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Diese Erfindung betrifft Transponder
und insbesondere Transponder, die antennenbasierte Rückstrahler
verwenden, und Positionierungs/Nachführsysteme, die solche Transponder
nutzen.
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Ein Rückstrahler ist eine Vorrichtung,
welche auftreffende Strahlung, die auf ihn fällt, zurück auf ihrem Einfallsweg reflektiert.
Es ist bekannt, dass ein Rückstrahler
als die Basis für
einen aktiven oder passiven Transponder verwendet wird; die Grundidee dahinter
ist der Aufbau einer Kommunikationsverbindung durch Reflektieren
eines Abfragesignals zurück zu
seiner Quelle, indem so die Notwendigkeit nach einem Transmitter
und seinem Zubehör
am Ziel beseitigt wird.
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In der Anwendung von Radar auf die
terrestrische Verkehrskontrolle besteht zunehmender Bedarf, ein
Fahrzeug innerhalb des Überwachungsgebiets
zu erkennen, nachzuführen
und zu identifizieren. Dies ist von besonderer Wichtigkeit für das Hafen-
und Flughafen-Verkehrsmanagement, besonders in Anbetracht kleiner
Fahrzeuge mit natürlich kleinen
Radarquerschnitten (RCS/radar cross section). Gegenwärtig werden
einfache Rückstrahler,
die Winkelkonstruktionen umfassen, manchmal auf kleinen Booten benutzt,
um ihren RCS zu vergrößern. Offensichtlich
ist eine Anforderung von zukünftigen Transpondern,
die auf diesen Gebieten benutzt werden, die Einfachheit, leichtes
Gewicht, niedrige Kosten und geringer Leistungsverbrauch.
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Langstreckenerkennung wird traditionell durch
aktive Übertragung
einer Antwort an ein Abfrageradar erreicht. Solch ein Verfahren
wird von dem militärischen "Freund-Feind-Erkennungssystem (IFF/Interrogate
Friend or Foe) verwendet. Ein Nachteil dieser Methode ist die Anforderung
nach einer Transmitter- und Signalverarbeitungsausrüstung an Bord
des Ziels. Das Antwortsignal wird ebenfalls allseitig gerichtet übertragen,
was eine Sendeleistung erfordert, welche übermäßig groß ist, um die Kommunikationsverbindung
aufzubauen und ebenfalls die lokale Funkumgebung verunreinigt.
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Es ist bekannt, dass eine rückreflektierende Antenne
in einem Transponder verwendet wird. Eine solche Anordnung ist in
der US-Patentschrift Nr.
5,819,164 beschrieben,
welche ein Kommunikations- und Identifikationssystem offenbart,
das einen Transceiver und einen Transponder an mit Zwischenraum angeordneten
Orten umfasst. Der Transponder enthält einen Rückstrahler, der eine reflektierende
Oberfläche
umfasst, welcher den Reflexionskoeffizienten der reflektierenden
Oberfläche
moduliert, dadurch die rückreflektierten
Signale moduliert. Der Reflexionskoeffizient wird durch Anlegen
einer modulierten Vorspannung moduliert, welche funktionsfähig ist, um
die elektrische Phase und/oder Amplitude des rückreflektierten Signals zu
verändern.
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Es ist ebenfalls bekannt, dass die
Antenne als ein rückreflektierendes
Feld hergestellt wird. Solche Felder basieren auf dem Van-Atta-Feld,
das zuerst in der US-Patentschrift Nr.
2,908,002 beschrieben
wurde. Das Van-Atta-Feld umfasst ein ein- oder mehrdimensionales
Feld von Antennen, in welchem Antennenpaare durch Antennenleitungen
von gleicher elektrischer Länge
verbunden werden.
1 der
beigefügten
Zeichnungen zeigt ein eindimensionales Van-Atta-Feld, das sechs
Dipolantennen
1 bis
6 umfasst. Die Dipole werden
paarweise durch jeweilige Antennenleitungen folgendermaßen verbunden:
Dipole
1 und
6 – verbunden
durch die Antennenleitung
7;
Dipole
2 und
5 – verbunden
durch die Antennenleitung
8; und
Dipole
3 und
4 – verbunden
durch die Antennenleitung
9.
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Die Antennenleitungen 7, 8 und 9 sind
alle von gleicher elektrischer Länge
und es kann gezeigt werden, dass das Ergebnis einer solchen Verbindung ist,
dass eine elektromagnetische Wellenfront A bis F, die auf das Feld
auftraf, von dem Feld weg zurück längs der
Einfallsrichtung reflektiert wird.
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Man betrachte eine unter einem Winkel θ zu der
x-Achse einfallende ebene Welle. Wenn man die Punkte A bis F in
der auftreffenden Wellenfront nimmt, so wird die Energie von Punkt
A von der Antenne 1 empfangen und von der Antenne 6 zurückgestrahlt,
die Energie von Punkt F von der Antenne 6 absorbiert und
von der Antenne 1 zurückgestrahlt, und
so weiter für
die anderen Antennenpaare. Die Pfadlängen AF, BE und CD sind alle
gleich und die abgestrahlte Leistung von jeder Antenne wird daher konstruktiv
in der Richtung θ addiert,
d. h. die reflektierte Welle ist in der gleichen Richtung wie die
auftreffende Welle.
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Ein Problem entsteht in der praktischen
Verwendung des Van-Atta-Felds wegen der Anforderung, dass alle Übertragungszeiten
die gleiche elektrische Länge
aufweisen müssen.
Das Herstellen eines zweidimensionalen ebenen Felds zum Beispiel ist
fast unmöglich,
wenn die zusätzliche
Erschwernis und die Kosten von Kreuzungspunkten zu vermeiden sind.
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In einem ersten Gesichtspunkt der
vorliegenden Erfindung wird dieses Problem vermieden, indem vorgesehen
wird, dass die Länge
der Antennenleitungen, die die einzelnen Antennen in dem Feld miteinander
verbinden, von einer Länge
l sind, die durch:
l = A ± nλ gegeben
ist,
wo:
A eine willkürliche
Länge ist;
n
Null oder eine ganze Zahl ist;
λ die Wellenlänge der zu rückreflektierenden
elektromagnetischen Welle ist.
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Wenn n = 0 für alle Antennenleitungen ist, dann
definiert dies in Wirklichkeit ein Van-Atta-Feld, da die Antennenleitungen
in einem solchen Feld alle von einer gleichen willkürlichen
Länge sind.
Folglich wird in der vorliegenden Erfindung ferner vorausgesetzt,
dass mindestens einige der Antennenleitungen einen von Null abweichenden
Wert von n aufweisen. Es ist daher der vorliegenden Erfindung inhärent, das nicht
alle Antennenleitungen die gleiche Länge aufweisen.
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Die Längenzunahme einer der Antennenleitungen 7 bis 9 um
einen Wert, der gleich einem Vielfachen der Wellenlänge des
ankommenden Signals ist, bedeutet, dass das abgehende Signal, wenn
es die Ebene A–F
erreicht, die gleiche Phase aufweisen wird, die es aufgewiesen hätte, wenn
die entsprechende Antennenleitung nicht verlängert worden wäre. Folglich
wird die Leistung von jeder Antenne trotzdem konstruktiv in der
Richtung θ addiert
und das Feld arbeitet weiter auf eine rückreflektierende Art und Weise.
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Die Anordnung ist jedoch nun frequenzempfindlich,
weil das abgehende Signal nur in Phase bei Ebene A–F ankommen
wird, wenn die zusätzliche Länge der
Verbindungsantennenleitung ein Mehrfaches der ankommenden Wellenlänge ist.
Dies kann als ein Nachteil wahrgenommen werden, ist aber tatsächlich oft
sogar ein Vorteil, weil sie, besonders in Sicherheitsanwendungen
oder militärischen
Anwendungen einen zusätzlichen,
obgleich kleinen, Grad der Sicherheit bereitstellt. In der Praxis
ist es keine Schwierigkeit, dass eine einzelne Abfragefrequenz verwendet
werden muss, besonders wenn man beachtet, dass die Antennen selbst
bereits frequenzselektiv sind. Daneben kann die Vorrichtung als
ein Filter wirken, das an einen Abfragetransceiver nur eine einzelne
Frequenz oder in der Praxis ein Durchlassband von Frequenzen zurückgibt.
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Die Verwendung von Antennenleitungen
ungleicher Länge,
wie oben beschrieben wurde, ermöglicht,
dass zweidimensionale rückreflektierende
Antennenfelder auf jedem der bekannten Medien, wie zum Beispiel
Mikrostreifen, Streifenleitung oder dielektrischen oder optischen
Hohlleitern hergestellt werden können,
aber ebenfalls ermöglichen
würde, dass
Felder in herkömmlichen
Hohlraumwellenleitern eingebaut werden können. Sogar wenn das Feld nicht
eben ist, erleichtert die Fähigkeit,
einige der Antennenleitungen von unterschiedlichen Längen zu anderen
herzustellen, das physikalische Designproblem des Zusammenschaltens
von Paaren von Antennen in einem zweidimensionalen Feld beträchtlich.
In Wirklichkeit bietet die Erfindung beinahe völlige Freiheit, was die Länge der
Antennenleitungen betrifft, was den Designprozess sehr unterstützt. Offensichtlich
ist jedoch eine Obergrenze der Länge
vorhanden, oberhalb derer Antennenleitungsverluste inakzeptabel
werden. Ebenfalls werden große
Längenunterschiede
Unterschiede in den Verlustkennlinien in den Beziehungen wie zwischen
verschiedenen Antennenleitungen verursachen, welche den Betrieb verschlechtern
können,
wenn sie übermäßig durchgeführt werden.
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Die Randbedingungen oben vorausgesetzt, kann
die Länge
A buchstäblich
willkürlich
ausgewählt werden
und kann sogar Null sein, aber ein Nullwert würde eine unscharfe Beschränkung auf
die Längen der
Antennenleitungen auferlegen, nämlich
dass sie alle gleich einem Vielfachen der Wellenlänge sein müssten. Vernünftiger
kann die Länge
A so ausgewählt
werden, dass sie entweder die kleinste oder die größte passende
physikalische Länge
ist, und die restlichen Längen
werden entweder die gleiche wie die willkürliche Länge sein oder, wo dies aufgrund
der physikalischen oder anderen Randbedingungen nicht möglich ist,
größer oder
kleiner als die willkürliche
Länge um
einen Wert sein, der gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge ist.
Folglich ist es möglich,
dass jedes Feld eine oder zwei Antennenleitungen aufweist, welche
sich in der Länge
vom Rest unterscheiden oder im anderen Extrem kann jede einzelne
Antennenleitung eine unterschiedliche Länge aufweisen, die natürlich alle
der oben angeführten
Längenformel
unterliegen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung werden
Mittel für
das Modulieren des rückreflektierten
Signals bereitgestellt, so dass sich das Ziel selbst an den Abfragesender
identifizieren kann. Geeigneterweise umfassen die Modulationsmittel
eine Modulationsvorrichtung, die in mindestens einer und vorzugsweise
allen der Antennenleitungen geschaltet wird, um das Signal zu modulieren,
das von einer Antenne des Felds zu einer anderen durch die Antennenleitung übertragen
wird. Jede Modulationsvorrichtung kann eine aktive oder passive
Schaltungsanordnung umfassen.
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Die Modulationsmittel können durch
jede Vorrichtung realisiert werden, welche funktionsfähig ist,
um das Signal zu modulieren, so dass die Modulationsprodukte in
dem Frequenzbereich erzeugt werden. Folglich kann die Modulation
das Umschalten in den Zeitbereich umfassen, um die Amplitudenmodulation
oder die Frequenz-/Phasenmodulation zu erreichen, oder die Modulation
kann verschiedene Formen des Splittens des Signals, das Verzögern der Trennkomponenten
durch Verändern
der Werte und folglich das Rekombinieren der verzögerten Komponenten
umfassen, um ein Multiplexsignal zu erzeugen, das eine Summierung
der einzelnen Komponenten umfasst. In allen Fällen verursacht der Modulationsprozess
in dem Frequenzbereich Modulationsprodukte.
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Anwendungen für solch einen Transponder beinhalten
ein Bodenradargerät
für die
Fahrzeugidentifizierung und -ortung, Landesysteme für die Luftfahrt,
die terrestrische Kommunikation und die Weltraumkommunikation, lokale
Netze und die terrestrische Verkehrskontrolle, wie zum Beispiel
das Hafen- und Flughafenmanagement, wo eine große Anzahl von kleinen Fahrzeugen
nachzuführen
ist. Andere Anwendungen beinhalten die Radarmessung und -navigation,
wie zum Beispiel Satellitensysteme, die Fernerkundung, Straßenfahrzeugsysteme
und allgemeine Seefahrtsuanwendungen. Zum Beispiel kann der Transponder
an einer Schiffs- oder Luftfahrtsnavigationsbake zum Beispiel einer
Boje oder einem Leuchtturm befestigt werden. Wenn das rückreflektierte
Signal mit einem Code moduliert wird, der für das Ziel eindeutig ist, kann
das Ziel sich selbst an den Abfragesender identifizieren. Alternativ
kann die Modulationsvorrichtung Mittel zum Frequenzmodulieren des
rückreflektierten
Signals enthalten, um die Dopplerverschiebung zu simulieren, um
so das Ziel beweglich erscheinen zu lassen, wenn es in Wirklichkeit
nicht ist oder umgekehrt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst
die Modulationsvorrichtung Umschaltungsmittel, die durch ein modulierendes
Signal gesteuert werden, wobei die Umschaltungsmittel funktionsfähig sind,
um zyklisch ein ankommendes Signal über mehrere Pfade umzuschalten,
von denen mindestens einige Schaltungselemente enthalten, die funktionsfähig sind,
um einen Parameter des Signals zu verändern und folglich das Signal
bei der Frequenz des modulierenden Signals zu modulieren. Zum Beispiel
können
die Schaltungselemente Mittel zum Ändern der Amplitude oder der
Phase des Signals umfassen, das sich über die Antennenleitung ausbreitet, folglich
eine amplituden- oder
phasenmodulierte Welle erzeugt.
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In einer Ausführungsform, um die Amplitudenmodulation
zu realisieren, sind die Schaltungsmittel funktionsfähig, um
das ankommende Signal abwechselnd mit einer Geradeausverbindung,
in welcher das Signal durch die Vorrichtung mit seiner im Wesentlichen
unveränderten
Amplitude hindurchgeht und mit einer Last, welche das Signal vollständig oder
teilweise absorbiert, zu verbinden. Ebenso sind, um die Phasenmodulation
zu realisieren, die Umschaltungsmittel funktionsfähig, um
das ankommende Signal abwechselnd zwischen zwei Pfaden von verschiedener
Pfadlänge
zu verbinden. Vorzugsweise ist die Differenz zwischen den Pfadlängen die Hälfte der
Wellenlänge
des ankommenden Signals. Die Umschaltungsmittel umfassen vorzugsweise Halbleiterschalter,
wie zum Beispiel Schaltdioden.
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In einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung umfasst die Modulationsvorrichtung Splittermittel
für das
Splitten des ankommenden Signals in mindestens zwei Pfade, ein Schaltungselement, das
in jedem Pfad geschaltet wird und funktionsfähig ist, um einen Parameter
des Signals zu verändern, das über den
Pfad übertragen
wird. Außerdem
werden Kombinatormittel für
das Rekombinieren der Signale von den einzelnen Pfaden bereitgestellt.
Vorzugsweise nehmen diese Schaltungselemente die Form von Verzögerungselementen
an, wobei die Anordnung so ist, dass die Verzögerungszeiten für die verschiedenen
Pfade unterschiedlich eingestellt werden, so dass das rekombinierte
Signal eine Summierung des ursprünglichen, über die
Antennenleitung übertragenen
Signals ist, das durch verschiedene Werte verzögert wurde.
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Bis jetzt wurde angenommen, dass,
obgleich die Modulationsmittel fähig
sind, Informationen an das rückreflektierte
Signal mitzuteilen, diese Informationen im Wesentlichen durch die
Charakteristika der Modulationsmittel bestimmt werden und zum Beispiel Identifikationsinformationen
umfassen können,
welche das Objekt identifizieren, an dem der Transponder befestigt
ist. Jedoch können
in einer Ausführungsform
der Erfindung die Modulationsmittel derart sein, um transiente Informationen
zu übertragen,
sowohl als auch oder anstatt der "feststehenden" Informationen, auf die oben verwiesen
wurde. Zu diesem Zweck kann der Transponder ferner veränderbare Eingabemittel
umfassen, zum Beispiel einen Sensor zum Erzeugen eines Signals,
das auf einen Parameter hinweist, der sich vielleicht auf die Umgebung
lokal zu dem Transponder bezieht, dessen Signal an die modulierenden
Mittel übertragen
wird, um die Modulation in bestimmter Weise in Übereinstimmung mit dem Signal
zu verändern.
Folglich könnte,
wo zum Beispiel der Transponder auf einem beweglichen Objekt ist,
der Sensor ein Signal erzeugen, das auf die Position des Objekts
hinweist, so dass ein Abfragetransceiver zurück von dem Transponder nicht
nur "feststehende" Informationen, die
das Objekt identifizieren, sondern auch transiente Informationen,
die seine Position angeben, empfangen wird. Sensoren können ebenfalls
solche Dinge wie die lokale Temperatur oder den Druck oder das Vorhandensein
von schlecht funktionierenden Ausrüstungen erkennen.
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Die Art, in welcher das Signal vom
Sensor auf der Modulation arbeitet, wird vom Typ der verwendeten
Modulation und der Natur des Sensorsignals selbst abhängen.
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Die veränderbaren Eingabemittel können alternativ
oder sowohl als auch eine Form von manueller Eingriffsvorrichtung
beinhalten. Zu diesem Zweck können
die veränderbaren
Eingabemittel eine Eingabevorrichtung enthalten, wie zum Beispiel
eine Tastatur oder einen Tastenblock, welche verwendet werden könnten, um
Informationen einzugeben, welche die Modulationsmittel veranlassen
würden,
das modulierte Signal zu verändern.
In dieser Weise könnte eine
Person in der Nähe
des Transponders Meldungen über
das rückreflektierte
Signal senden. Solche Meldungen könnten lokal in einem Speicher
solange gespeichert werden, wie der Abfragetransceiver den Transponder
wobbelt.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung werden Verstärkermittel
in mindestens einer und vorzugsweise allen der Antennenleitungen
bereitgestellt, um das Signal zu verstärken, das von einer Antenne
des Felds an eine andere über
die Antennenleitung übertragen
wird. Solche Verstärkermittel
sind vorzugsweise bidirektional, d. h. sie sind fähig Signale
zu verstärken,
die sich in jeder Richtung ausbreiten.
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Die Verstärkermittel können anstatt
der oder zusätzlich
zu den oben erwähnten
Modulationsmitteln verwendet werden; tatsächlich können die Verstärkermittel
selbst moduliert werden, um beide Funktionen in einer einzelnen
Einheit bereitzustellen.
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In einem weiteren Gesichtspunkt der
Erfindung wird ein Positionierungs/Nachführsystem für feststehende oder bewegliche
Objekte bereitgestellt, wobei das System mindestens einen modulierten Transponder,
einen Transmitter für
das Senden eines Signals, um den oder jeden Transponder zu beleuchten,
einen Empfänger
für das
Empfangen des rückreflektierten
Signals von dem Transponder oder den Transpondern und Diskriminatormittel
innerhalb des Empfängers
für das
Demodulieren des modulierten Signals von dem Transponder oder den
Transpondern, um ein gewünschtes,
zu erkennendes reflektiertes Signal freizugeben, umfasst, wobei
das System dadurch gekennzeichnet ist, dass der Transponder Mittel
für das
Wobbeln seiner übertragenen Übertragungsfrequenz
beinhaltet.
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Zum Beispiel kann jeder Transponder
an einem feststehenden oder beweglichen Objekt befestigt werden,
dessen Position festzustellen ist. Alternativ können die mehreren, mit Zwischenraum
angeordneten modulierten Transponder verwendet werden, um die Entfernungsbestimmung
zu erreichen.
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Eine besondere Ausführung solch
eines Systems ist ein Fahrzeug-Positionierungs-/Nachführsystem,
zum Beispiel für
Flughäfen,
wo das Objekt die Form eines Fahrzeugs annimmt, zum Beispiel ein Flughafen-Servicefahrzeug
oder ein Flugzeug, welches auf der Rollbahn rollt oder landet – ein Flugzeug- Blindlandungssystem.
Für diesen
Zweck wird ein modulierter Rückstrahler
auf dem Fahrzeug montiert, so dass seine Position ohne weiteres
durch einen zugeordneten Beleuchtungstransmitter und Abfrageempfänger ermittelt
werden kann. Die Verwendung der Modulation verbessert die Fähigkeit
des Empfängers
sehr, das gewünschte
Fahrzeug aus dem gestörten
Hintergrund zu diskriminieren, da die Modulation eine eindeutige "Radarsignatur" bereitstellen kann,
welche sich identifizieren lässt.
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Das Ziel umfasst entweder oder weist
darauf montiert einen modulierten Rückstrahler, zum Beispiel des
oben beschrieben Typs, auf.
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Für
den Aufbau einer Duplexkommunikationsverbindung kann ein passiver
Transponder (d. h. einer, in welchem kein Transmitter vorhanden
ist) erforderlich sein, um seinen Zustand in Abhängigkeit von einem Stimulus,
der aus einem innerhalb der Beleuchtungsstrahlung enthaltenen Steuersignal
abgeleitet wird, zu ändern.
Die Mikrowellen-Reflexionsantenne ist sehr geeignet für die Modifikation,
um die Anforderung für
solch eine Zweiwegverbindung zu erfüllen. Da das Feld Antennen
und Antennenleitungen umfasst, welche die auftreffende Mikrowellenstrahlung
effizient in die Mikrostreifenschaltung (im Gegensatz zu den optischen
Winkelreflektoren) führen,
ist diese Strahlung verfügbar,
um durch eine zusätzliche
Logikschaltung abgetastet und verarbeitet zu werden. Der Transponder
kann dann auf die ankommenden Steuerstimuli reagieren und seinen
Zustand der Modulation entsprechend ändern.
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Der Transponder kann eigengespeist
sein, zum Beispiel durch die auftreffende Strahlung, in einer ähnlichen
Weise wie eine herkömmliche
Funkmarkierung, aber die Energie, die so aufgenommen wurde, würde nicht
als RF zurückgestrahlt,
sondern nur für
den bescheidenen Strombedarf der Modulationsschaltung, die im passiven
Feld integriert ist, verwendet werden. Da hohe Datenraten möglich sind (gegenwärtig 10
MHz), könnte
ein Transponder, der in diesem Modus betrieben wird, eine "Pause" oder eine Aufladeperiode
aufweisen, welche lang im Vergleich zu der Periode des Energieverbrauchs
ist, wo die Modulation eingeschaltet ist, wobei trotzdem noch eine
Informationsrate von vielen Kbit/s übertragen wird. Die notwendigen
Arbeitszyklen werden aus den Leistungsbilanzen abgeleitet, die in
einer gegebenen Systemanwendung verfügbar sind.
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Um die Erfindung besser verstehen
zu können,
werden mehrere ihrer Ausführungsformen
nun nur beispielhaft beschrieben und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen,
in welchen zeigen:
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1 – eine schematische
Seitenansicht eines eindimensionalen rückreflektierenden Antennenfelds
des Van-Atta-Typs;
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2 – eine schematische
Draufsicht eines 4 × 4-Mikrostreifen-Antennenfelds
für die
Verwendung in dem Transponder der vorliegenden Erfindung;
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3 – eine schematische
Draufsicht der gegenüberliegenden
Seite des Mikrostreifenfelds von 2,
die die Zusammenschaltungen auf der Rückseite zeigt;
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4 – eine schematische
Ansicht der Schaltung, die verwendet wird, um die Amplitudenmodulation
zu erreichen;
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5 – eine Ansicht,
die die Modulationsschaltung von 4 detaillierter
zeigt;
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6 und 7 entsprechen jeweilig 4 und 5, zeigen aber ein Beispiel der Schaltung,
die verwendet wird, um die Phasenmodulation zu erreichen;
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8 – ein Blockschaltbild
eines Mikrowellentransponders, der ein rückreflektierendes Antennenfeld
aus 16 Elementen enthält;
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9 und 10 – Schaubilder, die alternative Modulationsvorrichtungen
darstellen;
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11 bis 15 – grafische Darstellungen,
die die Ergebnisse von Tests darstellen, die an einem Transponder
durchgeführt
wurden, der gemäß der Erfindung
eingebaut ist und ein 4 × 4-rückreflektierendes
Antennenfeld enthält,
wie zum Beispiel in 8 dargestellt
ist;
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11 zeigt
die Variation des Feld-RCS mit Elevationswinkel; die Volllinie zeigt
verbundene (rückreflektierende)
Dipolpauare, die punktierte Linie zeigt Dipole mit Lasten 50 Ω;
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12 zeigt
die Seitenband-Frequenzkurve für
eine amplitudenmodulierte, reflektierte RF-Welle bei 0° Azimut zur
Zielrichtung des Felds;
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13 entspricht 12, zeigt aber die Frequenzkurve
bei 35° Azimut
zu der Zielrichtung des Felds;
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14 ist
eine Ansicht ähnlich
wie 12, die aber die
Seitenband-Frequenzkurve für
eine phasenmodulierte reflektierte Welle bei 0° Azimut (A) und bei 35° Azimut (B)
zu der Zielrichtung des Felds zeigt;
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15A, B sind Schaubilder, die eine Anwendung
des modulierten Transponders der vorliegenden Erfindung in einem
Fahrzeugnachführungssystem
für die
Verwendung in Flughäfen
zeigen;
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16 ist
ein Schaubild eines Radarsystems, das die modulierten Transponder
der vorliegenden Erfindung enthält;
und
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17A, B sind Schaubilder, die die Ergebnisse
von Tests zeigen, die an dem System durchgeführt wurden, das in 16 dargestellt ist.
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Unter Bezug zuerst auf 2 wird gezeigt, wie ein
zweidimensionales Feld unter Verwendung der Mikrostreifenverfahren
realisiert werden kann. Das Antennenfeld wird auf einer Platine 71 aus
isolierendem Material hergestellt, auf welcher rechteckige Flächen 72.1 bis 72.16 aus
leitendem Material gebildet werden. Jede rechteckige Fläche dient
als eine einzelne Antenne, so dass zu erkennen ist, dass die Zeichnung
ein 4 × 4-Feld
darstellt. Die RF-Zuleitung umfasst eine hochohmige Mikrostreifen-Antennenleitung 74,
welche die Antennenimpedanz an die Impedanz eines Mikrostreifenplättchens 73 anpasst,
das mit der Mikrostreifenschaltung auf der Rückseite der Platine 71 gekoppelt
wird. Wie in 3 gezeigt
ist, werden die Zusammenschaltungen zwischen den einzelnen Antennen,
die das Feld bilden, geeigneterweise auf der Rückseite der Platine 71 hergestellt.
In solch einem Feld würde
die Antenne unter Verwendung der Mikrostreifen-Antennenleitungen 75 bis 82 folgendermaßen zusammengeschaltet:
- Antennenleitung 75: 72.1 bis 72.16
- Antennenleitung 76: 72.2 bis 72.15
- Antennenleitung 77: 72.3 bis 72.14
- Antennenleitung 78: 72.4 bis 72.13
- Antennenleitung 79: 72.5 bis 72.12
- Antennenleitung 80: 72.6 bis 72.11
- Antennenleitung 81: 72.7 bis 72.10
- Antennenleitung 82: 72.8 bis 72.9
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In Reihe verbunden mit jeder der
Antennenleitungen 75 bis 82 ist ein Verstärker (nicht
gezeigt) und/oder eine Modulationsvorrichtung 43. Aus 3 ist ersichtlich, dass
es, um die physikalischen Anforderungen des Zusammenschaltens der
Antennen auf die oben beschriebene Art zu realisieren, und ohne dass
sich eine Antennenleitung mit einer anderen kreuzt, notwendig ist,
dass mindestens einige der Antennenleitungen 75 bis 82 eine
unterschiedliche Länge
gegenüber
anderen aufweisen. In der vorliegenden Erfindung wird dies durch
Herstellen aller Antennenleitungen von einer Länge l erreicht, so dass:
l
= A ± nλ
wo:
A
eine willkürliche
Länge ist;
n
Null oder eine ganze Zahl ist; und
λ die Wellenlänge der elektromagnetischen
Welle ist.
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Der Wert A kann, abhängig von
der Diskussion oben, willkürlich
ausgewählt
werden, aber sobald er ausgewählt
wurde, ist er für
alle Antennenleitungen eines einzelnen Felds der gleiche. Es ist
zu beachten, dass die Länge
l die Gesamtlänge
von einer Antenne zu einer anderen ist, und daher die Länge der
verbindenden Antennenleitungen 74 und der Mikrostreifenplättchen 73 an
jedem Ende, sowie irgendwelche Längeneffekte
innerhalb der Modulationsvorrichtungen 43 einschließt. Allgemein
ausgedrückt, werden
die Auswirkungen dieser Längen
für jede
Antennenleitung die gleichen sein, wie in dem Beispiel veranschaulicht
ist, und die Längen
können
daher fiktiv innerhalb der willkürlichen
Länge A
einbezogen werden. Wenn sich jedoch einer dieser Faktoren zwischen
den Antennenleitungen unterscheidet, so muss dies berücksichtigt
werden.
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Aus 3 ist
ersichtlich, dass die Antennenleitung 81 die kürzeste ist
und eine geeignete Art der Berechnung der restlichen Längen sein
würde,
die Länge
dieser Antennenleitung zu berücksichtigen, die
möglicherweise
die Längen
der Objekte 43, 73 und 74, wie oben diskutiert,
als die willkürliche
Länge A
enthält.
Mit anderen Worten, der Wert von n ist in diesem Falle Null. Nachdem über den
Wert der Länge
A entschieden wurde, können
die restlichen Längen
mit verschiedenem Wert von n gemäß den einzelnen
physikalischen Anforderungen eingestellt werden. Andere Wege des
Einstellens der Länge
A werden für
den Fachmann offensichtlich.
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Beim Entscheiden über die Positionen der Antennenleitungen 75 bis 82 ist
es wünschenswert, Überkreuzungen
zu vermeiden, da diese unverzüglich
die Anwesenheit von zusätzlichen
Schichten der Schaltung mit sich bringen, mit zusätzlicher
Erschwernis und Kosten, sowie der Gefahr der elektromagnetischen
Wechselwirkung, wenn sich benachbarte Antennenleitungen einander
zu dicht nähern.
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Die Modulationsvorrichtungen 43 und
Verstärker
(falls bestückt)
können
irgendwo längs
der Antennenleitung positioniert werden, wie durch die physikalischen
Randbedingungen des Layouts diktiert wird. Die Modulationsvorrichtungen
arbeiten in einer bidirektionalen Weise und daher sollte ihre Position
in der Antennenleitung den Betrieb nicht beeinflussen.
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Ein gedrucktes 4 × 4-Feld, das nach den obigen
Prinzipien hergestellt wurde, wurde bei RF-Frequenzen in dem Bereich
von 9 bis 9,5 GHz und Modulationsfrequenzen bis zu 10 MHz unter
Verwendung von einer Leistung von ungefähr 0,1 mW demonstriert, um
PIN-Dioden-Phasenschalter anzusteuern, die auf der Rückseite
des Felds aufgedruckt wurden. Das Feld misst ungefähr 100 mm
im Quadrat.
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Die Modulationsvorrichtungen 43 sind
bestimmt, um die Modulation des rückreflektierten Signals zu
erreichen. Die Modulation kann durch verschiedene Mittel bewirkt
werden, sowohl aktive, als auch passive, und die folgende Beschreibung
enthält Beispiele
für geeignete
Vorrichtungen.
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4 und 5 veranschaulicht eine Vorrichtung
für das
Amplitudenmodulieren des rückreflektierten
Signals. Eine repräsentative
Antennenleitung ist unter dem Bezugszeichen 10 gezeigt,
aber es versteht sich, dass mehrere oder vorzugsweise alle der Antennenleitungen ähnlich ausgerüstet werden.
Ein gleichlaufender zweipoliger Wechselschalter S1(a), S1(b) wird
in der Antennenleitung geschaltet, wie gezeigt ist, und ist funktionsfähig, um
Signale zu schalten, die sich über
die Antennenleitung in jeder Richtung in das eine oder das andere
eines Paars von angepassten Lasten 11, 12 ausbreiten.
Zum Beispiel, wo die Antennenleitungen 50 Ω-Koaxialkabel
sind, würden
die Lasten 11, 12 Widerstände 50 Ω umfassen.
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4 zeigt
den Schalter S1 in seinen zwei alternativen Positionen. 4A zeigt eine erste Position,
in welcher das Signal unbeeinflusst übertragen wird und mit dem
Schalter in dieser Position, wobei das Feld wie ein normales rückreflektierendes
Feld arbeiten wird. 4B zeigt
eine zweite Position, in welcher das Signal, das sich von der linken
Seite der Zeichnung nähert,
hineingeschaltet und durch die Last 11 absorbiert wird,
und das Signal, das sich von der rechten Seite der Zeichnung nähert, hineingeschaltet
und durch die Last 12 absorbiert wird.
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5 veranschaulicht,
wie die Amplitudenmodulationsschaltung von 4 auf einem Mikrostreifen realisiert
werden kann, der ungefähr
50 mm × 50
mm misst. Die RF-Signale werden in die Schaltung und aus ihr heraus
an den Klemmen 13, 14 übertragen, an welchen die Antennenleitung 10 (nicht
gezeigt) befestigt wird. Die Schaltung des Schalters wird durch
entsprechende Kondensatoren C1 und C2, die mit den Klemmen 13 und 14 jeweilig durch
den 50 Ω-Mikrostreifen 15, 16 entsprechend verbunden
sind, getrennt. Der Kondensator C1 wird über den 50 Ω-Mikrostreifen 17 mit
der Kathode einer Schaltdiode D1, zum Beispiel einer PIN-Diode,
verbunden. Die Anode der Diode D1 wird über den 50 Ω-Mikrostreifen 18,
einen weiteren Trennkondensator C3 und 50 Ω-Mikrostreifen 19 mit dem Kondensator
C2 verbunden. Die Anode von Diode D1 wird ebenfalls über einen
hochohmigen Mikrostreifen 20, niederohmigen Mikrostreifen 21 und
weiteren hochohmigen Mikrostreifen 22 mit Masse verbunden.
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Durch Bildung einer T-Verbindung 33 mit dem
Mikrostreifen 17 werden der 50 Ω-Mikrostreifen 23, die Schaltdiode
D2, der Trennkondensator C4 und der Lastwiderstand R1 in Reihe verbunden,
die alle mit dem 50 Ω-Mikrostreifen
zusammengeschaltet sind. Das entfernte Ende des Widerstands R1 wird
direkt mit Masse verbunden. Eine Umgehungsschaltung, die einen hochohmigen
Mikrostreifen 24, 25 und einen niederohmigen Mikrostreifen 26 umfasst, wird
von der Kathode der Diode D2 mit Masse verbunden.
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Die Bildung einer T-Verbindung 34 mit
dem Mikrostreifen 19 ist eine entsprechende Menge von in Reihe
geschalteten Bauelementen: Schaltdiode D3, Trennkondensator C5 und
Lastwiderstand R2 zusammen mit der Umgehungsschaltung 27, 28 und 29.
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Die Zusammenschaltung der T-Verbindungen 33, 34 mit
zwei 50 Ω-Mikrostreifen
ist eine weitere Umgehungsschaltung, die einen hochohmigen Mikrostreifen 30, 31 und
einen niederohmigen Mikrostreifen 32 umfasst. Die T-Verbindung 33 wird
mit einer Steuereingangsklemme 35 über den hochohmigen Mikrostreifen 36, 37 und
einen niederohmigen Mikrostreifen 38 verbunden.
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In Gebrauch wird die Steuereingangsklemme 35 an
einen Signalgenerator angeschlossen, der eine alternierende Rechteckwelle
von in der Regel ± 1
Volt unter Berücksichtigung
der Masse liefert. Mit einem positiven Potential an der Klemme 35 wird
die T-Verbindung 33 positiv mit Berücksichtigung der Masse, welche
die Diode D1 ausschaltet und die Diode D2 einschaltet und folglich
gleichzeitig die RF-Trennung zwischen den T-Verbindungen 33 und 34 und
das Umschalten des RF-Signals, das an der Klemme 13 über die
Diode D2 und den Kondensator C4 in den Lastwiderstand R1 hineingeht,
wo es absorbiert wird, bereitstellt. Die Umgehungsschaltung 24, 25 und 26 hält den Stromfluss
des Gleichstromes durch die Diode D2 aufrecht, ohne das RF-Signal übermäßig zu stören. Die
Umgehungsschaltung 30, 31 und 32 schaltet
die T-Verbindung 33 und 34 bei Gleichstrom zusammen
und die Verbindung 34 nimmt daher ebenso ein positives
Potential mit Berücksichtigung
der Masse an. Folglich wird die Diode D3 ebenso eingeschaltet, so
dass das RF-Signals, das an der Klemme 14 angelegt wurde,
auf den Widerstand R2 geführt
wird und absorbiert wird. Die Umgehungsschaltung 20, 21 und 22 hält einen Stromfluss
des Gleichstromes durch die Diode D1 aufrecht. Dies stimmt folglich
mit der in 4B gezeigten
Schalterstellung überein.
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Wenn ein negatives Potential an der
Klemme 35 angelegt wird, erscheint ein entsprechendes negatives
Potential an den T-Verbindungen 33 und 34 und
dies veranlasst, die Diode D1 einzuschalten, folglich die Zusammenschaltung
der T- Verbindungen 33 und 34 bei
RF-Frequenzen, und veranlasst ferner die Dioden D2 und D3 auszuschalten,
folglich die Trennung der Lastwiderstände R1 und R2 bei RF-Frequenzen.
Dies stimmt folglich mit der in 4A gezeigten
Schalterstellung überein.
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6 und 7, die jeweilig 4 und 5 entsprechen, veranschaulichen eine
Vorrichtung für
das Phasenmodulieren des rückreflektierten
Signals. Dies ist das Verfahren, das in dem beispielhaften Mikrostureifenfeld,
das in 2 und 3 veranschaulicht ist, genutzt
wird. In 6 wird der
Schalter S1 verwendet, um das Signal, das sich über die Antennenleitung 10 ausbreitet,
in einen der zwei alternativen Pfade 61, 62 zu
führen,
von denen einer physikalisch länger
als der andere ist, was zu einer verschiedenen Phasenverschiebung
führt,
je nachdem ob sich der Schalter in seiner untersten Position, die
in 6A dargestellt ist,
oder in seiner obersten Position, die in 6B dargestellt ist, befindet. Die Pfadlängen wie zwischen
den zwei Pfaden sind, wie bereits erwähnt wurde, verschieden. Vorteilhafterweise
ist die Pfadlänge
des längeren
Pfads 61 um die Hälfte
einer Wellenlänge
größer als
die Pfadlänge
des Pfads 62, und dies ergibt den maximalen Phasenunterschied
zwischen den zwei Schalterstellungen und deshalb die stärkste Modulation.
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7 veranschaulicht
schematisch die Art, in welcher die Schaltung von 6 in einem Mikrostreifen realisiert werden
kann. Die Klemme 13 wird mit dem Mikrostreifen 63 verbunden,
welcher der Reihe nach mit der Kathode einer Schaltdiode D4 und
der Anode einer Schaltdiode D5 verbunden wird. Die Anode der Diode
D4 wird mit einem Mikrostreifen 64 verbunden und die Kathode
der Diode D5 wird mit einem Mikrostreifen 65 verbunden.
Die Pfadlänge
des Mikrostreifens 64 ist länger als die des Mikrostreifens 65,
vorzugsweise um λ/2,
wo λ die
Wellenlänge
in der Antennenleitung ist. Das entfernte Ende des Mikrostreifens 64 wird
mit der Kathode einer Schaltdiode D6 verbunden und das entfernte
Ende des Mikrostreifens 65 wird mit der Anode einer Schaltdiode
D7 verbunden. Die Anode der Diode D6 und die Kathode der Diode D7
sind mit einem Ende eines Mikrostreifens 66 verbunden,
welcher an seinem anderen Ende mit der Klemme 14 verbunden
ist. Die Steuereingangsklemme 35 wird mit dem Mikrostreifen 63 über ein
Tiefpassfilter 67 verbunden und der Mikrostreifen 66 wird
mit Erde über
ein Tiefpassfilter 68 verbunden.
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In Gebrauch, mit einem positiven
Potential an Klemme 35, werden die Dioden D5 und D7 eingeschaltet
und werden die Dioden D4 und D6 ausgeschaltet, folglich wird das
Signal über
den kürzeren Mikrostreifen 65 weitergeleitet
und gleichzeitig wird der Mikrostreifen 64 getrennt. In
Gebrauch, mit einem negativen Potential an Klemme 35, werden
die Dioden D4 und D6 eingeschaltet und werden die Dioden D5 und
D7 ausgeschaltet, folglich wird das Signal über den längeren Mikrostreifen 64 weitergeleitet
und gleichzeitig wird der Mikrostreifen 65 getrennt.
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Nun wird auf 8 Bezug genommen, welche einen Transponder
zeigt, der gemäß der Erfindung
hergestellt wurde. Der Transponder umfasst ein rückreflektierendes Antennenfeld,
das acht Paare von Dipolantennen umfasst, von welchen nur ein Paar
unter den Bezugszeichen 40, 41 gezeigt ist, die durch
eine Antennenleitung 42 zusammengeschaltet wurden. Die
Länge l
jeder der Antennenleitungen ist durch
l = A ± nλ gegeben,
wo:
A,
n und λ oben
definiert sind.
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Außerdem ist der Wert von n für mindestens eine
der Antennenleitungen nicht gleich dem des Rests.
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In Reihe verbunden mit der Antennenleitung 42 ist
eine Modulationsvorrichtung 43 des Typs, zum Beispiel,
der oben mit Bezug auf 2 und 3 oder alternativ mit Bezug
auf 4 und 5 beschrieben wurde. Die
Führungsgröße an jeden
der acht Modulationsvorrichtungen wird von einem Signalgenerator 44 über einen
jeweiligen Verstärker 45 für Stromverstärkung bereitgestellt.
Jeder der Verstärker 45 weist eine
entsprechende Ausgangsklemme 46 bis 53 auf, welche
mit der Klemme 35 in einer jeweiligen Modulationsvorrichtung
in den Antennenleitungen zwischen den Antennenpaaren verbunden wird.
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Optional kann ein Sensor oder eine
manuelle Eingabevorrichtung 39 mit dem Signalgenerator
verbunden werden. Objekt 39 erzeugt ein Signal, welches
für einen
Parameter stellvertretend ist, der durch einen Sensor und/oder einige
Informationen, die manuell an einer Eingabevorrichtung, wie zum Beispiel
einer Tastatur oder einem Tastenblock eingegeben wurden, erfasst
wurde. Dieses Signal beeinflusst einen Parameter des Ausgangs des
Signalgenerators 44, so dass die Modulation transiente
Informationen von dem Sensor oder der Eingabevorrichtung 39 überträgt. Im Falle,
dass der Transponder nicht kontinuierlich abgefragt wurde, kann
das Signal vom Objekt 39 vorübergehend in einem Speichermittel
(nicht gezeigt) gespeichert werden, bis die nächste Abfrage stattfindet.
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Der Rechteckwellenausgang von dem
Signalgenerator 44 ist funktionsfähig, um gleichzeitig jede der
Modulationsvorrichtungen 43 in den gleichen Zustand, d.h.
entweder wie in 4A/6A gezeigt
ist oder wie in 4B/6B gezeigt
ist, zu setzen. Folglich schaltet in dem Falle der in 4 und 5 veranschaulichten Amplitudenmodulationsvorrichtung das
Feld als ein Ganzes zwischen reflektierend und absorbierend auf
einer zyklischen Basis bei der Frequenz des Signalgenerators um.
Der Signalgenerator amplitudenmoduliert folglich in Wirklichkeit
das von dem Feld reflektierte Signal, wobei die Frequenz der Modulation
die des Signalgenerators ist. Ebenso schaltet im Falle der Phasenmodulationsvorrichtung, die
in 6 und 7 dargestellt ist, das Feld zwischen einer
Phase und einer anderen auf einer zyklischen Basis bei der Frequenz
des Signalgenerators um. Der Signalgenerator phasenmoduliert folglich
in Wirklichkeit das von dem Feld reflektierte Signal, wobei die
Frequenz der Modulation die des Signalgenerators ist.
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Der in 8 dargestellte
Transponder kann ebenfalls als ein "dunkles" Feld betrieben werden. Zum Beispiel
kann bei Verwendung der in 4 und 5 gezeigten Schaltung der
Signalgenerator 44 ein Signal konstanter Polarität anlegen,
welches funktionsfähig
ist, um den Schalter S1 dauernd in die in 4B gezeigte Position zu schalten, folglich
zu der Absorption des Signals führt,
das über
die Antennenleitung 42 übertragen
wird. Unter diesen Umständen ist
das Feld in einem Zustand von Null oder niedrigen Reflexionsvermögens, welcher
verwendet werden kann, um seine Radarsignatur zu minimieren. In
diesem Zustand ist der Zustand niedrigen Reflexionsvermögens durch
die Bandbreite der Antennen 40, 41 bandbreitenbegrenzt.
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Ebenso kann, wenn der Transponder
mit den Schaltungen von 6 und 7 verwendet wird, das Feld
hergestellt sein, um wie ein "dunkles" Feld zu arbeiten.
Dies kann durch Modifizieren der Steuersignale, die an die Phasen modulationsvorrichtungen 43 angelegt
wurden, auf solch eine Weise erreicht werden, dass die eine Hälfte in
Gegenphase im Vergleich zu der anderen Hälfte angelegt wird. Unter diesen Umständen würden die
Modulationsprodukte, die durch die eine Hälfte des Felds erzeugt wurden,
in Gegenphase zu denen sein, die durch die andere Hälfte erzeugt
wurden, und zerstörende
Interferenz, die Null oder niedrige Reflexion zur Folge hat, würde für alle Elevationswinkel
auftreten. Außerdem
ist die Vorrichtung bei der Wellenlänge der Welle bandbreitenbegrenzt,
die sich über
die Antennenleitung 42 ausbreitet, zusammen mit (n + ½)-Vielfachen,
wo n eine ganze Zahl ist.
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Nun werden die Ergebnisse von Tests
beschrieben, die an einem Transponder auf der Basis eines Antennenfelds
durchgeführt
wurden, das eine 4 × 4-Matrix
von Halbwellenlängen-Dipolen
umfasste, die horizontal eine Viertelwellenlänge über einer reflektierenden Oberfläche ausgerichtet
und mit Abstand in Intervallen von 0,61 Wellenlängen angeordnet wurden. Die
Arbeitsfrequenz betrug 2,5 GHz und die Dipollängen wurden geringfügig von λ/2 verringert, μm ihren Strahlungswirkungsgrad
zu verbessern. Die Groundplane wurde 32 cm längs der Achse parallel zu den
Dipolen und 28 cm längs
der orthogonalen Achse gemessen. Die Messungen des monostatischen
RCS wurden unter Verwendung eines Netzwerkanalysators als Quelle
und Empfänger
in einer niedrigreflektierenden Umgebung durchgeführt, die
durch die Verwendung von Radar absorbierender Schaumstoffauskleidung
eines abgeschirmten Raums erleichtert wurden. Die Modulation des
fertigen Prototyps wurde durch Umschalten zwischen den Zuständen von
hoher und niedriger Reflexion (d.h. Amplitudenmodulation) erreicht.
Ein zweites Prototuypfeld wurde ebenfalls aufgebaut, in welchem die
koaxialen Antennenleitungen durch absorbierende Lasten abgeschlossen
wurden, statt an die Gegenantennen weitergeleitet zu werden. Außerdem wurde
der RCS gemessen und mit dem rückreflektierenden
Feld verglichen. Um einen hohen Modulationsindex zu erreichen, wurde
eine große Änderung des
RCS zwischen den zwei Prototypen angestrebt. Die Abtastergebnisse
sind in 11 gezeigt.
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Diese Messungen bewiesen das erforderliche
charakteristische Merkmal des rückreflektierenden
Felds, nämlich
einen großen
RCS, welcher sich schwach mit dem Elevationswinkel veränderte – siehe 10, in welcher der RCS als
eine Funktion der Azimutrotation des Felds bei a) 0° Höhenrotation
(d. h. vertikal) und b) 20° Höhenrotation
der auftreffenden RF dargestellt ist. Der RCS ist bezüglich des
maximalen RCS einer Metallplatte der gleichen Form wie die Bodenplatte
des Felds gezeigt.
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Nachdem bewiesen wurde, dass eine
große Änderung
des RCS erreicht werden könnte,
wurde ein drittes Prototypfeld aufgebaut, wo die Schaltung für das Umschalten
zu den Koaxialleitungen hinter der Groundplane auf die oben beschriebene
Art mit Bezug auf 4 und 5 hinzugefügt wurde.
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Nachdem der dritte Prototyp hergestellt
wurde, wurden die monostatischen RCS-Messungen wiederholt, um zu
bestätigen,
dass die Vorrichtung elektrisch zwischen dem rückreflektierenden und dem niedrigreflektierenden
Zustand umgeschaltet werden könnte.
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Der nächste Test betraf das Amplitudenmodulieren
des Felds mit einem niederfrequenten (in der Regel 25 KHz) Signal
von einem Signalgenerator, zum Beispiel den unter dem Bezugszeichen 44 in 8 gezeigten, unter Verwendung
eines Transceuivers, um das Feld mit RF bei dicht an 2,5 GHz zu
beleuchten, und das Untersuchen der Natur des reflektierten Signals.
Die Modulationswellenform näherte sich
der einer Rechteckwelle. Wenn das reflektierte Signal auf einem
Spektrumanalysator angezeigt wurde, waren die Seitenbänder, die
durch die Amplitudenmodulation der reflektierten RF erzeugt wurden, deutlich
sichtbar, wie in 12 gezeigt
ist.
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Aus 12 ist
ersichtlich, dass die Seitenbänder,
die durch die Rechteckwellen-Amplitudenmodulation erzeugt wurden,
deutlich sichtbar sind. Es ist ebenfalls offensichtlich, dass die
Leistung, die auf der Trägerfrequenz
Fc zurückgesandt
wurde, stark von dem Ort des Felds hinsichtlich seiner Umgebung
abhängig
ist, aber die Leistung in dem ersten der oberen Seitenbänder (USB)
ist es nicht. Der Grund ist, weil die Leistung, die für die Modulationsprodukte
verfügbar
ist, von dem RCS des Felds abhängig
ist, wohingegen die Leistung, die auf der Trägerfrequenz zurückgesandt
wurde, von dem Feld, der Umgebung und ihren relativen Orten abhängig ist,
da stehende Wellen dazwischen vorhanden sind.
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In dem in 12A gezeigten Falle war das Feld bei
einem lokalen Maximum für
die empfangene Trägerleistung,
wohingegen in dem in 12B gezeigten
Falle das Feld um nur 3 cm (eine Viertelwellenlänge) verschoben wurde und zu einem
Minimum der Trägerleistung – eine Verringerung
von 19 dB – führte. Die
Seitenbandleistungen werden nur sehr schwach durch die kleine Änderung
des Abstands beeinflusst. Dies veranschaulicht die verbesserte Erkennbarkeit
eines modulierten Streuobjekts in einer gestörten Umgebung.
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Die Modulationsprodukte wurden untersucht, als
die Orientierung zwischen dem Feld und der auftreffenden RF durch
Rotieren des Felds in Azimut (H-Ebene) verändert wurde. Wie für ein rückreflektierendes
Feld erwartet, änderte
sich die reflektierte Leistung langsam mit dem Orientierungswinkel. 13 zeigt, dass die Modulationsprodukte
stark erkennbar bleiben, wenn das Feld bei 35 Grad zu der auftreffenden
Beleuchtung ist – die
Leistung des ersten oberen Seitenbands (USB) verringerte sich um
4 dB im Vergleich zu dem Falle "auf
Zielrichtung" in 12.
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Ein weiteres Feld wurde aufgebaut,
mit der gleichen Antennengeometrie wie oben beschrieben, aber unter Verwendung von Phasenverschiebungsschaltern
auf die oben beschriebene Art mit Bezug auf 6 und 7.
Der theoretische Phasenunterschied zwischen den zwei Längen des
Mikrostreifens war 180 ° bei
2,5 GHz. Acht Phasenschalter wurden hergestellt (einer für jedes
Dipolpaar), wobei die typische gemessene Phasenverschiebung 164 ° ± 2 ° bei 2,5
GHz ist. Die digitale Phasenverschiebungsmodulation wurde durch
Anlegen einer Rechteckwelle von ± 1 V Amplitude an der Klemme 35 von
jedem Schalter erreicht. 14 zeigt
die Modulationsprodukte in diesem Falle.
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Ähnlich
wie das amplitudenmodulierte Feld bewies das phasenmodulierte Feld,
dass sich die Seitenbandleistung langsam mit der Orientierung des Felds
zu dem Beleuchtungssignal änderte.
Die Leistung des ersten oberen Seitenbands verringerte sich um 3
dB, wenn das Feld von 0° bis
35° Azimut
rotiert wurde. Die Leistung des ersten oberen Seitenbands war ebenfalls
3 bis 5 dB größer als
die durch die Amplitudenmodulation (AM) erzeugte, für einen
Orientierungswinkel von –35° bis 35°. Die größere erzeugte Seitenbandleistung
steht in Einklang mit der Phasenmodulation (PM) im Vergleich zu
der AM, wobei letztere weniger energieeffizient ist, da die Energie
in die ohmschen Lasten auf alternierenden Zyklen des Modulationssignals übertragen
wird. Folglich beweisen die Ergebnisse, dass die Phasenmodulation
in dieser Anwendung vorteilhaft ist.
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Bezug wird nun auf 9 genommen, welche eine alternative Modulationsvorrichtung
zu der vorher beschrieben zeigt. Die Vorrichtung kann als ein verzweigter
Sequenzgenerator beschrieben werden und weist RF-Eingangs/Ausgangsklemmen 13, 14 wie
zuvor auf, durch welche sie in die Antennenleitung 10 (nicht
gezeigt) geschaltet wird.
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Obwohl es beabsichtigt ist, dass
die Vorrichtung symmetrisch sein soll, wird in der Hinsicht, dass die
Signale gleich behandelt werden, ob sie an der Klemme 13 eingegeben
und an der Klemme 14 ausgegeben werden, oder umgekehrt,
um der vorliegenden Erläuterung
willen vorausgesetzt, dass das Eingangsignal an der Klemme 13 angelegt
wird. Das Signal wird zuerst an einen Splitter/Kombinator 70 übertragen,
wo das Signal in mehrere (3 sind in dem Beispiel gezeigt) der Pfade
aufgeteilt wird. Jeder der Pfade wird in einer jeweiligen Verzögerungsvorrichtung 54, 55 oder 56 verzögert, bevor
er in einem Splitter/Kombinator 57 rekombiniert wird. Das
rekombinierte Signal wird an die Klemme 14 übertragen. Die
Verzögerungsvorrichtungen
können
aktive oder passive Schaltungen umfassen, die funktionsfähig sind,
um das Signal zu verzögern,
oder können
eine verteilte Vorrichtung umfassen – die geeignetste Weise der
Realisierung der letzteren ist, einfach verschiedene Pfadlängen zwischen
den zwei Splittern für
jeden der drei Zweige bereitzustellen. Ein Beispiel einer konzentrierten
aktiven Schaltung ist ein Schieberegister.
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Der verzweigte Sequenzgenerator kann
mit Pulsradar oder mit CW-Radar (continuous wave radar/Dauerstrichradar)
verwendet werden. Mit Pulsradar wird jeder Eingangsimpuls um eine
spezielle Zeitperiode verzögert,
welche der erforderlichen Position einer digitalen "1" in einem Binärwort (die Abwesenheit eines
Impulses wird wie eine digitale "0" genommen) entsprechen
kann. Folglich besteht das rückreflektierte
Signal aus einer Folge von Impulsen, deren genaues Muster durch
die Anzahl der verzweigten Zweige und ihre einzelnen Verzögerungszeiten
bestimmt werden kann. Mit CW-Radar arbeitet das System wie eine
phasenmodulierende Vorrichtung mit vorgegebenen Phasenverzögerungen.
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In beiden Fällen wird die Demodulation
an dem Empfänger
(nicht gezeigt) durch eine Vorrichtung durchgeführt, welche einen bedingten
Einfluss auf die des verzweigten Sequenzgenerators hat, folglich
das codierte Rückführungssignal
von dem Feld freigibt, das zu decodieren ist.
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Ein ähnlicher Effekt wie der des
verzweigten Sequenzgenerators kann durch eine angezapfte Verzögerungsleitung
erreicht werden, von der ein Beispiel in 10 dargestellt ist, auf welche nun Bezug genommen
wird.
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Die angezapfte Verzögerungsleitung
verwendet was in Wirklichkeit eine einzelne Antennenleitung 58 ist,
welche auf sich selbst bei 59 rückgeregelt wird und in den
Eingangs-/Ausgangsklemmen 13 und 14 abschließt, welche
auf die gleiche Weise verbunden werden und die gleiche Funktion
wie die entsprechenden Klemmen in dem verzweigten Sequenzgenerator
von 9 erfüllen. Die
rückgeregelte
Antennenleitung kann linear sein, aber eine spiralförmige Ausführung, wie
gezeigt ist, bietet Raumersparnis. In Abständen über der Länge der Leitung werden Koppler 60 bereitgestellt,
welche Energie an die andere Hälfte
der Antennenleitung koppeln. In der Zeichnung werden diese Koppler
als ein kurzer Abschnitt von engerem Zwischenraum zwischen den zwei
rückgeregelten
Hälften
der Antennenleitung dargestellt. Die Konstruktion dieser Koppler
ist dem Fachmann gut bekannt und kann aktiv oder passiv sein. Zum
Beispiel können
die Koppler 60 einfach durch Verändern des lokalen Zwischenraums
zwischen den zwei Hälften
der Antennenleitung 58 realisiert werden; in der spiralförmigen Ausführung kann der
Zwischenraum zwischen aufeinander folgenden Windungen der Spirale
verändert
werden.
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Es wird ersichtlich, dass die Koppler 60 einzeln
mit Zwischenraum angeordnet werden können, um so Energie aus einem
speziellen Punkt in einer Hälfte
der Antennenleitung zu entnehmen, und sie an einem speziellen Punkt
in der anderen Hälfte
der Antennenleitung wieder einzufügen. Der Wert, um den das Signal
verzögert
wird, wird folglich durch die Gesamtlänge der Antennenleitung diktiert,
durch welche es beim Übertragen
von Klemme 13 zu Klemme 14 oder umgekehrt hindurchgehen
musste. Die Komponente des Eingangsignals, welche über die
Gesamtlänge
der Antennenleitung, über
den Mittelpunkt 59, übertragen
wurde, wird um den maximalen Wert verzögert. Folglich besteht das
Ausgangssignal im Wesentlichen aus mehrfachen Kopien des Eingangsignals,
wobei die Kopien alle verschiedene Verzögerungszeiten aufweisen. Das
Ausgangssignal kann theoretisch jede Form aufweisen, die durch die
algebraische Beschreibung der Verzögerungsleitung bestimmt wird.
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Wie zuvor wird die Demodulation an
dem Empfänger
durch eine konjugierte Vorrichtung, zum Beispiel eine andere angezapfte
Verzögerungsleitung,
die wie ein Korrelator arbeitet, durchgeführt.
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Beide der Ausführungsformen von 9 und 10 können
als ein Ganzes mit passiven Bauelementen realisiert werden. Dies
weist den potentiellen Vorteil auf, dass der Leistungsverbrauch
Null ist, was in bestimmten Anwendungen notwendig oder vorteilhaft
sein kann, aber der Nachteil ist, dass die Modulation eingestellt
wird, wenn die Vorrichtung aufgebaut wird, und danach nicht ohne
weiteres veränderbar
ist. Es ist jedoch möglich,
dass die Verzögerungsvorrichtungen 54 bis 56 oder
die Koppler 60 der Schaltung unter Verwendung sehr niedriger,
aber nicht Null, Leistung eingeschaltet oder ausgeschaltet werden
könnten,
und dies würde
die Möglichkeit
für Änderungen
der Modulation während
der Nutzungsdauer des Transponders bereitstellen. Solche Änderungen
könnten
entfernt oder durch direkten Zugriff auf die Ausrüstungen
durchgeführt
werden.
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Bezug wird nun auf 15 genommen, welche ein Fahrzeugnachführungssystem
für Flughäfen darstellt,
obgleich das gleiche Konzept in vergleichbaren Situationen verwendet
werden könnte,
zum Beispiel mit Seeschiffen in Häfen oder überlasteten Seewegen. Das System
umfasst ein Fahrzeug 90, welches nachzuführen ist.
Dieses Fahrzeug könnte einer
der vielen Typen des Landfahrzeugs sein, dass um den Flughafen herum
fährt,
und kann eine potentielle Gefahr für das Flugzeug verursachen
und könnte
in der Tat das Flugzeug selbst sein. Es wird angenommen, dass das
Fahrzeug 90 in der Anwesenheit eines gestörten Hintergrunds
von anderen Fahrzeugen, Flugzeugen, Gebäude und sonstigen Konstruktionen
nachzuführen
ist. Dieser gestörte
Hintergrund wird als das schattierte Rechteck 91 dargestellt.
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Das Nachführen wird durch einen Radartransceiver 92 durchgeführt, der
eine Antenne 93 aufweist. Dies ist eine bekannte Technologie
und wird nicht in allen Einzelheiten beschrieben.
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Der Transmitter innerhalb des Transceivers 92 ist
funktionsfähig,
um den allgemeinen Bereich zu beleuchten, der durch ein Radarsignal
bei einer Trägerfrequenz
Fc abzudecken ist. In der Regel wird die benutzte Frequenz eine
der üblichen
Frequenzen sein, die für
diesen Zweck zu Verfügung
steht, zum Beispiel das ISM-Band für 2,5 GHz, das Seefunkband
für 9,4
GHz oder das 16 GHz-Band, das von dem Oberflächenbewegungsradar des Flughafens Heathrow
verwendet wird.
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Die Pfeile 94 und 95 stellen
das reflektierte Signal Fc von dem Fahrzeug 90 und dem
Hintergrund 91 entsprechend dar. In 15A wird angenommen, dass das Fahrzeug
nicht mit einem Transponder ausgerüstet ist oder, wenn ja, dann
der Transponder vom nichtmodulierten Typ ist. In diesem Falle ist
das Frequenzspektrum der empfangenen Signale von dem Fahrzeug 90 und
dem Hintergrund 91 im Wesentlichen in eine einzelne Linie
vermischt, die in der unter dem Bezugszeichen 96 gezeigten
Leistungs-/Frequenzkurve dargestellt ist. Es wird ersichtlich, dass
es schwierig ist, die Reflexion aufgrund des Fahrzeugs 90 von
der aufgrund des gestörten
Hintergrunds 91 zu trennen.
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In 15B ist
das Fahrzeug 11 mit einem Transponder ausgerüstet, der
einen modulierten Rückstrahler
umfasst, zum Beispiel den oben beschriebenen und dargestellten Typ,
und als eine Folge wird eine modulierte Komponente bei der Frequenz
der Modulation Fm auf dem rückreflektierten Signal
von dem Fahrzeug 90 aufgedrückt. Das reflektierte Signal
von dem Hintergrund 91 wird natürlich durch diese Modulation
nicht beeinflusst, so dass an dem Empfänger das Fahrzeug 90 ohne
weiteres von dem Hintergrund unterschieden werden kann. Das empfangene
Spektrum wird in diesem Falle in der Leistungs/Frequenzkurve 97 dargestellt.
Der Empfänger
kann optional die angepasste Filterung enthalten, um die restliche
Oberflächenstörung zu
unterdrücken,
obgleich dies durch die rückreflektierende Wirkung
verringert wird.
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Die Kombination der modulierten Rückstrahler,
die durch eine gewobbelte Frequenz beleuchtet wurden, gibt das Potential
der genauen Entfernungsbestimmung in einer gestörten Umgebung. Solch ein System
ist in 16 dargestellt.
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Das System umfasst einen Abfragesender
in Form eines Transceivers 98 und einen modulierten Rückstrahler 99,
der den Teil eines Transponders 100 bildet. Der Transponder 100 kann
an einem feststehenden oder beweglichen, zu erkennenden Objekt (nicht
gezeigt) angebracht sein. Der Transceiver 98 umfasst einen
Transmitter 101 und eine zugeordnete Sendeantenne 102,
welche zusammen ein gewobbeltes RF-Frequenzsignal senden, welches
das durch das System abzudeckende Gebiet beleuchtet. Die Sendefrequenz
kann zum Beispiel auf die Art eines Sägezahns gewobbelt werden, wie
in dem Frequenz/Zeit-Schaubild innerhalb des Kästchens, das den Transmitter 101 darstellt,
veranschaulicht ist.
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Das übertragene Signal wird von
allen Zielen innerhalb des abgedeckten Gebiets reflektiert, einschließlich insbesondere
des Rückstrahlers 99.
Das reflektierte Signal von dem Rückstrahler 99 wird durch
einen Codegenerator 103 moduliert, der ferner einen Teil
des Transponders 100 bildet.
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Die reflektierten Signale werden
durch eine Empfangsantenne
104 empfangen und in den Empfangsteil
des Transceivers
98 eingegeben. Hier wird das ankommende
RF-Signals in einem RF-Mischer
105 mit dem übertragenen
Signal der gewobbelten Frequenz, das von dem Transmitter
101 ausgegeben wurde,
gemischt. Dies ist in der Radarpraxis herkömmlich. Das Differenzsignal Δf, das von
dem Mischer
105 ausgegeben wurde, ist direkt proportional
zu dem Zeitintervall und daher ist die Pfadlänge
2L zwischen dem übertragenen
und dem empfangenen Signal:
wo: F
start und
F
stop entsprechend die Startfrequenz und
die Sperrfrequenz der linearen Frequenzrampe des übertragenen
Signals sind, welches sich über
ein Zeitintervall T
sweep wiederholt; und
c
die Geschwindigkeit von Licht ist.
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In gestörten Umgebungen oder Mehrwegeumgebungen
ist es schwierig, spezielle Ziele von kleinem RCS zu identifizieren.
Typische Werte der Differenzfrequenz Δf betragen mehrere Hz bis zu
einigen KHz (Tonfrequenzen).
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Das Ausgangssignal vom Mischer 105 wird an
einen weiteren Mischer 106 angelegt, wo das Signal mit
dem Ausgangssignal von einem Codegenerator 107 gemischt
wird, deren Ausgang das des Codegenerators 103 spiegelt,
dadurch die Differenzfrequenz freigibt, die von dem abzudeckenden
Ziel stammt, wie durch das Entfernungs-/Frequenz-Schaubild dargestellt
wird, das unter dem Bezugszeichen 104 gezeigt ist. Dieser
Prozess unterdrückt
effektiv alle anderen Ziele, ausgenommen vielleicht jene in sehr
großer
Entfernung, welche Werte von Δf
dicht an der Modulationsfrequenz erzeugen.
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Man betrachte den einfachen Fall
der Modulation durch eine Rechteckwelle konstanter Periode, welche
ausgewählt
wurde, um eine viel höhere
Frequenz (fmod) als die Differenzfrequenz Δf aufzuweisen.
In diesem Falle ist die Differenzfrequenz an dem Ausgang des ersten
Mischers 105 aufgrund der Reflexion von dem Rückstrahler 99 durch Δf + fmod gegeben. Für die kohärente Erkennung kann ein zweiter Mischer
in Verbindung mit einer Trägerrückgewinnungsstufe
verwendet werden. An dem zweiten Mischer 106 wird die Differenzfrequenz Δf aufgrund der
Reflexion von dem Rückstrahler 99 zurückgewonnen.
Abwechselnd kann ein inkohärentes
Erkennungsverfahren verwendet werden, zum Beispiel ein Hüllkurvendetektor,
dem ein Bandpassfilter vorangeht, das auf der Modulationsfrequenz
des interessierenden Transponders ausgerichtet ist. Ausgenommen
wie oben erwähnt,
wird die Reflexion von anderen Zielen unterdrückt.
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In der Praxis braucht die verwendete
Modulation nicht von der oben beschriebenen einfachen Natur sein.
Zum Beispiel könnte
das Verfahren durch Anwenden eines pseudozufälligen Codes als die modulierende
Wellenform verbessert werden. Die Modulation könnte Streuspektrum sein; in
diesem Falle, wenn ein direkter Sequenzspreizungscode verwendet
wird, müsste
der Abfragesender dann den Code auf dem Transponder kennen, um das
Signal zurückzugewinnen.
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17 zeigt
die Wellenformen für
die Differenzfrequenz f, die unter Verwendung des oben beschriebenen
Verfahrens in einer Innenraumumgebung zurückgewonnen wurde, unter Verwendung
eines gewobbelten Trägers
zwischen 9,0 und 9,4 GHz und eines 16-Element-Rückstrahlers, der mit einer
1 MHz-Rechteckwelle phasenmoduliert wurde. 17A zeigt den Zeitbereich; 17B zeigt den Frequenzbereich.
Ein FFT-Algorithmus zeigte deutlich eine starke Frequenzkomponente
bei 355 Hz, die dem Bereich des Ziels von 3,80 m in diesem Falle entspricht.
Es wurde kein Versuch unternommen, die Hintergrundreflexionen in
dem Labor zu verringern.
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In einer Modifikation des beschriebenen
Systems mit Bezug auf 16 werden
mehrere, mit Zwischenraum angeordnete, modulierte Rückstrahler verwendet.
Zum Beispiel wären
drei Rückstrahler und
ein einzelner Abfragesender in der Lage, die 3D-Abstandstriangulation
bereitzustellen. Der Empfänger
in solch einem System wird mit mehreren lokalen Oszillatoren ausgerüstet, einer
für jeden
Rückstrahler,
um den Bereich zu jedem zu berechnenden Rückstrahler freizugeben. Die
Genauigkeit solch eines Systems wird natürlich von der Trennung der Rückstrahler
und dem Bereich abhängen.
Im Prinzip, wenn die Leistungsbilanz erlaubt, wird es wie ein globales
Positionierungssystem und unterliegt ähnlichen Randbedingungen. Das
System kann ebenfalls in der anderen Richtung betrieben werden,
d.h. mit drei, mit Zwischenraum angeordneten Abfragesendern und
einem einzelnen modulierten Rückstrahler, um
die 3D-Abstandstriangulation bereitzustellen.
