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Patents

  1. Advanced Patent Search
Publication numberDE19511982 A1
Publication typeApplication
Application numberDE1995111982
Publication date10 Oct 1996
Filing date31 Mar 1995
Priority date31 Mar 1995
Publication number1995111982, 95111982, DE 19511982 A1, DE 19511982A1, DE-A1-19511982, DE19511982 A1, DE19511982A1, DE1995111982, DE95111982
InventorsChristian Dipl Ing Krimmer, Roland Prof Dr Fischer
ApplicantDaimler Benz Ag
Export CitationBiBTeX, EndNote, RefMan
External Links: DPMA, Espacenet
Image generating radar system
DE 19511982 A1
Abstract
A radar system has a transmitter of high frequency signals that are propagated with an antenna array of superconducting elements. The reflection from an object (8) is directed back through a lens (3) on to the array (2). The antenna array can be constructed up to 10 m in diameter, and the elements can be cooled by liquid nitrogen. The lens will vary in size depending upon the application. For road vehicle use a diameter of 5-30 cm is appropriate, and for aircraft a diameter of up to 60 cm. Appropriate frequencies are in the range of 60-100 GHz.
Claims(6)  translated from German
1. Anordnung für ein bildgebendes Radar mit einem Sender und einem Empfänger mit einem supraleitenden Antennenarray, dadurch gekennzeichnet, daß die von einem Objekt ( 8 ), reflektierten Signale von einer Linse ( 3 ) auf das Array supraleitender Antennen ( 2 ) zur Bilderzeugung fokussiert werden und daß zum Senden und Empfangen Eintritts- und Austrittsapertur durch die gleiche Linse ( 3 ) bestimmt sind. 1. An arrangement for an imaging radar with a transmitter and a receiver with a superconducting antenna array, characterized in that from an object (8), the reflected signals from a lens (3) to the array of superconducting antennas (2) focused on imaging and that are intended for transmitting and receiving entry and exit aperture through the same lens (3).
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Antennenarray ( 2 ) sich im Feld der vom Sender kommenden Wellen befindet und daß auf diese Weise das Signal eines für die Signalverarbeitung notwendigen lokalen Oszillators (LO) übertragbar ist. 2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the antenna array (2) is located in the waves coming from the transmitter field and that in this manner the signal of a necessary for the signal processing local oscillator (LO) is transferable.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenfrequenz-Zuleitungen zu den einzelnen Antennen parallel ausgeführt sind und als Polarisationsgitter für die elektromagnetischen Wellen und deren Feldkomponenten senkrecht zur Leiterstruktur mit geringer Dämpfung durchlassen. 3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the intermediate frequency supply lines to the individual antennae are executed in parallel and passing as polarizing grid for the electromagnetic waves and having field components perpendicular to the conductor structure with low attenuation.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Objekt ( 8 ) reflektierten Signale von der Linse ( 3 ) ein sofort entstehendes Bild ergeben, dessen Auflösung durch die Anzahl der Einzelantennen pro cm² gegeben ist. 4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the from the object (8) reflected signals from the lens (3) immediately yield a nascent image whose resolution is given by the number of antennas per cm².
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzen der verwendeten Wellen im Bereich von 60 bis 100 GHz liegen. 5. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the frequencies of the waves used in the range of 60 to 100 GHz are.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Linse ( 3 ) und Antennenarray ( 2 ) im Bereich von 1,5 bis 30 cm gewählt ist. 6. Arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the distance between the lens (3) and antenna array (2) in the range of 1.5 to 30 cm is selected.
Description  translated from German

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für ein bildgebendes Radar nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to an arrangement for an imaging radar according to the preamble of claim 1.

Die bisher bekannten Radargeräte arbeiten nach einem räumlichen Abtastprinzip. The previously known radars operate on a spatial sensing. Das bedeutet, daß ein Strahlenbündel mit relativ kleinem Öffnungswinkel einen bestimmten Raumwinkel in der Zeit abtastet und die aus den verschiedenen Raumwinkeln kommenden Signale nach ihrer Laufzeit gestaffelt auf einem Bildschirm angezeigt werden. That is, a beam having a relatively small opening angle scans a certain space angle in the time and coming from the different spatial angles staggered signals according to their duration are displayed on a screen.

Für ein Radar, welches zur Erkennung und Identifizierung von Objekten im Nahbereich von 10-500 m eingesetzt werden soll, ist dieses Prinzip nicht unbedingt optimal. For a radar which is to be used for the detection and identification of objects in the close range of 10-500 m, this principle is not necessarily optimal. Insbesondere da kein Rundsichtradar benötigt wird, sondern nur ein Gerät, welches die Objekte in einem kleinen Raumwinkelbereich, welcher in Vorwärtsrichtung eines Fahrzeugs, Flugzeugs oder Schiffes liegt, interessant ist. Since no panorama radar is particularly needed, but only a device which is interesting objects in a small solid angle, which is located in the forward direction of a vehicle, aircraft or ship. Es hat sich gezeigt, daß supraleitende Antennen als Empfangsantennen hervorragend geeignet sind. It has been shown that superconducting antennas are ideally suited as receiving antennas.

Supraleitende Antennen sind beispielsweise aus der Veröffentlichung von H. Chaloupka, et al.: "Miniaturized High-Temperature Superconductor Microstrip Patch Antenna" aus IEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 39, No. Superconducting Antennas for example, from the publication by H. Chaloupka, et al .: "Miniaturized High-Temperature Superconductor Microstrip Patch Antenna" in IEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 39, No. 9, Sept. 1991, S. 1513-1520, bekannt. 9, Sept. 1991, pp 1513-1520, known.

Eine allgemeine Einführung findet sich in Meinke, Gundlach: "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik", 4. Auflage, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Tokio, 1968, S. N46-N61. A general introduction is given in Meinke, Gundlach: "Handbook of High Frequency Technology", 4th Edition, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo, 1968, p N46-N61.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung für ein bildgebendes Radar anzugeben, welche in einem relativ kleinen Raumwinkelbereich eine möglichst gute Abbildung der sich dort befindenden Objekte ermöglicht. It is therefore an object of the invention to provide an arrangement for an imaging radar that the best possible image of the objects located there allows in a relatively small solid angle range.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst. This object is solved by the features mentioned in the characterizing part of claim 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Further developments of the invention are specified in the dependent claims.

Die Erfindung eignet sich für die automatische Steuerung von Fahrzeugen, insbesondere zur Identifizierung von Hindernissen, welche ein Gefahrenmoment darstellen können und in der einfachsten Ausführung als Abstandsradar im Straßenverkehr. The invention is suitable for the automatic control of vehicles, particularly for the identification of obstacles that may pose a potential danger and in its simplest form as distance radar in road traffic.

Die Mikrowellenstrahlung wird vom Sender zunächst auf ein Antennenarray abgebildet, welches beispielsweise in der Brennebene einer Linse liegt. The microwave radiation is initially mapped by the transmitter to an antenna array, which is for example in the focal plane of a lens. Die Einzelantennen des Arrays empfangen dabei bereits ein Signal, welches eine Ortsauflösung ermöglicht. The individual antennas of the array received it already a signal which enables spatial resolution. Die Sendeantenne wird beispielsweise als Hornantenne hinter dem Antennenarray angebracht. The transmitting antenna is mounted, for example as a horn antenna behind the antenna array. Zum Umsetzen der empfangenen Strahlung wird die durch die Empfangsantennen aufgenommene Mikrowellenenergie der Sendeantenne verwendet. For converting the received radiation, the received microwave energy by the receiving antennas of the transmitting antenna is used. Der Sender ersetzt dabei den Lokaloszillator. The transmitter replaces the local oscillator. Die Zuführung der Lokaloszillatorfrequenz erfolgt durch die Sendeantenne im Freifeld. The supply of the local oscillator frequency is performed by the transmitting antenna in free field. Zur Erzeugung der Zwischenfrequenz können nichtlineare Bauelemente direkt in die Antenne integriert werden. To generate the intermediate frequency nonlinear components can be integrated directly into the antenna. Die Leitungen von den Einzelempfangsantennen zum Demodulator führen nur noch die Zwischenfrequenz. The lines of the individual receiving antennas to the demodulator carry only the intermediate frequency. Bei Verwendung von Supraleitern für die Antennen- und Umsetzerstrukturen lassen sich aufgrund der geringen Verluste des Supraleiters sehr kleine Antennendimensionen realisieren. When using superconductors for the antenna and converter structures can be implemented very small antenna dimensions due to the low loss of the superconductor. Damit wird die Ortsauflösung verbessert ohne daß die Systemleistung verringert wird. Thus, the spatial resolution is improved without that system performance is reduced.

Wenn die Zwischenfrequenzzuleitungen zu den Einzelantennen parallel ausgeführt werden, wirken sie wie ein Polarisationsgitter. When the intermediate frequency leads are run to the individual antennas in parallel, they act like a polarization grating. Sie lassen elektromagnetische Wellen mit elektrischen Feldkomponenten senkrecht zur Leiterstruktur mit geringer Dämpfung passieren. Let electromagnetic waves with electric field components perpendicular to happen conductor structure with little attenuation. Damit ist eine bessere Diskriminierung von Fremdstrahlung möglich. This allows better discrimination of foreign radiation is possible.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. The invention is explained hereinafter with reference to the drawing.

Dabei zeigt: In the drawings:

Fig. 1 die grundlegende Anordnung; Fig. 1 shows the basic arrangement;

Fig. 2 die Art der Einspeisung mit einem Hohlleiter; Figure 2 shows the type of feed to a waveguide.

Fig. 3 die Speisung über einen Spiegel; Fig. 3 shows the power of a mirror;

Fig. 4 das Prinzip der Kühlung des Antennenarrays; Figure 4 shows the principle of cooling of the antenna array.

Fig. 5 ein Blockschaltbild der Antenne; Figure 5 is a block diagram of the antenna.

Fig. 6 das Prinzip des Strahlengangs; Figure 6 shows the principle of the beam path.

Fig. 7 Beispiele für Antennen und Fig. 7 Examples of antennas and

Fig. 8 das Prinzip des Mischers. Fig. 8 shows the principle of the mixer.

Die grundlegende Anordnung ist in Fig. 1 dargestellt. The basic arrangement is shown in Fig. 1. Die vom Sender 1 ausgestrahlten Wellen werden durch das Array 2 nur unwesentlich absorbiert. The radiated by the transmitter 1 waves are absorbed only slightly by the array 2. Sie erzeugen dort aber eine Spannung, welche sonst durch einen lokalen Oszillator erzeugt werden müßte, um die empfangenen Signale zu demodulieren. But there they generate a voltage which would be generated by a local oscillator otherwise, to demodulate the received signals. Die Wellen gelangen dann über die Linse 3 zum Objekt, von dem sie reflektiert werden. The waves then pass through the lens 3 to the object from which they are reflected. Sie gelangen dann wieder über die Linse 3 auf das Antennenarray 2 . You then return via the lens 3 to the antenna array. 2

In Fig. 2 ist dargestellt, wie die Wellen aus einem Hohlleiter über eine Kollimatorlinse 4 durch das Array 2 auf die Linse 3 abgebildet werden. In FIG. 2 it is shown how the shafts are mapped from a waveguide through a collimator lens 4 by the array 2 to the lens 3. Die Linse 3 ist je nach Einsatzbereich verschieden groß. The lens 3 has different values depending on the application. Für Kfz-Einsatz hat sie einen Durchmesser von 5-30 cm, für Flugzeuge sollte der Durchmesser etwas größer sein und etwa 60 cm betragen. For automotive use, they amounted to a diameter of 5-30 cm, airplanes diameter should be slightly larger and about 60 cm. Eine größere Linse bedeutet höheren Gewinn der Einzelantennen und höhere Direktivität. A larger lens means higher profit of the individual antennas and higher directivity. Als Material für die Linse kommen Materialien wie Teflon, Saphir, Quarz u. ä. in Frage. As the material of the lens come materials such as Teflon, sapphire, quartz u. Ä. In question. Die Wellen im Frequenzbereich von 60-100 GHz sollen die Linse möglichst verlustfrei durchlaufen. The waves in the frequency range 60-100 GHz to pass through the lens loss as possible. Dabei sind Frequenzen von 60 GHz für kurze Entfernungen aufgrund der hohen Dämpfung in der Atmosphäre interessant. Here, frequencies of 60 GHz for short distances due to the high damping in the atmosphere of interest. Außerdem findet nur eine geringe Störung durch Geräte mit gleicher Frequenz statt. In addition, only a small interference by devices with the same frequency takes place. Der Bereich von 100 GHz und darüber ist interessant für hohe Auflösungen, soweit Bauteile verfügbar sind, welche für diese hohe Frequenz geeignet sind. The range from 100 GHz and above is of interest to high resolutions, as far as components are available which are suitable for this high frequency.

Abhängig von Auflösung und "Tiefenschärfe" werden die Abstände zwischen Antennenarray und Linse zweckmäßig im Bereich von 1,5-30 cm gewählt. Depending on resolution and "Focus", the distances between antenna array and lens are appropriately selected in the range of 1.5-30 cm.

Zur Zeit sind Antennenarrays von bis zu 10 cm Durchmesser technisch realisierbar. There are antenna arrays of up to 10 cm diameter technically feasible. Man wird selbstverständlich die Arrays einsetzen, welche die höchste Auflösung und die größte wirksame Fläche aufweisen. It will of course use the arrays, which have the highest resolution and the largest effective area. Um eine möglichst große Auflösung zu erzielen, werden supraleitende Einzelantennen eingesetzt. In order to achieve the highest possible resolution, superconducting single antennas are used.

Um die Anordnung etwas zu verkürzen, wird die Fokussierung der vom Sender ausgesandten Wellen durch einen Hohlspiegel 5 fokussiert (siehe Fig. 3). In order to shorten the arrangement somewhat, the focusing of the emitted waves from the transmitter through a concave mirror 5 is focused (see Fig. 3).

Das supraleitende Antennenarray wird mittels Gas aus einem Kryostaten gekühlt. The superconducting antenna array is cooled in a cryostat with gas. Die entsprechende Anordnung zeigt Fig. 4. The corresponding arrangement is shown in FIG. 4th Die Wände 6 und 7 des Dewargefäßes für die Kühlung sind für die hochfrequenten Wellen durchlässig. The walls 6 and 7 of the Dewar vessel for cooling are permeable to the high-frequency waves. Im Dewargefäß herrschen Temperaturen in der Nähe des Siedepunkts von flüssigem Stickstoff. In the dewar prevail temperatures near the boiling point of liquid nitrogen.

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild der Einzelantenne. Fig. 5 shows a block diagram of the single antenna. Die vom frequenzmodulierten Sender ausgehenden Wellen gelangen vom Strahler 1 zum Mischer und über den Umweg über das Ziel und die Empfangsantenne ebenfalls zum Mischer. Emanating from the frequency-modulated transmitter waves to travel from source 1 to the mixer and going through the target and the receiving antenna also to the mixer. Dort wird die Zwischenfrequenz im Basisband erzeugt und in einem weiteren Teil der Elektronik ausgewertet. There, the intermediate frequency is generated in the baseband and evaluated in a further part of the electronics. Daraus lassen sich dann die für diesen Bildpunkt wichtigen Informationen über die Dopplerverschiebung und die Phasenlage, dh Geschwindigkeit und Laufzeit bestimmen. From this we can important for this pixel information on the Doppler shift and the phase angle, ie determine speed and run time. Die Bildwiedergabe auf einem Bildschirm kann außer der Intensität der Bildpunkte aufgrund einfacher Berechnungen auch die Entfernung der Objekte umfassen, beispielsweise mit Farben (rot = nah, blau = fern). The images displayed on a screen can except the intensity of the pixels based on simple calculations include the removal of objects (near red = blue = far) including colors. Das abgestrahlte Signal muß dazu natürlich moduliert sein, entweder in einem Pulscode, oder nach einem Amplituden-, Frequenz-, oder Phasenmodulationsverfahren. The radiated signal has to be naturally modulated in either a pulse code, or after an amplitude, frequency or phase modulation method. Die Geschwindigkeit kann mit einer Blinkfrequenz dargestellt werden. The speed can be displayed with a flashing frequency.

Der prinzipielle Strahlengang ist in Fig. 6 dargestellt. The fundamental beam path is shown in Fig. 6. Der Sendezweig ist so aufgebaut, daß die vom Strahler 1 ausgehenden Wellen die Linse 3 durchlaufen. The transmit path is constructed such that the waves emitted by the emitter 1 through the lens 3. Auf diese Weise sind sie bereits vor dem Ziel 8 sehr stark divergent. In this way, they are highly divergent before the target 8. Die am Ziel 8 reflektierten Wellen gelangen wiederum über die Linse 3 auf das Antennenarray 2 , in welchem die Mischung und Bildung der Zwischenfrequenz erfolgt. The reflected waves arrive at the target 8 to turn on the lens 3 on the antenna array 2, in which the mixture and formation of the intermediate frequency.

In Fig. 7 sind einige Beispiele für Antennen aufgeführt: In Fig. 7, some examples of antennas include the following:

  • a) eine Schmetterlingsantenne mit BIAS-Zuleitung + ZF-Leitung, a) a butterfly antenna bias supply + IF line,
  • b) ein Mischer, welcher als Josephson-Kontakt 9 ausgeführt ist und b) a mixer which is designed as a Josephson junction 9 and
  • c) ein Mischer als Hybrid mit einer Halbleiterdiode 10 . c) a mixer as a hybrid with a semiconductor diode 10th

Die leitenden Teile der Antenne bestehen aus supraleitendem Material. The conductive parts of the antenna are made of superconducting material. Für die beiden Ausführungsformen 7 b und 7 c sind in Fig. 8 noch einmal die prinzipiellen Schaltungen gezeigt. For both embodiments, 7 b and 7 c are again shown the basic circuits in Fig. 8. Das Empfangssignal wird zu dem Signal vom Lokaloszillator LO addiert, an dem nichtlinearen Bauelement 9 bzw. 10 gemischt und damit die Zwischenfrequenz erzeugt. The received signal is added to the signal from the local oscillator LO, mixed to the non-linear element 9 and 10, respectively, thus generating the intermediate frequency. Diese wird in der oben beschriebenen Weise weiterverarbeitet. This is further processed in the manner described above.

Die supraleitenden Arrays haben eine hohe Auflösung, die durch elektrisch kleine Einzelantennen erreicht wird. The superconducting arrays have a high resolution, which is achieved by electrically small individual antennas. Durch die hohe Güte der in Resonanz betriebenen Antennen ist das Verkleinern der Antennen möglich, ohne die Systemleistung zu vermindern. Due to the high quality of the resonance antennas operated in the downsizing of the antennas is possible, without reducing the system performance. Anpassungsnetzwerk und Resonanzstruktur sind in der Antenne verwirklicht. Matching network and resonating structure are realized in the antenna.

Zur Zeit ist eine Auflösung von 50-200 Bildpunkten wirtschaftlich durchführbar. At the time resolution of 50-200 pixels is economically feasible. In Zukunft werden allerdings wesentlich höhere Auflösungen zur Verfügung stehen. In the future, however, much higher resolutions are available. Dazu kann gegebenenfalls die Sendefrequenz erhöht werden und Wellenlängen von der Größenordnung von 1 mm und darunter verarbeitet werden. This can optionally be increased, and the transmission frequency wavelengths are processed by the order of 1 mm and below. Damit wäre auch eine Verbesserung der Auflösung bis zum Faktor 10 ohne weiteres gegeben. Thereby improve the resolution by a factor of 10 would be readily given.

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Classifications
International ClassificationG01S13/89, G01S7/03, H01Q3/46, H01Q21/00
Cooperative ClassificationG01S13/89, H01Q3/46, G01S7/032, H01Q21/0018
European ClassificationH01Q3/46, H01Q21/00D2, G01S13/89
Legal Events
DateCodeEventDescription
10 Oct 1996OP8Request for examination as to paragraph 44 patent law
27 May 19998127New person/name/address of the applicant
Owner name: DAIMLERCHRYSLER AG, 70567 STUTTGART, DE
27 Jun 20028139Disposal/non-payment of the annual fee