EP0139920A1

EP0139920A1 - Mikrowellenschranke

Info

Publication number: EP0139920A1
Application number: EP84109376A
Authority: EP
Inventors: Ian T. Simpson
Original assignee: Hoermann Sicherheitstechnik GmbH; Hoermann GmbH
Current assignee: Hoermann Sicherheitstechnik GmbH
Priority date: 1983-10-07
Filing date: 1984-08-08
Publication date: 1985-05-08
Also published as: EP0139920B1; DE3467647D1; DE3336610A1; JPH0239835B2; JPS6097285A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mikrowellenschranke, die wenigstens zwei Antennenstrahlen verwendet, von denen der eine eine bis zum Erdboden reichende Schutzzone bildet, während der andere gegenüber der Horizontalen nach oben geneigt ist. Dadurch wird bei einfacher Bauweise sowohl ein Unterkreichen als auch ein Überspringen der Mikrowellenschranke durch Eindringlinge verhindert.

Description

Mikrowellenschranken finden dazu Verwendung, Räume bzw. Schutzzonen gegenüber Eindringlingen zu sichern. Der Mikrowellensender und der Mikrowellenempfänger sind hierbei an den entgegengesetzten Enden einer zu überwachenden Strecke angeordnet. Wird der Mikrowellen-Antennenstrahl durch einen Eindringling ganz oder teilweise unterbrochen, so löst eine im Empfänger vorgesehene Schaltung ein Alarmsignal aus.
Der von einer solchen Mikrowellenschranke erfaßte Bereich muß sich einerseits bis zum Erdboden erstrecken (damit ein Eindringling nicht unter dem Strahl hindurchkriechen kann) und muß andererseits hoch genug reichen (um ein überspringen auszuschließen).
Eine bekannte Mikrowellenschranke (GB-PS 1 475 111) verwendet einen einzigen Antennenstrahl bzw. eine Anzahl von Antennenelementen, die einen einzigen Strahlausbreitungswinkel bestimmen. Wie im folgenden näher dargelegt wird, ergibt sich hieraus ein unbefriedigender Kompromiß zwischen den Forderungen guter Überwachung in Bodennähe (Schutz gegen Unterkriechen) und in der Höhe (Schutz gegen überspringen).
Mikrowellenschranken müssen im allgemeinen eine Reichweite (Länge der geschützten Strecke) zwischen 10 und 200 m besitzen. Ein Alarm soll dabei ausgelöst werden, wenn ein Eindringling versucht, unter der Mikrowellenschranke hindurchzukriechen, durch die Schranke hindurchzulaufen oder sie zu überspringen. Um diesen Forderungen gerecht zu werden, muß sich die überwachungszone einerseits bis zum Erdboden und andererseits bis zu einer Höhe von über 2 m erstrecken.
Um beiden Forderungen zu genügen, wäre es vorteilhaft, einen Antennenstrahl zu verwenden, der im Bereich des Senders und des Empfängers eine verhältnismäßig große vertikale Erstreckung besitzt. Nun sind die Strahlbreite und die geometrischen Abmessungen einer Mikrowellenantenne mit der Wellenlänge der Strahlung durch folgende Formel verknüpft:

Strahlbreite (in Grad) ≃λ/a
wobei λ. = Wellenlänge a = Apertur der Antenne

Zur Erzielung einer großen Strahlbreite ist somit ein kleiner Wert der Anntennenapertur erforderlich. Die Strahlbreite entspricht dem Winkel, unter dem sich die Strahlung von der Antenne ausbreitet. Numerisch entspricht sie dem Winkelbereich, in dem der Hauptteil des Mikrowellensignales fokussiert ist.
Ist eine Antenne mit einer Apertur von 20 cm in einer Höhe von 100 cm über dem Boden angeordnet (vgl. Fig.1), so ergibt sich bei einer Wellenlänge von 3 cm eine Strahlbreite von 8,6°. Der Antennenstrahl divergiert somit um 4,3° nach oben und unten. Dieser Antennenstrahl trifft in einer Entfernung von 12 m (vom Sender bzw. Empfänger) den Boden bzw. die 2 m Höhe.
Verringert man die Apertur der Antenne, so vergrößert man die Divergenz des Antennenstrahles. Demgemäß rücken die Punkte, an denen der Antennenstrahl den Boden bzw. die 2 m Höhe erreicht, näher an den Sender bzw. Empfänger heran. Dies ist zwar ein Vorteil für die überwachung, führt jedoch zu erheblichen Problemen durch Bodenreflexionen.
Ist kein Eindringling vorhanden, so besteht das vom Empfänger aufgenommene Signal aus zwei Hauptkomponenten, nämlich dem direkten Signal und dem am Boden reflektierten Signal (vgl. die Schemadarstellung in Fig.2).
Die elektrische Empfangsfeldstärke Er ergibt sich aus folgender Formel:
wobei E_{1 =} elektrische Empfangsfeldstärke resultierend aus dem direkten Signal,

α = Bruchteil des vom Boden reflektierten Signales,
λ = Wellenlänge
h = Montagehöhe des Systemes
R = Abstand von Sender und Empfänger.

Die beiden Komponenten des empfangenen Signales besitzen somit eine Phasenverschiebung 0. Die Größe des empfangenen Signales hängt daher von der Größe der am Boden reflektierten Komponente (α) und von der Phasenverschiebung (Ø) ab.
Bei sehr niedrigen Werten des Winkels e , unter dem der Antennenstrahl den Boden trifft (vgl. Fig.2), ist die Größe der am Boden reflektierten Komponente gleich der direkten Komponente. Die Phasenverschiebung von 180°, welche die am Boden reflektierte Welle bei der Reflexion erfährt, trifft ferner sowohl auf horizontal wie vertikal, demgemäß kreisförmig polarisierte Wellen zu. Die am Boden reflektierte Komponente stellt daher bei Mikrowellenschranken ein allgemeines Problem dar, da sie bei bestimmten Entfernungen und bestimmten Montagehöhen die direkte Komponente auslöscht.
Praktische Mikrowellenantennen fokussieren die Strahlung in einen Strahl. Die Größe des am Boden reflektierten Signales wird dabei auch von der Strahlbreite der Antenne beeinflußt. Breitere Strahlen ergeben größere Werte des am Boden reflektierten Signales.
Fig.3 verdeutlicht den Bodenreflexionseffekt für eine vertikale Antenne mit einer Apertur von 20 cm und einer Montagehöhe von 100 cm über dem Boden. Das Diagramm zeigt die Abhängigkeit des Pegels des empfangenen Signales vom Abstand zwischen Sender und Empfänger. Die Ordinate ist in logarithmischen Einheiten des Empfangssignalpegels unterteilt. In der Abszisse ist - gleichfalls in logarithmischer Teilung - der Abstand zwischen Sender und Empfänger aufgetragen. Man erkennt, daß bei bestimmten Entfernungen, insbesondere bei 68 m, das empfangene Signal beträchtlich geschwächt wird. Der Grund hierfür liegt darin, daß an diesen Stellen die am Boden reflektierte Komponente gegenphasig zur direkten Komponente ist. Die Strahlbreite der Antenne gewährleistet , daß diese Effekte nicht bei sehr kurzen Entfernungen auftreten, da der Strahl den Boden erst in einem Abstand von 12 m von beiden Enden trifft (entsprechend somit einem Gesamtabstand von 24 m).
Die gestrichelte Kurve in Fig.3 zeigt den Einfluß einer Verringerung der Montagehöhe der Antenne um 10 cm. Der allgemeine Verlauf der Kurve bleibt hierbei ähnlich; die Lage der Minima ändert sich jedoch. Dies führt in der Praxis in Fällen zu Schwierigkeiten, in denen sich die effektive Montagehöhe durch das Wachstum der Vegetation oder durch Schneefall ändert. Hierdurch wird die effektive Montagehöhe verkleinert, was dazu führen kann, daß das empfangene Signal in den Minimumbereichen zu niedrig ist, um eine zuverlässige Funktion zu gewährleisten. Hieraus können Fehlalarme und sonstige Betriebsstörungen resultieren.
Eine Lösung dieses Problemes besteht darin, die Strahlbreite der Antennen zu verringern, um damit die am Erdboden reflektierte Welle zu verkleinern. Der sich dabei ergebende schmalere Antennenstrahl bietet jedoch keinen ausreichenden Schutz gegen ein Unterkriechen oder überspringen der Mikrowellenschranke durch einen Eindringling. Bei Verwendung sehr großer Antennen mit einer Apertur von 2 m wäre ein ausreichender Schutz am Erdboden und in einer Höhe von 2 m möglich; die große Antennen-Apertur ergäbe jedoch Schwierigkeiten im Hinblick auf die Ausrichtung des sehr schmalen Antennenstrahles (etwa 0,86°), ferner auch bezüglich der mechanischen Halterung, die zur Gewährleistung der Stabilität bei starkem Wind erforderlich ist.
Eine andere Lösung des durch den Bodenreflexionseffekt verursachten Problemes besteht darin, dafür zu sorgen, daß die am Boden reflektierte Komponente die direkte Komponente innerhalb der Installationsentfernung von 10 bis 200 m nie vollständig auslöscht. Zu diesem Zweck muß die Montagehöhe der Antenne verringert werden. Fig.4 zeigt in der voll ausgezogenen Kurve die Verhältnisse bei einer Montagehöhe der Antenne von 30 cm. Man erkennt bei einem Vergleich mit Fig.3, daß die relative Empfangssignal-Amplitude mit dem Abstand Sender/Empfänger kontinuierlich abnimmt und daß innerhalb des geforderten Abstandsbereiches keine Auslöscheffekte (wie bei Fig.3) auftreten. Die Verringerung der Montagehöhe gegenüber den Verhältnissen in Fig.3 bewirkt zwar eine Vergrößerung des am Boden reflektierten Signales, schließt jedoch eine vollständige Phasenopposition zum direkten Signal aus. Tatsächlich ergibt sich die erste Auslöschung bei einem Abstand (zwischen Sender und Empfänger) von 6 m, d.h. bei einem Wert, der in Praxis nicht benötigt wird.
Die gestrichelte Kurve in Fig.4 zeigt die Verhältnisse für eine Montagehöhe von 20 cm. Man erkennt, daß auch hier ein glatter Abfall der relativen Empfangssignal-Amplitude mit zunehmendem Abstand vorhanden ist und daß in dem dargestellten Abstandsbereich keine direkte Auslöschung eintritt.
Der Hauptnachteil dieser Ausführungen besteht jedoch darin, daß mit der Verringerung der Montagehöhe kein ausreichender Schutz in der Höhe gegeben ist, daß somit die Gefahr eines überspringens der Mikrowellenschranke durch einen Eindringling besteht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der geschilderten Nachteile eine Mikrowellenschranke zu entwickeln, die sowohl am Boden als auch in der Höhe einen einwandfreien Schutz gewährleistet, die ferner die geschilderten Nachteile einer weitgehenden Auslöschung der direkten Komponente durch die am Boden reflektierte Komponente vermeidet und die schließlich mit verhältnismäßig kleinen Antennenabmessungen, insbesondere einer kleinen Antennen-Apertur, auskommt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß wenigstens zwei Antennenstrahlen vorgesehen sind, von denen der eine eine bis zum Erdboden reichende Schutzzone bildet, während der andere gegenüber der Horizontalen um einen Winkel nach oben geneigt ist, der größer als die Leistungshalbwertbreite dieses Strahles ist.
Bei der erfindungsgemäßen Mikrowellenschranke sind der Sender und der Empfänger mit einer bzw. mehreren Antennen ausgerüstet, die so nahe am Erdboden angeordnet sind, daß keine durch Bodenreflexion bedingten Auslöscheffekte auftreten. Damit ist für das System unter allen Bodenbedingungen ein ausreichender Signalpegel gewährleistet. Erfindungsgemäß wird ferner wenigstens ein weiterer Antennenstrahl vorgesehen, der unter einem Winkel nach oben abgestrahlt wird, bei dem der Hauptteil des Strahles den Erdboden nicht trifft. Unter diesen Verhältnissen gibt es bezüglich dieses nach oben gerichteten Strahles kein am Boden reflektiertes Signal; die Änderung des Signalpegels mit der Entfernung bleibt daher glatt, und es treten keine Auslöscheffekte ein.
Jede Bewegung, die innerhalb dieses bzw. dieser oberen Strahlen auftritt, wird jedoch im Empfänger als eine Änderung im Signalpegel festgestellt. Dadurch ergibt sich eine wesentliche Verbesserung der Systemhöhe. Fig.5 zeigt das Grundschema des erfindungsgemäßen Zweistrahlsystems. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine einzige Sende- und Empfangsantenne mit einer Apertur von 20 cm vorgesehen, wobei zwei Antennenstrahlen mit einer Strahlbreite von 8,6° erzeugt werden. Die Strahlachse des unteren Antennenstrahles verläuft parallel zum Erdboden; die Strahlachse des oberen Antennenstrahles ist um 8,6° gegenüber der Horizontalen nach oben geneigt.
Bei einer Montagehöhe von 30 cm und einem Abstand zwischen Sender und Empfänger von 100 m trifft der untere Antennenstrahl den Erdboden in einer Entfernung von 4 m (von beiden Enden der überwachten Strecke) und erreicht die 2 m Höhe in einem Abstand von 21 m von beiden Enden. Der obere Antennenstrahl trifft den Erdboden nicht, so daß keine Änderungen des empfangenen Signalpegels durch Bodenreflexionen eintreten können; die 2 m Höhe erreicht der obere Antennenstrahl in einer Entfernung von 7 m von beiden Enden.
Weitere Antennenstrahlen können vorgesehen werden, um erforderlichenfalls einen zusätzlichen Schutz in der Höhe zu gewährleisten. Die Schaltung im Empfänger wird so vorgesehen, daß ein Alarm ausgelöst wird, wenn einer der mehreren Antennenstrahlen ganz oder teilweise unterbrochen wird.
Fig.6 veranschaulicht ein vollständiges Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mikrowellenschranke. Sie enthält einen Mikrowellensender und einen gesonderten Mikrowellenempfänger, die beide auf einer metallischen Grundplatte angeordnet sind.
Der Mikrowellensender enthält einen Mikrowellenoszillator 1, der einen GaAS-Feldeffekttransistor verwendet. Wird der Oszillator 1 von einer Treiberstufe 2 mit Spannung versorgt, so erzeugt er eine Schwingung mit der gewünschten Mikrowellenfrequenz. Das so erzeugte Mikrowellensignal wird durch einen Splitter 3 zwei Antennen 4, 5 zugeführt. Die untere Antenne 5 ist direkt auf den Empfänger ausgerichtet, während die obere Antenne 4 die Strahlung nach schräg oben abstrahlt, so daß der Hauptteil der Strahlung den Erdboden nicht berührt. Der Mikrowellensender enthält somit zwei verhältnismäßig kleine Antennen mit zwei voneinander unabhängigen Strahlrichtungen.
Der Empfänger ist am anderen Ende der zu überwachenden Strecke angeordnet. Die ankommende Mikrowellenstrahlung wird von zwei Antennen 6 und 7 aufgenommen. Hiervon ist die untere Antenne 7 nahe dem Erdboden angeordnet, so daß der am Erdboden reflektierte Strahlungsanteil die direkt vom Sender kommende Strahlung nie auslöschen kann. Die obere Antenne 6 ist so angeordnet, daß ihre Achse maximaler Empfindlichkeit nach schräg oben geneigt ist, während diese Antenne 6 nur eine sehr geringe Empfindlichkeit gegenüber dem vom Erdboden reflektierten Signal aufweist. Die Verwendung dieser zwei gesonderten Sende-und Empfangsstrahlen führt zu einer weitgehenden Immunität gegenüber Bodenreflexionseffekten und gleichzeitig zu einer guten höhenmäßigen Überwachung. Das von den Antennen 6 und 7 empfangene Signal wird in einem Mikrowellen-Mischer 8 kombiniert. Dieser Mischer 8 liefert ein Ausgangssignal, das der Vektorsumme der von den beiden Antennen gelieferten Eingangssignale entspricht.
Das resultierende Summensignal wird in einem Mikrowellendetektor 9 gleichgerichtet, der beispielsweise durch eine Schottky-Sperrdetektordiode gebildet sein kann. Diese Schaltung liefert eine kleine Ausgangsspannung proportional zur Größe des Summensignales.
Das gleichgerichtete Signal wird durch eine Reihe von Verstärkern verstärkt, deren Verstärkungsgrad veränderlich ist und mittels einer Schaltung 10 mit selbsttätiger Verstärkungsregelung automatisch eingestellt wird. Diese Schaltung 10 bewirkt eine langsame Anpassung der Verstärkung und kompensiert unterschiedliche Installationsentfernungen sowie Langzeiteffekte, wie Umgebungsänderungen, die durch Wachsen des Grases oder Schneefall verursacht werden. Kurzzeitänderungen, wie sie durch einen Eindringling verursacht werden, lösen keine Änderung des Verstärkungsgrades durch die Schaltung 10 aus. Derartige Änderungen des empfangenen Signalpegels gelangen vielmehr zur Prüf- und Halteschaltung 11.
Der Sender ist so ausgebildet, daß er aus Gründen der Stromersparnis Mikrowellenimpulse aussendet. Demgemäß besitzt auch das vom Empfänger aufgenommene Signal die Form von Impulsen. Das den Sender aktivierende Steuersignal wird von einem Trigger-Generator 14 im Empfänger über eine Verbindungsleitung zum Sender gesandt. Das Triggersignal dient auch zur Aktivierung der Prüf- und Halteschaltung 11 im Empfänger, die den Impulsausgang der Schaltung 10 in ein kontinuierliches Signal proportional zur Größe des Ausgangsimpulses umformt. Kommt ein Eindringling in den Bereich der Mikrowellenschranke, so hat dies eine niederfrequente Änderung des Ausgangssignales der Prüf-und Halteschaltung 11 zur Folge. Ein Schwellendetektor 12 verarbeitet dieses niederfrequente Signal und bestimmt die Größe und Geschwindigkeit des Eindringlings. übersteigt die Amplitudenänderung eine vorgegebene Schwelle, so wird eine Alarm-Ausgangseinrichtung 13 betätigt. Das Verhalten des Systems hängt davon ab, wo der Versuch des Eindringens stattfand.
Ein auf dem Boden kriechender Eindringling verursacht eine Änderung des von der unteren Antenne 7 aufgenommenen Signales. Ein Eindringling, der versucht, die Mikrowellenschranke nahe dem Sender zu überspringen, unterbricht den von der oberen Antenne 4 ausgesandten Strahl. Dies hat zur Folge, daß ein Teil dieses Signales zum Empfänger reflektiert wird, was - je nach der Relativstellung des Eindringlings- entweder von der oberen oder von der unteren Antenne 6 bzw. 7 festgestellt wird. Ein Eindringling, der versucht, die Mikrowellenschranke nahe dem Empfänger zu überspringen, reflektiert einen Teil des ausgesandten Signales zur oberen Empfangsantenne 6 und bewirkt hier eine Änderung des Signales.
In jedem Falle wird der Versuch eines Eindringens eine Änderung des empfangenen Signales an einer oder an beiden Empfangsantennen bewirken. Diese Signaländerung wird von den nachgeschalteten Kreisen verarbeitet.
Die Fig.7 und 8 zeigen den Sender und Empfänger. Die Antennen 4, 5, 6 und 7 sind in Planarform ausgebildet. Dabei besitzen die Antennen 4 und 6 denselben Strahlrichtungswinkel, jedoch einen anderen Strahlrichtungswinkel als die Antennen 5 und 7 (die insoweit untereinander identisch sind). Der Oszillator 1, der Splitter 3 und die Treiberstufe 2 sind auf einer Grundplatte 15a angeordnet, die zugleich die mechanische Halterung und die für die Funktion der Mikrowellenschaltung notwendige leitende Ebene (Masse) bildet.
Im Empfänger sind in entsprechender Weise alle Bauteile auf einer leitenden Grundplatte 15b angeordnet. Die Antennen 6 und 7 sind in gleicher Weise wie im Sender vorgesehen. Die Funktionen des Mischers 8 und des Detektors 9 sind in einem Mikrowellen-Empfangsmodul 30 zusammengefaßt. Der Ausgang dieses Empfangsmoduls 30 ist mit dem Eingang einer Empfängerschaltung 31 verbunden, die die Funktionen der Schaltung 10 mit selbsttätiger Verstärkungsregelung, der Prüf- und Halteschaltung 11, des Schwellendetektors 12, der Alarm-Ausgangseinrichtung 13 und des Triggergenerators 14 erfüllt.
Im folgenden sei die Funktion der Planarantenne erläutert, wenngleich grundsätzlich im Rahmen der Erfindung jede Antenne verwendbar ist, die einen gerichteten Antennenstrahl erzeugt.
Eine Planarantenne enthält ein Muster metallischer Streifen 19, die auf einen isolierenden dielektrischen Substrat 16 geätzt sind. Diese Streifen 19 befinden sich damit in einem bestimmten Abstand von einer leitenden metallischen Grundplatte 17 (vgl. Fig.9). Das Muster der metallischen Streifen 19 enthält eine Vielzahl von Dipolen 18 (von halber Wellenlänge), die an Speiseleitungen angeschlossen sind. Ein Mikrowellensignal wird dem Eingangsanschluß 20 zugeführt und verteilt sich auf acht Streifen 19, die die Speiseleitungen bilden. Das diesen Speiseleitungen zugeführte Mikrowellensignal wandert längs dieser Streifen bis zum Ende 21 und erregt hierbei die Dipole 18. Jeder Dipol strahlt das Mikrowellensignal in den Raum über der Planarantenne ab. Der Abstand zwischen den einzelnen Dipolen kann s_o gewählt werden, daß sich die von den einzelnen Dipolen ausgehenden Strahlungsanteile in Größe und Phase in einer bestimmten Winkelrichtung addieren und damit einen definierten Strahl erzeugen. Fig.10 zeigt ein Diagramm einer Speiseleitung und der zugehörigen Dipole.
In der horizontalen Richtung (Fig.9) besitzt das Mikrowellensignal in jedem Augenblick gleiche Amplitude und Phase. Dies gewährleistet, daß die maximale Strahlrichtung einen Winkel von 90° mit der Horizontalachse des Substrates einschließt.
In der Vertikalebene wird der Abstand der Dipole 18 so gewählt, daß sich die gewünschte Strahlrichtung ergibt. Sie läßt sich aus folgender Formel ermitteln:
wobei α = Strahlrichtung gegenüber der Senkrechten zur Substratebene,

ε_r ⁼ effektive relative Dielektrizitätskonstante des Substratmateriales,
Ä = Wellenlänge des Mikrowellensignales,
d = Abstand zwischen benachbarten Dipolen auf derselben Seite der Speiseleitung (vgl. Fig.10).

Fig.11 veranschaulicht die Maximum-Strahlrichtung bezogen auf die Ebene des Substrats.
Die Strahlbreite 0 jeder Antenne ist mit den geometrischen Abmessungen der strahlenden Apertur und mit der Strahlrichtung durch die bereits genannte Formel verknüpft
wobei λ = Wellenlänge des Mikrowellensignales,

a = effektive Apertur in Richtung der Strahlausbreitung.

Für eine Planaranordnung mit einem Strahl unter einem Winkel α ist die effektive Dimension der Apertur = a cosα.
Der Hauptteil der von einer Antenne abgestrahlten Energie liegt innerhalb eines Winkelbereiches von α+ θ/2. Um zu gewährleisten, daß der obere Strahl keine erhebliche Bodenreflexion erfährt, muß der Winkel α nach oben geneigt und größer als die halbe Strahlbreite (θ/2) der oberen Antenne sein. Es gilt also
Die unteren Antennen 5 und 7 werden so dimensioniert, daß sie ein maximales Signal im Empfänger liefern. Die Strahlwinkel dieser beiden Antennenstrahlen sollten zu diesem Zweck Null sein. Fig.12 zeigt die hieraus resultierende Anordnung.
Die obere verwendete Antenne besitzt eine vertikale strahlende Apertur von 34,5 cm, die untere Antenne eine solche von 32,5 cm. Dies ergibt für den oberen Antennenstrahl eine Strahlbreite von 5,0° und für den unteren Antennenstrahl eine Strahlbreite von 5,3°. Die obere Antenne erzeugt einen Strahl, der sich nach oben unter einem Winkel von 5,0° ausbreitet. Die Antennen sind auf einer starren Grundplatte angeordnet, die die korrekte Relativlage gewährleistet, zugleich die leitende metallische Halterung bildet und eine Befestigungsplatte für die elektronischen Bauteile darstellt. Die Montagehöhen der Antennen über dem Erdboden sind für das erläuterte Ausführungsbeispiel in Fig.13 dargestellt.
Bei dieser Anordnung trifft der untere Antennenstrahl den Erdboden in einer Entfernung von 4 m; der obere Antennenstrahl kreuzt die 2 m Höhe in einer Entfernung von 6 m. Eine solche Anordnung gewährleistet einerseits eine gute Bodenüberwachung und verhindert andererseits Versuche, die Mikrowellenschranke zu überspringen.
Während bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel die zur Erzeugung der zwei Antennenstrahlen dienenden Antennen vertikal übereinander angeordnet sind, zeigen die Fig.14 und 15 eine Variante: mit horizontal nebeneinander angeordneten Antennen.
Der Sender ist in Fig.14 dargestellt. und enthält eine Grundplatte 40, auf der die übrigen Teile des Senders angeordnet sind. Der Oszillator 43, der Splitter 44 und die Treiberstufe 45 sind wie bei dem zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel zwischen den - nunmehr horizontal nebeneinander angeordneten - Antennen 41 und 42 angeordnet. Die Antennen sind als Planarantennen ausgebildet. Die Antenne 41 erzeugt den unteren Antennenstrahl, deren Strahlachse eine Neigung von 0° aufweist. Die Antenne 42 erzeugt den nach oben gerichteten Antennenstrahl, der den Erdboden im wesentlichen nicht berührt.
Der in Fig.15 dargestellte Empfänger besitzt zwei Planarantennen 46, 47 (ähnlich denen im Sender), ferner einen Empfangsmodul 48 und eine Empfängerschaltung 50. Die genannten Bauteile sind auf einer metallischen Grundplatte 49 vorgesehen. Die Antenne 46 erzeugt den unteren Antennenstrahl, dessen maximale Empfindlichkeit bei einem Winkel 0 (gegenüber der Horizontalen) liegt, während die Antenne 47 den nach oben gerichteten Antennenstrahl erzeugt, der praktisch keine Bodenreflexion erfährt.
Die Funktion dieses Ausführungsbeispieles entspricht der der Variante mit vertikal übereinander angeordneten Antennen. Auch hier werden die Ausgangssignale der beiden Empfangsantennen vektoriell addiert und im Empfangsmodul gleichgerichtet. Wird entweder der untere oder der obere Antennenstrahl unterbrochen, so wird hierdurch ein Alarmsignal erzeugt.
Der Aufbau der Antennen dieses Ausführungsbeispieles ist etwas verschieden von der zuvoneerläuterten Ausführung. Fig.16 zeigt die Gestaltung der den unteren Antennenstrahl erzeugenden Antenne. Das vom Ausgang 51 des Splitters kommende Signal teilt sich auf acht übertragungsleitungen 52 auf. Eine Anzahl von Dipolen 54 mit halber Wellenlänge werden durch die längs der übertragungsleitungen 52 laufende Mikrowelle erregt. Die Anordnung ist so getroffen, daß in jedem Zeitpunkt die Phase und Größe des Signales auf den übertragungsleitungen 52 an einander entsprechenden Stellen (etwa längs der Linie 55) gleich ist. Die Dipole 54 sind so angeordnet, daß die kombinierte Abstrahlung einen Antennenstrahl bildet, dessen Strahlachse einen Winkel 0 gegenüber der Horizontalen bildet und der hauptsächlich in vertikaler Ebene polarisiert ist. Die Antennenanordnung befindet sich auf einem Isolierstoff-Substrat 53 wie bei dem zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel.
Die Strahlcharakteristik ist in Fig.17 dargestellt. Die Antenne 53 ist nahe dem Erdboden 56 angeordnet. Die Strahlachse besitzt einen Höhenwinkel von 0°. Aufbau und Funktion der zum unteren Antennenstrahl gehörenden Antenne auf der Empfangsseite sind im wesentlichen gleichartig.
Fig.18 zeigt die Ausbildung der Antenne für den oberen Antennenstrahl. Sie entspricht im wesentlichen der in Fig.16 dargestellten Antenne für den unteren Antennenstrahl, jedoch sind die übertragungsleitungen 57 so angeordnet, daß sich eine unterschiedliche Phase für die an die einzelnen übertragungsleitungen 57 angeschlossenen Dipole 58 ergibt. Die Phase für die Dipole jeder übertragungsleitung wird durch Wahl der Weglänge zwischen dem Eingang 59 und dem ersten Dipol der betreffenden Übertragungsleitung 57 gewählt.
Der Höhenwinkel α der Strahlachse (d.h. die Richtung maximaler Strahlstärke) läßt sich dann durch die Formel bestimmen:
wobei 1 und d die aus Fig.18 zu entnehmenden Abmessungen sind und ε_r die effektive relative Dielektrizitätskonstante des Substrates ist.
In der horizontalen Ebene besitzen die Antennen 41, 42, 46 und 47 ein Maximum, das in einer Richtung liegt, die senkrecht zur Ebene der Grundplatte 49 verläuft. Dies wird dadurch erreicht, daß der Abstand der einzelnen Dipole 58 an derselben Übertragungsleitung 57 exakt in Phase gewählt wird. Zu diesem Zweck wird der Abstand D wie folgt bestimmt:
wobei 7b = Wellenlänge ε_r = effektive relative Dielektrizitätskonstante des Substrats.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Antennen zur Erzeugung (bzw. zum Empfang) des oberen und unteren Antennenstrahles durch eine einzige, zusammengesetzte Antenne gebildet werden, ist in den Fig.20 und 21 dargestellt.
Der in Fig.20 dargestellte Sender enthält eine Planarantenne 60, die zwei gesonderte Antennenstrahlen erzeugt. Sie wird durch einen Oszillator 61 erregt, der von einer Treiberstufe 62 gespeist wird. Die ganze Anordnung befindet sich auf einer leitenden Grundplatte 63.
In entsprechender Weise enthält der in Fig.21 veranschaulichte Empfänger eine Planarantenne 64, die identisch wie die Antenne 60 ausgebildet ist. Das Ausgangssignal der Antenne wird einem Mikrowellen-Empfangsmodul 65 zugeführt und hier demoduliert. Die Verstärkung und Weiterverarbeitung des resultierenden niederfrequenten Signales erfolgt in einer gedruckten Empfängerschaltung 66, die damit beim Versuch eines Eindringens ein Alarmsignal liefert.
Der Aufbau der beiden Antennen 60 bzw. 64 ist in Fig.22 veranschaulicht. Die Antenne befindet sich auf einem Isolierstoff-Substrat 68, auf dem mittels Ätztechnik ein Muster leitender Streifen erzeugt ist. Acht streifenförmige Antennenelemente 70, 71 erregen eine Anzahl von Dipolen 69 derart, daß die gewünschten Strahlcharakteristiken erzielt werden.
Die Antennenelemente 70 sind so dimensioniert, daß die kombinierte Strahlung der von den Dipolen dieser Antennenelemente abgestrahlten Strahlungsanteile einen Antennenstrahl bildet, dessen Maximum senkrecht zur Ebene des Substrates 68 liegt.
Die Antennenelemente 71 sind dagegen so dimensioniert, daß die von ihren Dipolen erzeugte Strahlung einen Antennenstrahl bildet, der sich nach oben ausbreitet, so daß der Hauptteil dieses Antennenstrahles den Erdboden nicht berührt.
Eine Teilerschaltung 72 trennt das ankommende Signal im Sender in acht gleiche Teile, die die Antennenelemente 70 und 71 erregen. Im Empfänger entspricht 72 einer Kombinationsschaltung, die die Vektorsumme der Signale bildet, die von den Antennenelementen 70, 71 geliefert werden. Die Schaltung 72 summiert damit im Empfänger die Signale der beiden Antennenstrahlen.
Fig.23 veranschaulicht die entstehende Antennencharakteristik. Die Antennenanordnung 73 ist nahe dem Erdboden 74 angeordnet. Der untere Antennenstrahl 75 breitet sich mit einem Höhenwinkel 0 (d.h. Strahlachse parallel zum Erdboden) aus; infolgedessen wird jede Bewegung eines Eindringlings nahe dem Erdboden zu einer Änderung des Empfangssignales dieses unteren Antennenstrahles führen.
Der obere Antennenstrahl 76 breitet sich unter einem Höhenwinkel aus, der größer als die halbe Strahlbreite ist. Infolgedessen berührt dieser obere Antennenstrahl den Erdboden nicht. Da er keine wesentliche Bodenreflexion erfährt, ergibt sich eine glatte, kontinuierliche Abhängigkeit der Empfangssignalstärke von der Entfernung.
Die Fig.24, 24a zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein passiver Reflektor benutzt wird, um einen Teil des unteren Antennenstrahles nach oben umzulenken und auf diese Weise den oberen Antennenstrahl zu erzeugen.
Sender und Empfänger enthalten jeweils eine Mikrowellenantenne 77, die als Planarantenne, parabolische Antenne oder in sonstiger Weise ausgebildet sein kann und die einen Antennenstrahl 78 erzeugt, der sich in einer Richtung auf die Empfangsantenne hin ausbreitet. Ein passiver Reflektor 79 aus metallischem Material ist teilweise im Strahlengang angeordnet und reflektiert einen Teil des Antennenstrahles nach oben, so daß sich ein nach oben gerichteter Antennenstrahl 80 ergibt. Passiert ein Eindringling entweder den unteren Antennenstrahl 78 oder den oberen Antennenstrahl 80, so löst die hierdurch bewirkte Änderung des Empfangssignales einen Alarm aus.
Die Fig.25 und 26 veranschaulichen als weitere Variante die Anordnung eines Mikrowellenprismas im Strahlengang. Das Prisma 81 besteht aus dielektrischem Isolierstoff. Seine Abmessungen sind so gewählt, daß durch die Brechung der Mikrowellenstrahlung im Prisma die Ausbreitungsrichtung nach oben abgelenkt wird. Wie Fig.25 zeigt, ist das Prisma 81 vor einer Sendeantenne 82 angeordnet, deren Strahlachse in Richtung auf die entsprechende Antenne im Empfänger weist. Die auf das Prisma 81 fallende Strahlung wird nach oben gebrochen und bildet den oberen Antennenstrahl 83, der den Boden nicht berührt, während der untere Antennenstrahl 84 in der erläuterten Weise den Boden 85 trifft.
Fig.26 verdeutlicht die Funktion des Prismas 81. Die von der Sendeantenne kommende Strahlung 86 wird durch das Prisma 81 nach oben um einen Brechungswinkel α umgelenkt und bildet den oberen Antennenstrahl 87.
Eine weitere Möglichkeit, einen oder mehrere obere Antennenstrahlen zu erzeugen, besteht in der Verwendung einer Fresnel-Linse im unteren Antennenstrahl.
Eine Fresnel-Linse enthält eine Anzahl von Stufen in einem dielektrischen Isolierstoffmedium. Eine ankommende Mikrowelle durchläuft diese Fresnel-Rinse und strahlt mit einer Anzahl verschiedener Winkel ab, die durch das Interferenzmuster zwischen den die Schlitzteile und die nicht geschlitzten Hauptbereiche durchsetzenden Wellen bestimmt wird.
Wie Fig.27 zeigt, ist die Fresnel-Linse 88 im Hauptstrahl 91 der Sendeantenne 89 angeordnet. Die Linse 88 erzeugt eine Anzahl von nach oben gerichteten Antennenstrahlen 90, die die zusätzliche Höhen-Schutzzone der erfindungsgemäßen Mikrowellenschranke bilden.
Die Fresnel-Linse 88 ist in Fig.28 im einzelnen dargestellt. Sie enthält einen Block aus dielektrischem Isolierstoffmaterial, der eine Anzahl von Schlitzen 92 aufweist. Die Tiefe der Schlitze 91, die relative Dielektritzitätskonstante des dielektrischen Materiales und der Abstand der Schlitze bestimmen für eine vorgegebene Frequenz die Ausbreitungswinkel der abgehenden Strahlung. Die Linse 88 ist keilförmig ausgebildet, so daß die ankommende Strahlung zunächst nach oben gebrochen wird, ehe sie durch die Schlitze 92 hindurchtritt. Dadurch ist gewährleistet, daß die von der Fresnel-Linse abgestrahlten Antennenstrahlen sich hauptsächlich nach schräg oben hin ausbreiten.
Fig.29 zeigt schließlich ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein Beugungsgitter benutzt wird, um aus einem einzigen ankommenden Antennenstrahl eine Anzahl von unter unterschiedlichen Winkeln abgestrahlten Antennenstrahlen zu erzeugen. Das Prinzip entspricht im wesentlichen dem der erläuterten Fresnel-Linse. Das Beugungsgitter wird vor den Antennen angeordnet, die den unteren Antennenstrahl senden bzw. empfangen. Die ankommende Strahlung wird in eine Anzahl von Antennenstrahlen aufgeteilt, die sich hauptsächlich nach schräg oben hin ausbreiten und auf diese Weise den verbesserten Höhenschutz gewährleisten.
Das in Fig.29 dargestellte Beugungsgitter enthält einen Block 93 aus dielektrischem Isolierstoffmaterial, auf dem eine Anzahl metallisierter Streifen 94 vorgesehen sind. Die Lage und Breite dieser Streifen bestimmt die Richtungen der abgehenden Antennenstrahlen. Das Beugungsgitter wird keilförmig gefertigt, so daß die ankommende Strahlung zunächst nach oben gebrochen wird, ehe eine Streuung an den metallischen Streifen 94 erfolgt.

Claims

1. Mikrowellenschranke, enthaltend einen Mikrowellensender mit einer zugehörigen Sendeantenneneinrichtung sowie einen Mikrowellenempfänger mit einer zugehörigen Empfangsantenneneinrichtung, wobei Sender und Empfänger an den entgegengesetzten Enden einer zu überwachenden Strecke angeordnet sind und der Empfänger eine Schaltung enthält, die auf von einem Eindringling hervorgerufene Änderungen des empfangenen Signales anspricht,
dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens zwei Antennenstrahlen vorgesehen sind, von denen der eine eine bis zum Erdboden reichende Schutzzone bildet, während der andere gegenüber der Horizontalen um einen Winkel nach oben geneigt ist, der größer als die Leistungshalbwertbreite dieses Strahles ist.

2. Mikrowellenschranke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Erzeugung zweier voneinander unabhängiger Antennenstrahlen zwei gesonderte Antennen vorgesehen sind.

3. Mikrowellenschranke nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Antennen in vertikaler Richtung gegeneinander versetzt sind.

4. _Mikrowellenschranke nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Antennen in horizontaler Richtung gegeneinander versetzt sind.

5. _Mikrowellenschranke nach Anspruch'1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Erzeugung der beiden Antennenstrahlen eine einzige Antenne sowie eine Einrichtung zur Teilung des Antennenstrahles vorgesehen ist.

6. Mikrowellenschranke nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Teilung des Antennenstrahles durch einen Reflektor gebildet wird.

7. Mikrowellenschranke nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Teilung des Antennenstrahles durch ein Prisma gebildet wird.

8. _Mikrowellenschranke nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Teilung des Antennenstrahles durch eine Fresnel-Linse gebildet wird.

9. Mikrowellenschranke nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Teilung des Antennenstrahles durch ein Beugungsgitter gebildet wird.

10. Mikrowellenschranke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Erzeugung der beiden Antennenstrahlen eine einzige zusammengesetzte Antenne vorgesehen ist.

11. Mikrowellenschranke nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Antennen über einen Splitter mit demselben Mikrowellen-Oszillator verbunden sind.

12. Mikrowellenschranke nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Schaltung zur vektoriellen Addition der aus den beiden Antennenstrahlen abgeleiteten Signale.

13. Mikrowellenschranke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Empfangsseite vorgesehene Schaltung auf von einem Eindringling hervorgerufene Änderungen der von beiden Antennenstrahlen erzeugten Signale anspricht.