專利名稱：在頂篷安裝的具有360度輻射方向圖的微波收發(fā)兩用機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及物體移動的探測器，特別是一種能在空間范圍內(nèi)探測物體移動的微波收發(fā)兩用機，該空間范圍相對于收發(fā)兩用機基本上沿徑向向外延伸并有360°的方位。
用于區(qū)域保護的傳感裝置和/或者侵入探測系統(tǒng)，例如用于防盜警報器上的這類裝置和系統(tǒng)，一般包括物體出現(xiàn)和/或者移動的探測器。所使用的兩種通用型探測器是無源和有源探測器。無源探測器的一個實例是無源紅外探測器，它是在被保護的所限定的區(qū)域內(nèi)探測紅外輻射的物體出現(xiàn)和/或者移動。
有源探測器的一個實例是無線電收發(fā)兩用機。該收發(fā)兩用機發(fā)射和接收某些形式的輻射能，可在被保護的所限定的區(qū)域內(nèi)探測物體的出現(xiàn)和/或者移動。例如，聲波收發(fā)兩用機，它發(fā)射和接收聲波輻射能(如超聲波，聲納)以完成其探測功能。其他例子，如微波收發(fā)兩用機，它發(fā)射和接收微波輻射能(通常，頻率大于1千兆赫)以完成其探測功能。
在微波收發(fā)兩用機中，微波輻射能一般被耦合到自由空間并通過波導(dǎo)喇叭天線發(fā)射出去。(見

圖1)這種天線有效地輻射和收集微波輻射能，但是，它的輻射能的散射和收集特性曲線不是全向的。實際上，這種天線呈現(xiàn)出高度的方向性，也就是說，它的輻射能發(fā)/收特性曲線的邊緣以銳角向外延伸。因此，這種波導(dǎo)天線限于用在方位角小于180°的覆蓋范圍。
雖然其它型式的天線可用來獲得全向輻射能散射/收集方向圖，但是這類天線一般地要求更多的附加的外部零件，這就使天線的體積變大、費用增高，而且也難于調(diào)整/調(diào)諧。例如，可采用反射器型天線。但是，這類天線通常較大，而且在所輻射的電波內(nèi)不具有均勻的場強。另一個例子是可采用多元，或者陣列天線，但這類天線相當(dāng)大，制造公差較嚴，而且要求復(fù)雜的信號饋線。
本發(fā)明包括用來探測物體侵入到所限定的空間范圍內(nèi)的微波收發(fā)兩用機和天線。本發(fā)明的微波收發(fā)兩用機包括微波輻射發(fā)生器、微波輻射接收器及其外殼部件。
微波收發(fā)兩用機的外殼構(gòu)成矩形波導(dǎo)，對(所發(fā)射的輻射能的)二次諧波提供旁路到參考地，并對天線和同軸-波導(dǎo)接頭提供地參考面，該接頭用來在矩形波導(dǎo)和天線之間耦合所發(fā)射的和所接收的微波輻射能。
天線輻射所發(fā)射的微波輻射能和收集所接收的微波輻射能。該天線是單極式天線，用來在相對于天線主軸沿徑向基本上向外延伸，并在有360°方位的空間范圍內(nèi)提供微波輻射能的發(fā)射和接收，該空間區(qū)域具有一個基本上為刮勺形的徑向截面。
圖1是現(xiàn)有技術(shù)的微波收發(fā)兩用機和天線的透視圖。
圖2是本發(fā)明的微波收發(fā)兩用機和天線的優(yōu)選實施例的剖面透視圖。
圖3A是本發(fā)明天線的能量輻射/接收方向圖的平面剖面?zhèn)纫晥D。
圖3B是本發(fā)明天線的能量輻射/接收方向圖的平面剖面俯視圖。
圖3C是本發(fā)明天線的能量輻射/接收方向圖的剖面透視圖。
圖2用圖解說明本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施例10。該剖面透視圖表示了在本發(fā)明中所采用的常用的主要元件。這些元件包括一個封閉的矩形波導(dǎo)零件12，一個微波調(diào)諧螺釘14，一個耿氏二極管16，一個肖特基勢壘二極管18和一個天線組件20。波導(dǎo)12、調(diào)諧螺釘14和二極管16、18在微波技術(shù)領(lǐng)域中是很普通的元件，而且是公知技術(shù)。下面對天線組件20進行較詳細地說明。
耿氏二極管16的一根引線22在電氣上端接在波導(dǎo)12的下壁24(例如，經(jīng)導(dǎo)電支架)上。另一根引線26經(jīng)外導(dǎo)線28接至外部直流電源上(未繪出)。該引線26經(jīng)介電饋入裝置32穿過波導(dǎo)12的頂壁30連接到導(dǎo)線28。當(dāng)直流電源接通時，耿氏二極管16就成為一個形成微波信號源的、公知技術(shù)的微波振蕩器。
由耿氏二極管16發(fā)出的微波輻射能的振蕩頻率取決于位于耿氏二極管16和波導(dǎo)12的最靠近的內(nèi)壁之間的空腔34的尺寸和空間。此空腔34的尺寸與空間可以按照公知技術(shù)中的方法預(yù)先選定，以便使耿氏二極管16提供正確的信號頻率?？紤]到制造公差的影響，設(shè)有調(diào)諧螺釘14，以便精細的調(diào)諧空腔34的空間，由此就能精細的調(diào)整由耿氏二極管16發(fā)出的微波輻射能的振蕩頻率。在信號發(fā)送期間，此微波輻射能在波導(dǎo)12內(nèi)朝天線組件20方向傳輸。
天線組件20包括一個傳導(dǎo)拾波器36，一個絕緣支柱38，一個匹配件40和一個電磁輻射器42。拾波器36和絕緣支柱38，與波導(dǎo)12一起組成同軸-波導(dǎo)接頭。此接頭在兩種微波輻射傳輸介質(zhì)之間，即在波導(dǎo)12和由拾波器36與絕緣支柱38所構(gòu)成的同軸傳輸線之間形成接口。如下所述，此接頭用來將微波輻射能耦合進波導(dǎo)12以及將輻射能耦合出波導(dǎo)12。
空腔44包括由傳導(dǎo)拾波器36和波導(dǎo)12封閉的內(nèi)壁所包圍的區(qū)域，該空腔44做為二次諧波的濾波器在拾波器36和垂直波導(dǎo)壁46最近的末端之間的直線距離大體上等于所希望的發(fā)射信號頻率波長的四分之一。由于該壁46是導(dǎo)電的，并與波導(dǎo)12的其余壁直接電相連，因此，它起到四分之一波長短截線的作用。于是，在基波發(fā)射信號頻率上，該壁可認為是一個開路端，而在所希望頻率的二次諧波，它起到短路端的作用。由此，基本上將發(fā)射信號中的不希望的二次諧波旁路到參考地。
傳導(dǎo)拾波器36的長度，也就是它伸進到波導(dǎo)12中的深度，要設(shè)置得使(如上所述)同軸-波導(dǎo)接頭形成低電壓駐波比(VSWR)的接口，以便提供最大的信號功率傳輸。拾波器36的必需長度可根據(jù)公知技術(shù)的方法理論上確定，或者根據(jù)公知技術(shù)中的其它方法(例如，VSWR測量，信號功率測量)通過實驗確定。
所發(fā)射的信號是通過拾波器36和穿過波導(dǎo)12下壁24的絕緣支柱38所形成的同軸介電裝置而離開波導(dǎo)12的，再經(jīng)匹配件40到達輻射器42。該匹配件40基本上將同軸阻抗(標(biāo)稱值50歐姆)與輻射器阻抗(近似30歐姆)相匹配。匹配件40只是傳導(dǎo)拾波器36的電氣延伸，其四周沒有絕緣支柱38。構(gòu)成匹配件40的導(dǎo)體長度引入與同軸和輻射器阻抗相串聯(lián)的電感，由此，在它們之間達到大致的阻抗匹配。這樣，基本上全部信號能量有效地被耦合到輻射器42以供發(fā)射(也就是輻射)之用。
輻射器42是圓柱形導(dǎo)體，它可以是空心的或者是實心的。輻射器42的圓柱長度基本上等于所需發(fā)射頻率波長的四分之一(“ 1/4 ”)。輻射器42的圓柱直徑與圓柱長度相比，來確定輻射器42的帶寬。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，所選的直徑近似等于輻射器42圓柱長度的七分之一(“ 1/7 ”)。這就使得在所允許的波段上的工作能獲到足夠的輻射器42帶寬。本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道，要得到不同的帶度，可選擇其他的長度-直徑比。
在信號接收期間，輸入信號的路徑只不過是與發(fā)射信號的路徑反向。輻射器42起到接收天線的作用，它收集微波輻射能，并將此輻射能經(jīng)匹配件40送到傳導(dǎo)拾波器36上，現(xiàn)在該拾波器36用來將所收到的輻射能耦合到波導(dǎo)12中。
上述所接收到的輻射能在波導(dǎo)12內(nèi)傳輸?shù)叫ぬ鼗O管18，并且，使該輻射能與(上面曾討論過的)耿氏二極管16產(chǎn)生的參考信號進行非線性混頻。該混頻作用產(chǎn)生出低的中頻(IF)信號。
肖特基二極管18的一根引線被電終接在波導(dǎo)12(例如，經(jīng)導(dǎo)電夾)的下壁24上。其另一根引線50電聯(lián)接到外導(dǎo)線52上，外導(dǎo)線52則接到外部處理電路54上。引線50借助波導(dǎo)12頂壁30上的絕緣饋入裝置56接到導(dǎo)線52上。在(上面討論過的)肖特基勢壘二極管18內(nèi)產(chǎn)生的IF信號經(jīng)引線50和導(dǎo)線52送給外部處理電路54進行處理。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，該IF信號的頻率一般在二分之一到一百赫茲之間變化。
處理電路54可以是公知技術(shù)中的物體侵入的探測電路。該電路對IF信號進行分析，在所發(fā)射的輻射能輻射的空間范圍內(nèi)檢測出是否出現(xiàn)物體侵入(例如，物體的出現(xiàn)或移動)。
將波導(dǎo)12內(nèi)的二極管16，18分開的直線距離取決于二極管16，18的電特性。一般情況下，此距離由實驗確定，即變化該距離直到耿氏二極管16產(chǎn)生的信號耦合到肖特基勢壘二極管18的功率達最大值為止。這實際上是采用使上述兩個二極管兼容的方法來調(diào)整二極管16，18的不同的電特性。一旦此距離由實驗確定，若二極管16，18的電特性沒有很大變化，該距離就不需要調(diào)整。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，此距離通常是在所需信號的波長的四分之一至三分之一的范圍之內(nèi)。
圖3A圖示了本發(fā)明輻射器42的輻射能散射/收集方向圖的平面剖面圖。輻射能散射(若輻射器42用作接收天線，即為輻射能收集)的剖面區(qū)域60，62被圖示成刮勺的形狀(也就是說，類似于刮勺或匙狀物)。如果輻射器42相對于波導(dǎo)12被排在如圖2所示的位置，上述剖面區(qū)60，62按向下的方向被定向。此定向是當(dāng)波導(dǎo)12的底面(匹配件40和輻射器42就是從該底面伸出來的)用作輻射器42接地參考面時得到的結(jié)果。這種類型的天線-地參考面配置如地面上的單極天線一樣是現(xiàn)有技術(shù)所公知的。
圖3B用圖說明當(dāng)從輻射器42的上面向下看時所觀察到的輻射器42的同一個輻射能散射/收集方向圖。此剖面區(qū)域64大體上呈圓形，表示方向圖有360°方位特性。
圖3C也用圖說明當(dāng)用剖視方式觀察時所看到的同一個輻射能散射/收集方向圖。
權(quán)利要求
1.一種供發(fā)射和接收電磁輻射能的改進裝置，該裝置包括用來產(chǎn)生以發(fā)射頻率發(fā)射的發(fā)射電磁輻射能的發(fā)生器裝置；用來以波導(dǎo)模式傳輸所述發(fā)射輻射能的空腔裝置；以及供接收并將所述接收到的電磁輻射能變換為所接收到的電信號的接收裝置，其特征在于所述的改進裝置包括用來在空間范圍內(nèi)輻射所述所發(fā)射的輻射能并收集所述所接收到的輻射能的天線裝置，該空間范圍相對于上述天線裝置被升高并基本上徑向向外延伸并有360°方位，所述的空間范圍具有大體上呈現(xiàn)刮勺形徑向剖面；與所述天線裝置電連接并安置在所述空腔裝置內(nèi)的拾波裝置，用來接收并將所傳輸?shù)陌l(fā)射輻射能從所述波導(dǎo)模式變換為同軸模式以及將所收集到的接收輻射能從同軸傳輸模式變換為波導(dǎo)傳輸模式；用來基本上將由所述發(fā)射頻率的二次諧波組成的所述傳輸?shù)陌l(fā)射輻射旁路到參考地的濾波器裝置。
2.一種有源物體侵入的探測系統(tǒng)，其特征在于它包括用于產(chǎn)生以發(fā)射頻率發(fā)射的電磁輻射的發(fā)生器裝置;接收電磁輻射能的接收裝置;容納所述發(fā)生器和轉(zhuǎn)換器裝置的外殼;以及用來在空間范圍內(nèi)輻射所述發(fā)射電磁輻射并收集所述接收電磁輻射的天線裝置，該空間范圍相對于所述天線裝置被升高并基本上徑向向外延伸并有360°方位，所述的空間范圍具有大體上呈現(xiàn)刮勺形的徑向剖面。
3.如權(quán)利要求2所限定的裝置，其特征在于它還包含處理所述的接收到的電磁輻射并轉(zhuǎn)換成為表示探測到物體侵入的電信號的處理裝置。
4.如權(quán)利要求3所限定的裝置，其特征在于所述發(fā)射和接收的電磁輻射實際上處于電磁頻譜的微波頻段內(nèi)。
5.如權(quán)利要求3所限定的裝置，其特征在于所述的發(fā)生器裝置包括一耿氏二極管。
6.如權(quán)利要求3所限定的裝置，其特征在于所述接收裝置包括一肖特基勢壘二極管。
7.如權(quán)利要求3所限定的裝置，其特征在于所述外殼裝置包括一具有內(nèi)和外壁的封閉的矩形波導(dǎo)。
8.如權(quán)利要求7所限定的裝置，其特征在于所述矩形波導(dǎo)包括一個供調(diào)諧所述發(fā)射頻率的調(diào)諧空腔，一個用來大體上調(diào)整所述發(fā)生器和接收機裝置各自電特性的匹配空腔，和一個將由所述發(fā)射頻率的二次諧波組成的所述發(fā)射輻射基本上旁路到參考地的濾波器裝置。
9.如權(quán)利要求3所限定的裝置，其特征在于所述天線裝置包括一單極天線。
10.如權(quán)利要求7所限定的裝置，其特征在于所述天線裝置包括通過同軸-波導(dǎo)接頭與所述矩形波導(dǎo)電耦合的單極天線，所述天線與所述波導(dǎo)外壁基本上垂直并從外壁向外延伸，所述外壁的外表面包含一個用于所述天線的地面參考。
11.感測物體侵入所限定的空間范圍的裝置，其特征在于它包括微波收發(fā)兩用機和其電磁輻射能方向圖從所述天線升高，并大體上徑向向外延伸的且相對于所述天線有360°的方位的微波天線，所述方向圖具有基本上呈刮勺形的徑向剖面。
12.如權(quán)利要求11所限定的裝置，其特征在于所述微波收發(fā)兩用機包括一耿氏二極管和一肖特基勢壘二極管。
13.如權(quán)利要求11所限定的裝置，其特征在于所述微波天線包括一單極天線。
14.如權(quán)利要求13所限定的裝置，其特征在于所述微波收發(fā)兩用機包括一微波發(fā)生器、一微波接收器、一封閉的矩形波導(dǎo)、一同軸-波導(dǎo)接頭和天線地平面參考。
全文摘要
微波收發(fā)兩用機包括一耿氏二極管微波輻射源、一肖特基勢壘二極管混頻器、封閉的矩形波導(dǎo)空腔、一同軸——波導(dǎo)接頭和提供微波輻射能散射/收集方向圖的單極天線所組成，該方向圖占有高于所述天線的空間范圍，并且徑向向外延伸，而且相對于所述天線有360°的方位，所述空間范圍基本上呈現(xiàn)刮勺形徑向剖面。
文檔編號G01S13/04GK1054513SQ91100709
公開日1991年9月11日 申請日期1991年2月1日 優(yōu)先權(quán)日1990年3月1日
發(fā)明者約翰·D·華萊士 申請人:美國C及K系統(tǒng)有限公司