwurzel des Mittels der Dielek
trizitätskonstanten der beiden Medien auf beiden Seiten des
Dipols, ist. Da die Antennen 72 auf einer Seite Luft (ε = 1)
und auf der anderen Seite Aluminiumoxid (ε = 10) haben, ist
ihre effektive Länge 4 mm multipliziert mit √[2/1(10 + 1)].
Dies ergibt 9,38 mm, was bei 16 GHz eine halbe Wellenlänge
ist.
Jeder Dipolschenkel 74 ist mit einem entsprechenden orthogo
nalen Dipolschenkel über einen PIN-Diodenschalter 76, der
durch Vorspannen mit einer Gleichspannung aktivierbar ist,
gekoppelt. Vorspannungsanschlüsse an die Diodenschalter 76
sind nicht gezeigt. Die Antennen 72 werden durch Metallab
scheidung auf einer Oberfläche 78a eines Substrats 78 gebil
det. Die Substratoberfläche 78a mißt 35 mm×23 mm. Die
PIN-Dioden sind diskrete Bauelemente; d. h. es wird elektronische
Hybridtechnik angewandt. Diese Dioden könnten alternativ mit
den Antennen in Halbleitersubstratmaterial integriert sein.
Die Sendegruppe 70 ist durch Aluminiumoxid-Abstandshalter 80
von dem dritten Gitter, das allgemein mit 82 bezeichnet ist,
getrennt. Letzteres ist durch Niederschlagen einer Metall
schicht 84 (durch Punkte bezeichnet) auf einem Aluininiumoxid
substrat 86 gebildet. Die Schicht 84 hat einen zentralen Be
reich, der weggeätzt ist, um lineare Leiterbahnen 88 zu defi
nieren, die durch Zwischenräume voneinander getrennt sind, in
denen das darunterliegende Aluminiumoxidmaterial freiliegt.
Nach dem Zusammenbau der Baugruppe 33 befinden sich die
Abstandshalter 80 in Kontakt mit dem Gitter 82, und das
Sendegruppensubstrat 78 liegt mit den Abstandshaltern 80 in
Kontakt. Der überdimensionierte erste Hohlleiter 35 hat eine
Randeinfassung 35a, die im Gebrauch an der Substratoberfläche
78a anliegend angeordnet ist. Die darunterliegende Gitterflä
che (nicht gezeigt) liegt mit der Endfläche 32 der Linse in
Kontakt.
Das Antennengruppensubstrat 78, die Abstandshalter 80 und das
Gitter 82 bestehen, wie gesagt, aus Aluminiumoxid; ihre Dic
ken sind in der Baugruppe 33 so kombiniert, daß die Sende
gruppenantennen 72 in der Brennebene 34 des Linsensystems
12/40 liegen.
Der Abstand (5,4 mm) der Antennen 72 in der Sendestrahler
gruppe 70 ist so ausgelegt, daß Strahlenbündel benachbarter
Antennen einander an ihren 3-dB-Punkten überlappen. Jede
Antenne 72 liegt an einer entsprechenden Position in der
Brennebene 34, und eine Verlagerung ihrer Position von der
Systemachse 54 führt zu einer entsprechenden Winkelverla
gerung ihrer Ausgangsstrahlrichtung von dieser Achse. Im
Freiraum ist die Beugungskeulenbreite für ein Antennendipol
ausgangssignal, das von einer Linse fokussiert ist, angenä
hert 1,2λ/D, wobei λ die Freiraum-Wellenlänge und D die Lin
senapertur ist. Infolgedessen muß für eine Überlappung an
3-dB-Punkten der Antennengruppenabstand für eine bestimmte
Wellenlänge und Apertur korrekt sein. Der geeignete Abstand
wird mit abnehmendem λ kleiner.
Die Sendeantennengruppe 70 arbeitet wie folgt. Wenn sämtliche
PIN-Dioden 76 ausgeschaltet sind, wird nur sehr wenig der
vertikal polarisierten Mikrowelleneingangsenergie 44 mit
jedem Dipol jeder Antenne 72 gekoppelt, und zwar aufgrund des
Polardiagramms der Antennen. Infolgedessen passiert die Ener
gie die Gruppe 70 und die Abstandshalter 80 weitgehend unbe
einflußt. Sie wird am dritten Gitter 82, wie bei 90 angedeu
tet, zurückreflektiert, da sie parallel zu den Gitterleiter
bahnen 88 polarisiert ist. Sie wird also daran gehindert, die
Linse 12 zum anschließenden Austritt in den Freiraum zu er
reichen.
Wenn ein Paar von Dioden 76, die irgendeiner der Antennen 72
zugeordnet sind, eingeschaltet wird, wird das durch das ver
tikal polarisierte elektrische Feld in dem vertikalen Dipol
dieser Antenne induzierte Mikrowellensignal mit dem zugehöri
gen horizontalen Dipol gekoppelt. Dies erfolgt aufgrund des
Strompfades, der durch jede PIN-Diode 76 zwischen orthogo
nalen Dipolschenkeln gebildet ist. Der Hauptanteil der von
der eingeschalteten Antenne 72 empfangenen Energie wird an
ihren horizontalen Dipol gekoppelt. Er wird anschließend mit
horizontaler Polarisation wiederausgestrahlt. Wie von C.R.
Brewitt-Taylor, D.J. Gunton und H.D. Ress in Electronics
Letters, Bd. 17, S. 729-731, 1981, angegeben, strahlt eine
Antenne, die an einer Grenzfläche zwischen zwei Medien mit
verschiedenen Dielektrizitätskonstanten liegt, hauptsächlich
in das Medium, das die höhere Dielektrizitätskonstante hat.
Infolgedessen erfolgt die Wiederausstrahlung von einer der
Antennen 72 hauptsächlich in das Aluminiumoxidsubstrat 78, da
diese Antennen an einer Grenzfläche zwischen Luft (ε = 1) und
Aluminiumoxid (ε = 10) angeordnet sind.
Das von der Antennengruppe 70 wiederausgestrahlte Signal geht
durch die Abstandshalter 80 zum Gitter 82. Da es horizontal
polarisiert und daher zu den Gitterleiterbahnen 88 orthogonal
ist, geht es mit nur sehr geringer Reflexion durch das Gitter
82, wie bei 92 angedeutet ist. Es tritt dann in die Linse 12
ein und wird zum Sendesignal Tx.
Im Betrieb sind Richtung und räumliche Ausdehnung des Sende
strahls durch die jeweils aktivierte Sendeantenne 72 be
stimmt. Ein wiederausgestrahltes Signal, das horizontal
polarisiert ist, geht von jeder aktivierten Antenne 72 aus.
Da die Antennen 72 über die Brennebene der Linse bei 34
verteilt sind, führt die Aktivierung einer einzigen Antenne
72 zu einer Sendestrahlrichtung, die durch die Antennenlage
bestimmt ist. Wenn zwei oder mehr Antennen 72 gleichzeitig
aktiviert sind, wird Energie in zwei oder mehr Richtungen
gleichzeitig übertragen. In Fig. 1 sind Sendestrahlrichtungen
angegeben, die unter ± 15° zu einer mittigen (Ziellinien-)
Strahlrichtung bei 0° geneigt sind.
Eine alternative Ausführungsform einer Sendeantenne, die zum
Einsatz in der Strahlergruppe 70 geeignet ist, ist in Fig. 4
gezeigt. Sie ist allgemein mit 72′ bezeichnet, und Teile, die
der vorhergehenden Beschreibung entsprechen, sind mit glei
chen, einfach gestrichenen Bezugszeichen versehen. Die An
tenne hat Schenkel 74′, von denen ein gegenüberstehendes Paar
mit einem PIN-Diodenschalter 76′, der durch eine Vorgleich
spannung aktivierbar ist, gekoppelt ist. Sie eignet sich zum
Umschalten der Polarisation eines Mikrowellensignals von Pa
rallelität mit einer von zwei Strichlinien 94a und 94b zu
Parallelität mit der anderen. Bei Verwendung in der Sende
strahlergruppe 70 von Fig. 2 würde die Antenne 72′ Schenkel
74′ haben, die diagonal anstatt horizontal und vertikal, wie
für die Antennen 72 gezeigt, verlaufen würden.
In den Fig. 5 und 6 ist die Empfangsantennengruppe im einzel
nen gezeigt. Sie ist allgemein mit 100 in Fig. 5 bezeichnet
und umfaßt schematisch als Kreuze dargestellte Einzelantennen
102 in einer 6×2-Anordnung. Fig. 5 ist in angenähert fünf
facher Vergrößerung der tatsächlichen Größe für 16-GHz-Be
trieb gezeigt. Fig. 6 zeigt eine einzelne Empfangsantenne 102
im Detail. Die Empfangsstrahlergruppe 100 hat Antennen 102,
deren Anzahl, Form und Abstände denjenigen der Sendestrah
lergruppe 70 entsprechen. Die beiden Gruppen 70 und 100 sind
so angeordnet, daß ihre Ebenen und langen Dimensionen paral
lel sind. Die Empfangsgruppe 100 unterscheidet sich von der
Sendegruppe 70 dadurch, daß jede Antenne 102 einen Schenkel
104a aufweist, der in Längsrichtung geteilt ist. Ferner weist
jede Antenne 102 einen zentralen Ring von vier Radarfrequenz-
Mischerdioden 106a-106d auf. Jede der Dioden 106a-106d ist
zwischen ein entsprechendes Paar von Schenkeln 104 mit ver
schiedenen (orthogonalen) Dipolen geschaltet, also etwa die
Diode 106c zwischen die Schenkel 104b und 104c. Die Schenkel
104c und 104d eines der Dipole in Fig. 6 sind an die Anoden
von Diodenpaaren 106b/106c bzw. 106a/106d angeschlossen. Die
Schenkel 104a und 104b des anderen Dipols sind an die Anoden
der Diodenpaare 106a/106b bzw. 106c/106d angeschlossen. Die
Dioden 106a-106d sind infolgedessen zu den Schenkeln des
einen Dipols hin und von den Schenkeln des anderen Dipols weg
polarisiert. Die Abschnitte des geteilten Schenkels 104a sind
an Dioden 106a bzw. 106b angeschlossen.
Die Empfangsgruppe 100 arbeitet wie folgt. Ihre lange Ab
messung ist in den Fig. 5 und 6 horizontal, aber in Fig. 1
vertikal gezeigt. Empfangsstrahlung Rx mit der Radarfrequenz
(RF) von 16 GHz ist parallel zu dem Teilschenkel-Dipol
104a/104b polarisiert. Die Überlagererstrahlung LO vom Horn
strahler 28 (vgl. Fig. 1) ist parallel zu dem anderen Dipol
104c/104d polarisiert. Die LO- und RF-Strahlungen erzeugen
Signale in den Dipolen, zu denen ihre Polarisierungen paral
lel sind, und diese Signale werden von dem Diodenring
106a-106d gemischt unter Erzeugung von Zwischenfrequenzsignalen.
Die Zwischenfrequenzsignale haben die Differenzfrequenz
zwischen den LO- und RF-Signalen. Der geteilte Schenkel 104a
erscheint bei der RF als ein einziger Schenkel aufgrund der
kapazitiven Kopplung zwischen seinen Abschnitten. Bei der
Zwischenfrequenz wirkt er jedoch als zwei parallele Leiter
unter Bildung einer Antennenspeiseleitung. Infolgedessen
bildet er eine Ausgangsspeiseleitung zur Weiterleitung von
Zwischenfrequenzsignalen zu einer Verarbeitungsschaltung
(nicht gezeigt). Solche Schaltungen sind auf dem Gebiet der
Radarsignalverarbeitung allgemein bekannt und werden nicht
erläutert. Sie können einen Zwischenfrequenzverstärker und
einen A-D-Umsetzer für jede Antenne 102 aufweisen. A-D-Um
setzer-Ausgangssignale von der Gruppe 100 werden bekannten
Digitalschaltungen zugeführt.
Der Radarsensor 10 hat sowohl Sende- als auch Empfangskapa
zität innerhalb einer gemeinsamen Apertur, die durch die
optische Apertur des zweifachen Objektivsystems 12/40 defi
niert ist. Die Sende- und Empfangsgruppen 70 und 100 sind auf
Substraten 78 und 26 angeordnet, die aus dem gleichen Mate
rial wie die Linse 12 bestehen und als ihre Verlängerungen
wirken. Strahlungsreflexionen an Flächen des zweifachen
Objektivsystems 12/40 aufgrund von Grenzflächen zwischen
ungleichen dielektrischen Medien werden durch reflexmindernde
Schichten ähnlich der Entspiegelung von Linsen in Kameras und
dergleichen unterdrückt.
Fig. 7 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Polari
sationsumschalt-Sendeantenne, die allgemein mit 110 bezeich
net ist. Die Antenne 110 besteht aus einer Metallisierungs
schicht 112, in der orthogonale Kreuzschlitze 114 geformt
sind unter Freilegung eines darunterliegenden Substrats 116.
Ein Paar von PIN-Diodenschaltern 120 ist mit jeweils ent
gegengesetzten Polaritäten (Kathode zu Kathode) durch einen
zentralen gemeinsamen Zwischenraum 122 der Schlitze 114
reihengeschaltet. Die Schalter 120 sind diagonal durch den
Zwischenraum 122 miteinander verbunden und haben einen zen
tralen gemeinsamen Verbindungspunkt 124, dem eine Vorgleich
spannung über eine Zuleitung zugeführt wird, die durch eine
Strichlinie 126 angedeutet ist.
Die Antenne 110 arbeitet gemäß der Beschreibung für die An
tenne 72 von Fig. 3. Die Antenne 110 bietet jedoch den Vor
teil einer überlegenen Wärmeableitung der Schalter 120 über
die Metallisierungsschicht 112. Dadurch können die Schalter
einen höheren RF-Energiepegel steuern. Das Vorhandensein der
Metallisierungsschicht 112 überall mit Ausnahme an Schalter
positionen unterbindet den Austritt von RF-Energie zwischen
Schalterpositionen. Außerdem erlaubt es die Metallisierungs
schicht 112, Halbleiterbauelemente und Bonddrähte nahe an den
Schlitzen 114 anzubringen, ohne ihr Betriebsverhalten zu ver
schlechtern.
Fig. 8 zeigt einen seitlichen Schnitt eines alternativen Aus
führungsbeispiels eines Strahlungssensors gemäß der Erfin
dung, der allgemein mit 200 bezeichnet ist. Er weist mehrere
Ähnlichkeiten mit dem Sensor 10 von Fig. 1 auf, und äquiva
lente Teile sind daher mit einer vorgestellten "2" gleich
bezeichnet. Im Hinblick auf die genannten Ähnlichkeiten wird
der Sensor nur in Umrissen beschrieben. Der Sensor 200 hat
eine Linse 212 mit einem sphärischen Kappenteil 214 und einem
Kegelstumpfteil 216. Die Linse 212 hat ein zentrales Gitter
218, das Reflexions- bzw. Transmissions-Brennebenen bei 226a
bzw. 234 definiert. Diese Ebenen befinden sich an den Außen
flächen von Substraten 226 bzw. 278, die jeweils eine ent
sprechende Empfangsantennengruppe (nicht gezeigt) tragen. Die
Linsenteile 214 und 216 weisen Gitter 220 und 282 auf, die
vertikal und horizontal polarisierte Signale 201/203 über
tragen.
Der Sensor 200 weist ferner eine Sendeantenne 205 mit einem
Austrittshornstrahler 207 auf, der durch einen Zirkularpola
risator 242 verläuft. Die Antenne 205 erzeugt ein rechts zir
kularpolarisiertes (RHC) Sendesignal Tx, das zu einer ent
fernten Umgebung (nicht gezeigt) geht. Rücksignale von der
Umgebung sind entweder rechts oder links zirkular (LHC)
polarisiert je nachdem, ob sie aus Tx-Signalen entstehen, die
eine gerade oder eine ungerade Anzahl von Reflexionen erfah
ren haben.
Die rechtszirkularen Rx-Signale werden von dem Polarisator
242 vertikal polarisiert, wie bei 201 gezeigt, und werden von
der Linse 212 an der Empfangsgruppe 226a nach Reflexion am
Gitter 218 fokussiert. Die linkszirkularen Rx-Signale werden
von dem Polarisator 242 horizontal polarisiert, wie bei 203
gezeigt. Diese Polarisation wird zum Gitter 218 übertragen
und von der Linse 212 in der anderen Brennebene 234 fokus
siert. Rx-Signale, die die Brennebenen 234 und 226a errei
chen, werden von entsprechenden Empfangsantennenanordnungen
detektiert und verarbeitet, wie das unter Bezugnahme auf die
Fig. 5 und 6 beschrieben ist. LO-Signale werden gemäß den
Pfeilen 211 in die Empfangsgruppen eingespeist.
Der Sensor 200 verwendet eine adaptierte Version des Vor
schlags mit dualer Brennebene gemäß Fig. 1 zur Definition von
zwei Empfangsorten anstelle von Sende- und Empfangsorten. Er
verliert zwar die Fähigkeit zur Lenkung des Sendestrahls Tx
durch Polarisationsumschaltung in einer Brennebenen-Antennen
gruppe. Statt dessen wird aber der Sendestrahl Tx aus dem
Hornstrahler 205 genützt, um einen eine Umgebung beleuchten
den Flutlichtstrahl zu liefern. Er kann zwar nicht gelenkt
werden, um einem bewegten Ziel zu folgen oder Mikrowellen
energie in eine Vorzugsrichtung zu richten; dagegen hat er
die Fähigkeit, Ziele auf der Grundlage ihrer
Reflexions-Charakteristiken zu unterscheiden.
Der Sensor 200 kann ohne den Sendehornstrahler 205 betrieben
werden. Er arbeitet dann als passiver Sensor, der in einer
Umgebung erzeugte Signale detektiert.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 verwendet Antennengrup
pen, die auf Substraten 26 usw. aus dem gleichen Material wie
die Linse 12 bestehen und als Verlängerungen derselben wir
ken; d. h. Strahlung erreicht oder verläßt die relevante
Antennengruppe wie etwa 100 durch die Substratdicke. Es ist
auch möglich, Silicium- oder GaAs-Substrate zu verwenden, auf
denen Halbleiterdioden und Antennen integriert sind. Die
Dielektrizitätskonstante von Silicium ist 11,7, und diejenige
von GaAs ist 12,5. Beide liegen nahe an derjenigen von Alumi
niumoxid, und Reflexionen an den Linsen/Substrat-Grenzflächen
sind daher unbeachtlich. Die Strahlung kann daher wie vorher
die Antennengruppe über das Substrat erreichen.
Jede Antennengruppe wie etwa 100 kann alternativ zwischen
ihrem Substrat 26 und der Linse 12 positioniert sein. In
diesem Fall muß die Anordnung so getroffen sein, daß die
Antennen vorwiegend an Strahlung ankoppeln, die durch die
Linse geht (je nachdem entweder im Empfangs- oder im Sende
modus). Dies kann erreicht werden, wenn die Dielektrizi
tätskonstante der Linse höher als diejenige des Substrats
ist, oder wenn das Substrat sehr viel dünner als die Strah
lungswellenlänge in seinem Material ist.
Die Empfangs- und Sendeantennen 102/74 in den Gruppen 100/70
sind exakt in entsprechenden Brennebenen 26a/34 der Linse 12
positioniert. Dadurch ist sichergestellt, daß jede Antenne
einer jeweiligen Empfangs- oder Sendestrahlrichtung im Frei
raum durch die Linse entspricht. Eine Signalverarbeitung von
Zwischenfrequenzsignalen zur Abtrennung von Komponenten aus
verschiedenen Richtungen ist nicht erforderlich.
Es ist auch möglich, die Sendeanordnung 70 und die Empfangs
anordnung 100 an Positionen vorzusehen, die gegenüber den
jeweiligen Brennebenen 34 und 26a geringfügig verlagert sind.
Diese Verlagerung erfolgt in jedem Fall um eine Strecke, die
kleiner oder gleich einer Wellenlänge von Strahlung in der
Linse oder dem Substratmaterial unmittelbar angrenzend an die
relevante Antennengruppe 70 oder 100 bei der Betriebsfrequenz
ist. In der Einrichtung 10 von Fig. 1, die für einen Betrieb
bei 16 GHz ausgelegt ist, ist die maximale Verlagerung die
entsprechende Freiraum-Wellenlänge von 1,89, dividiert durch
die Quadratwurzel der Dielektrizitätskonstanten von Alumi
niumoxid (ε = 10), nämlich 0,59 cm. Im Empfangsmodus bedeutet
eine solche Verlagerung der Empfangsgruppe 100, daß Strahlung
aus einer einzigen Richtung im Freiraum an mehr als eine An
tenne 102 ankoppelt. Die von einigen benachbarten Antennen
102 in der Empfangsgruppe 100 abgeleiteten Zwischenfrequenz
signale können jedoch mit geeigneten Bewertungskoeffizienten
kombiniert werden, so daß ein Signal erhalten wird, das einer
einfallenden ebenen Welle entspricht. Die Bewertungskoeffi
zienten hängen dabei von der gewählten Einfallsrichtung ab.
Gleichermaßen kann im Sendemodus eine Sendegruppe aus der
Brennebene 34 in Richtung zum ersten Gitter 18 verlagert
sein. In diesem Fall werden mehrere Sendeantennen 72 gleich
zeitig aktiviert und erzeugen einen kombinierten Strahl, der
sich aus der Störung zwischen einzelnen Antennenbeiträgen
ergibt. Wie noch im einzelnen beschrieben wird, erhält man
durch geeignet schaltbare Sendeantennen ein ausreichendes Maß
an Phasensteuerung für eine grobe Strahlformung. Es ist wich
tig, diese Lösung mit Verlagerung aus der Brennebene von
einem konventionellen phasengesteuerten Gruppenstrahler mit
Aperturebene zu unterscheiden, der über Hunderte oder auch
Tausende von Strahlerelementen eine Phasen- und Amplituden
steuerung erfordert.
Beide Ausführungsbeispiele der Fig. 1 und 8 verwenden ein
polarisationsselektives Reflektorgitter 18/218, um Brenn
ebenen 26a/226a und 34/234 zu definieren. Die Gitter 18/218
sind parallel zu den von ihnen definierten Brennebenen und
liegen zwischen diesen. Dies führt zu einer sehr kompakten
Anordnung, die beispielsweise um die optische Achse 54 von
Fig. 1 rotationssymmetrisch ist. Wenn das Gitter 18 gering
fügig aus der Senkrechten zur Achse 54 geneigt wird, ist die
Einrichtung 10 immer noch mit neu positionierten Brennebenen
realisierbar, aber Symmetrie und Kompaktheit würden dabei
reduziert werden.
Es ist ein Vorteil, daß die Sensoren der Fig. 1 und 8 mit
Linsen 12/212 realisierbar sind, die aus einem Material auf
Kunststoffbasis mit einer Dielektrizitätskonstanten von 10
bestehen. Künstliche Dielektrika auf Polymer/Keramik-Basis
sind formbar, kostengünstig, relativ einfach maschinell zu
bearbeiten und haben keine unannehmbar hohe Dichte. Es ist
nicht notwendig, Materialien mit hohen Dielektrizitätskon
stanten zu verwenden, die teuer und schwierig zu bearbeiten
sind und in Komponenten mit hohem Gewicht resultieren.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung
(nicht gezeigt) ist die Sendegruppe 33 der Fig. 1 und 2 durch
eine Mikrowellensignalquelle ersetzt, die mechanisch (anstatt
elektronisch) umpositionierbar ist. Dieses Ausführungsbei
spiel verwendet eine flexible koaxiale Signaleinspeisung zu
einem Hohlleiterabschnitt, um einer einzigen, permanent kurz
geschlossenen Polarisationsumschaltantenne Energie zuzufüh
ren. Die Antenne ist in der Brennebene 24 der Linse angeord
net und strahlt Mikrowellenenergie in die Linse 12 ab. Der
Hohlleiterabschnitt ist entlang zwei zueinander orthogonalen
Achsen in der Brennebene 34 durch Schrittmotoren bewegbar.
Somit kann die Position des Sendesignalursprungs in der
Brennebene 34 jeweils an eine von vielen Sendestrahlrichtun
gen angepaßt werden.
Fig. 9 zeigt drei alternative Ausführungsformen einer Kreuz
dipol-Sendeantenne, die mit 300, 320 bzw. 340 bezeichnet
sind. Die erste Antenne 300 ist äquivalent zu der in Fig. 3
gezeigten, wobei die PIN-Dioden 76 durch Kurzschlußstäbe 302
ersetzt sind, die jeden Dipolschenkel 304 mit einem entspre
chenden orthogonalen Schenkel 306 verbinden. Diese Antenne
bildet die im vorhergehenden Absatz erwähnte permanent kurz
geschlossene Polarisationsumschaltantenne. Sie wandelt einen
nichtfokussierten Eingang von einem Hohlleiter (der dem Hohl
leiter 35 äquivalent ist) zu einer lokalisierten Quelle in
oder nahe der Brennebene einer Linse um. Sie kann als Flut
licht-Punkt-Wandler angesehen werden und kann einen viel
höheren Energiepegel als eine diodengeschaltete Antenne
übertragen.
Die Antenne 320 gleicht derjenigen von Fig. 4, wobei jedoch
beide Paare von Antennenschenkeln 322/324 durch voneinander
isolierte jeweilige PIN-Umschaltdioden 326 miteinander ver
bunden sind. Dabei wird entweder die eine oder die andere
Diode eingeschaltet, um die Polarisation von Parallelität mit
einer Strichlinie 328 zu Parallelität mit der anderen zu
ändern, wie das bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4 der
Fall ist. Die Sendesignalphase ist jedoch zwischen den beiden
Fällen um 180° verschieden; d. h. das Einschalten einer Diode
326 ergibt ein Ausgangssignal, das zu demjenigen gegenphasig
ist, das durch Einschalten der anderen Diode erzeugt wird.
Dadurch ergibt sich eine grobe Phasensteuerung, die für eine
Sendeantennengruppe 320 geeignet ist, die innerhalb einer
Wellenlänge von der Brennebene 34 und liegt und dazu parallel
angeordnet ist.
Die Antenne 340 ist derjenigen von Fig. 3 äquivalent, wobei
aber jeder Antennenschenkel 342/344 über entsprechende
PIN-Diodenschalter 346 mit beiden orthogonalen Schenkeln 344/342
verbunden ist. Ebenso wie die Antenne 320 eignet sich die
Antenne 340 zur Vervielfachung, um eine Polarisationsum
schalt-Sendegruppe zu bilden. Die Dioden 346 werden in dia
metral entgegengesetzten Paaren eingeschaltet. In beiden
Fällen wird die Polarisation um 90° umgeschaltet, aber die
Phase des Signals, das durch Einschalten des einen Paars
erzeugt wird, ist um 180° von derjenigen des Signals ver
schieden, das durch Einschalten des anderen Paars erzeugt
wird.
Claims (11)
1. Strahlungssensor mit einer dielektrischen Sammellinse, die
so angeordnet ist, daß sie eine optische Apertur und eine
durch die Apertur gehende optische Achse definiert,
dadurch gekennzeichnet, daß
- a) die Linse (12) eine polarisationsselektive Einrichtung (18) aufweist, die so angeordnet ist, daß sie an jewei ligen Linsenoberflächenbereichen, die über die optische Achse (54) verlaufen, eine erste und eine zweite Brenn ebene (26a, 34) definiert,
- b) die Reflexionseinrichtung (18) bewirkt, daß die Brenn ebenen (26a, 34) verschiedenen Strahlungspolarisationen entsprechen,
- c) eine Empfangsgruppe (100) von Antennen im Bereich der ersten Brennebene (26a) positioniert ist, wobei jede Antenne (102) eine entsprechende Strahlungsbündel richtung (z. B. 66) durch die Linse (12) definiert und hauptsächlich an durch die Linse (12) gehende Strahlung gekoppelt ist, und
- d) im Bereich der zweiten Brennebene (34) vorgesehen ist entweder:
- i) eine richtungsselektive Sendeeinrichtung (70), die an eine Vielzahl von Ausgangsstrahlrichtungen (56-60) durch die Linse (12) koppelbar ist, oder:
- ii) eine zweite Empfangsgruppe von Antennen, die äqui valent zu der in der ersten Brennebene befindlichen Gruppe (100) angeordnet und für unterschiedliche Strahlungspolarisation empfindlich sind.
2. Strahlungssensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Reflexionseinrichtung ein Gitter (18) aus linearen
Leiterbahnen ist, die zwischen zwei Linsenteilen (14, 16)
eingeschlossen sind und parallel zu beiden Brennebenen (26a,
34) verlaufen.
3. Strahlungssensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Linsenteile (14, 16) sphärische Kappenform
bzw. Kegelstumpfform haben.
4. Strahlungssensor nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Reflexionseinrichtung (18) so angeordnet ist, daß sie
linear polarisierte Empfangsstrahlung zu der Gruppe (100) in
der ersten Brennebene richtet, daß diese Gruppe (100) zwei
dimensional ist und Antennen (102) jeweils in Form eines
Paars von Kreuzdipolen (104a/104b, 104c/104d) umfaßt, wobei
ein Dipol (104a/104b) jedes Paars parallel zu auftreffender
Empfangsstrahlungs-Polarisation (Rx) ist, und der Sensor (10)
eine Einrichtung aufweist, die ein Überlagerersignal (LO) zu
dieser Gruppe richtet, das parallel zu dem anderen Dipol
(104c/104d) jedes Paars polarisiert ist.
5. Strahlungssensor nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß jede Antenne (102) einen Ring von Mischerdioden
(106a-106d) aufweist, der so angeordnet ist, daß Empfangs
strahlungssignale und Überlagerersignale (Rx, LO), die in
jeweiligen Dipolen (104a/104b, 104c/104d) entwickelt werden,
gemischt und Zwischenfrequenzsignale erzeugt werden.
6. Strahlungssensor nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß jede Antenne einen geteilten Dipolschenkel (104a) auf
weist, der als Zwischenfrequenz-Antennenspeiseleitung dient.
7. Strahlungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
eine in der zweiten Brennebene angeordnete Empfangsgruppe
gleicher Konstruktion wie die Gruppe (100) in der ersten
Brennebene.
8. Strahlungssensor nach Anspruch 7,
gekennzeichnet durch
eine Sendeeinrichtung (70), die zur Mikrowellenbeleuchtung
einer außerhalb der Linsenapertur befindlichen Szene ange
ordnet ist.
9. Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1-6,
gekennzeichnet durch
eine in der zweiten Brennebene befindliche Sendeeinrichtung
mit einer Gruppe (70) von getrennt aktivierbaren Polarisa
tionsumschaltantennen (72), einer linear polarisierten Si
gnaleinspeisung (44) zu diesen Antennen und einer polarisa
tionsselektiven Reflexionseinrichtung (82), die so angeordnet
ist, daß sie die Signaleinspeisung (44) vom Ausgangssignal
durch die Linse (12) trennt und zu der Linse (12) polarisa
tionsumgeschaltete Signale (92) überträgt, die in einer die
ser Antennen (72) aufgrund der Signaleinspeisung (44) erzeugt
werden.
10. Strahlungssensor nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Polarisationsumschaltantennen Kreuzdipolschlitze
(114) in einem flächigen Metallkörper (112) sind und durch
diagonal gekoppelte Schaltmittel (120) aktivierbar sind.
11. Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1-6,
gekennzeichnet durch
eine in der zweiten Brennebene befindliche Sendeeinrichtung
mit einer Signaleinspeisung, die eine nichtschaltbare Polari
sationsdrehantenne aufweist, und mit einer Einrichtung zum
Bewegen dieser Antenne über die zweite Brennebene (34).
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