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(11) | EP 3 352 298 A1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | MIKROWELLEN-BACKSCATTER-TRANSPONDER |
| (57) Die Erfindung betrifft einen Mikrowellen-Backscatter-Transponder mit folgenden Eigenschaften: - er umfasst eine Mehrzahl von Strahlerelementen (AE1-AE4), die ein 1- oder 2 dimensionales Array (AR) bilden, - es sind Mittel (MOD1, MOD2, SPDT1-SPDT4) vorhanden, um die Impedanz der Strahlerelemente (AE1-AE4) zu modulieren, - die Strahlerelemente (AE1-AE4) sind abhängig von ihrer Lage innerhalb des Arrays (AR) in mehrere Gruppen aufgeteilt, wobei auf die Strahlerelemente jeder Gruppe (AE1, AE4; AE2, AE3) eine einheitliche, sich von den Modulationen der anderen Gruppen unterscheidende Modulation der Impedanz angewandt wird, - wobei die Zuordnung einer bestimmten Modulation zu einer der Gruppen derart gewählt wird, dass sich ein Tapering ergibt, gemäß dem die Signalpegel der Strahlerelemente (AE1, AE4) an den Rändern des Arrays (AR) im Vergleich zu den Strahlerelementen (AE2, AE3) im Zentrum des Arrays abfallen, um eine Nebenkeulenunterdrückung zu ermöglichen. |
[0002] Ein Transponder im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Funk-Kommunikationsgerät, das eingehende Signale eines Abfragers im Fernfeld aufnimmt und automatisch beantwortet oder weiterleitet. Backscatter-Transponder verwenden zur Beantwortung des einfallenden Signals das physikalische Prinzip der modulierten Rückstreuung, z.B. durch Ein- und Austastung. Der Backscatter-Transponder erzeugt dabei selbst kein Feld, sondern beeinflusst lediglich das einfallende elektromagnetische Signal des Abfragers, in dem er das einfallende Signal moduliert. Der über die Modulation bereitgestellte Informationsgehalt kann von einem Empfänger verarbeitet werden. Der Empfänger muss nicht zwingend am gleichen Ort sein wie der Abfrager (dann spricht man von einem bi-statischen Fall). In der Praxis wird das aber meistens der Fall sein (monostatischer Fall), um einen existierenden Radar-Sensor nutzen zu können. Sowohl im bi-statischen wie auch im monostatischen Fall handelt es sich dabei vor allem um Sekundärradaranwendungen.
[0003] Backscatter-Transponder können insbesondere in der Luftfahrt eine Vielzahl von Aufgaben unterstützen bzw. wahrnehmen wie z.B.:
□ Landehilfen
□ Luftbetankung
□ Zielmarkierungen
□ Passive Freund-Feind-Erkennung (IFF)
□ ID für kleine UAVs
□ Beleuchter für Passivradare
□ Kalibrationshilfen für MIMO-Antennenarrays
□ Digitale Deichsel
□ Fernabfragen von Schadstoff-Sensoren
□ Sense&Avoid (das Erkennen von anderen Flugzeugen durch Sensoren und automatisches Ausweichen) für Flugzeuge beim Taxiing
□ Virtuelle Straße für UAVs
□ Combat SAR
□ Blue Force Tracking (GPS-basiertes System zum Verfügbarmachen von Positionsinformationen von eigenen und fremden Truppen)
[0004] Eine typische Ausführung eines Backscatter-Transponders gemäß Stand der Technik ist in Fig. 1 zu sehen. In der gezeigten Konfiguration umfasst die Antenne des Backscatter-Transponders ein Array von vier Antennenelementen AE1 bis AE4 (z.B. ausgebildet als Antennen-Patches). Zur Modulation werden die einzelnen Antennen-Patches jeweils über einen Schalter SPDT 1 bis SPDT4 zwischen einem reflexionsfreien Abschluss LOAD und einem voll reflektierenden Abschluss REFL umgeschaltet. In diesem Fall werden somit alle Schalter SPDT 1 bis SPDT 4 in der gleichen Weise durch die Modulationseinheit moduliert (hier z.B. OOM mit einem Duty-Cycle von 50%). Durch diese Umschaltung wird die Impedanz der Antennenelemente und dadurch deren Reflexionsverhalten verändert.
[0005] Die Antennen von Backscatter-Transpondern weisen in ihrer Richtcharakteristik außer der Hauptkeule, die in die gewünschte Richtung zeigt, auch mehrere Nebenkeulen auf, die in nicht gewünschte Richtungen zeigen. Dies wirkt sich im Betrieb des Transponders ungünstig aus. Nachteile von erhöhten Nebenkeulen sind insbesondere:
- 1. Die Nebenkeulen können zu falschen Positionsbestimmungen führen.
- 2. Erhöhte Nebenkeulen verringern den Energieinhalt der Hauptkeule.
- 3. In Kombination mit Reflexionen kann es zu Mehrwegausbreitungen und Interferenzen kommen.
[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikrowellen-Backscatter-Transponder mit verbesserter Antennen-Nebenkeulenunterdrückung zu schaffen. Diese Aufgabe wird mit dem Mikrowellen-Backscatter-Transponder nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
[0007] Die Erfindung wird mit Bezug auf mehrere Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Backscatter-Transponder nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 ein Backscatter-Transponder gemäß der Erfindung,
Fig. 3 zwei beispielhafte Signale für die Modulation der Impedanz der Antennenelemente gemäß der Erfindung,
Fig. 4 Spektren der Antennenelemente bei einer Modulation mit einem Duty-Cycle des Modulationssignals von 50 % und 20%,
Fig. 5 ein Beispiel für die eine Nebenkeulenunterdrückung mit einem Dolph-Tschebyscheff-Taper unter Einsatz eines erfindungsgemäßen Transponders im Vergleich zum Stand der Technik (Antennendiagramme in Polarkoordinatendarstellung),
Fig. 6 ein bi-statisches System zur Abfrage eines erfindungsgemäßen Backscatter-Transponders.
[0008] Fig. 2 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Backscatter-Transponders mit einem linearen Array AR von vier Antennenelementen AE1 bis AE4 (z.B. ausgebildet als Patch-Antennenelemente). Grundsätzlich kann das Array im Rahmen der Erfindung eine beliebige Anzahl von Antennenelementen aufweisen, die linear oder in zwei Dimensionen angeordnet sind.
Anders als bei dem bekannten Aufbau nach der Fig. 1 wird die Impedanz der beiden äußeren Antennenelemente AE1, AE4 (über die Umschaltung der zugeordneten Schalter SPDT 1 und SPDT 4) anders moduliert als die Impedanz der beiden inneren Antennenelemente AE2, AE3 (über die jeweils zugeordneten Schalter SPDT 2, SPDT 3). Dazu sind zwei separate Modulationseinheiten MOD1, MOD2 vorhanden. Die Pulsbreiten für die Modulation der inneren Schalter SPDT 2, SPDT 3 können vorteilhaft so gewählt werden, dass die On-Zeit der Off-Zeit entspricht (50% Duty Cycle). Die den äußeren Antennenelementen AE1, AE4 zugeordneten Schalter SPDT 1, SPDT 4 werden dagegen mit einem schmäleren Puls moduliert (hier z.B.: 20% Duty Cycle). Die einzelnen Modulationssignale unterscheiden sich also im Energiegehalt. Fig. 3 zeigt die entsprechenden zeitlichen Verläufe für die Modulation der Schalter der inneren bzw. äußeren Antennenelemente. Allgemein werden also mehrere Gruppen von Antennenelementen gebildet, wobei für sämtliche Antennenelemente einer Gruppe die gleiche Modulation angewandt wird. Eine Gruppe besteht dabei bevorzugt aus mindestens zwei Antennenelementen, kann aber in einzelnen Fällen auch nur ein Antennenelement umfassen.
[0009] In Fig. 4 sind für ein CW-Signal von f0 = 1 GHz und einer Modulationsfrequenz von fMOD = 1 MHz die entsprechenden Spektrallinien aufgetragen. Durch die beschriebene Modulation ergeben sich symmetrisch zur Sendefrequenz f0 mehrere Seitenbänder. Die ohne Füllung gezeichneten Frequenzlinien bilden das Spektrum bei einer Modulation mit einem Duty-Cycle von 50% (innere Antennenelemente), während die schraffiert gezeichneten Spektrallinien das Spektrum der äußeren Antennenelemente darstellen (Modulation mit 20% Duty-Cycle). Wie man sieht, ergeben sich für gleiche Frequenzen abhängig von der verwendeten Pulsbreite (äquivalent zum verwendeten Duty-Cycle) unterschiedliche Signal-Pegel. Die konkreten Pegelwerte für dieses Beispiel sind jeweils am oberen Rand jeder Frequenzlinie angegeben.
[0010] Im Hinblick auf das Ziel der Unterdrückung von Nebenkeulen ergibt sich daraus Folgendes: Abhängig von der gewählten Modulation (hier: dem Verhältnis der Pulsbreiten bzw. Verhältnis der Duty-Cycles) der den einzelnen Antennenelementen zugeordneten Schalter kann eine Taperung über das Patch Array erzielt werden, d.h. die Signalpegel der einzelnen Antennenelemente können so eingestellt werden, dass sich vom Zentrum des Arrays zu seinen Rändern hin ein Abfall der Pegel ergibt. Dieses gilt zumindest für eine bestimmte Frequenz und man muss, um den Effekt einer Taperung zu gewinnen, die entsprechende Frequenz im Empfänger ausfiltern (siehe Fig. 6). Der entsprechende Bandpass BP im Bereich eines Seitenbands mit der Frequenz f= 999.999 MHz ist in Fig. 4 angedeutet.
[0011] In dem Beispiel der Fig. 2 bis 4 würden sich somit unter Verwendung der in Fig. 4 konkret angegebenen Pegelwerte für die gewählte Frequenz f = 999.999 Mhz die folgende Pegelverteilung für die einzelnen Antennenelemente ergeben:
Gruppe 1 (die beiden mittleren Antennenelemente): Pegel = 5,03 dBm
Gruppe 2 (die beiden äußeren Antennenelemente): Pegel = 2,72 dBm.
[0012] Durch entsprechende Wahl der Modulation (d.h. Wahl des Duty-Cycles bzw. der Pulsbreite) der einzelnen Schalter kann eine beliebige Taperung (Pegelverteilung) über dem Array erreicht werden. Welche im Einzelfall zu wählen ist, wird durch die bekannten Methoden zur Nebenkeulenunterdrückung vorgegeben (z.B. Binomial, Dolph-Tschebyscheff usw.). Somit ist erfindungsgemäß eine Möglichkeit geschaffen, eine Nebenkeulenunterdrückung für einen Backscatter-Transponder zu realisieren. Das führt zu einer Verbesserung von unerwünschten Abtrahlungen und erhöht die Zuverlässigkeit für verschiedenste Anwendungen.
[0013] Da die bekannten Verfahren zur Nebenkeulenunterdrückung immer ein Tapering symmetrisch zum Zentrum des Arrays fordern, wird der erfindungsgemäße Backscatter-Transponder vorteilhaft mindestens drei Antennenelemente aufweisen.
[0014] Im Folgenden wird ein weiteres Beispiel für die Auslegung des erfindungsgemäßen Backscatter-Transponders beschrieben:
Gegeben sei ein lineares Array von 6 Patchelementen im Abstand vom 2,5 cm mit laufender Nr. 1 bis 6 von links nach rechts. Ein Amplituden-Taper nach der bekannten Dolph-Tschebyscheff -Methode für eine 20 dB Nebenkeulenunterdrückung verlangt eine symmetrische Amplitudenverteilung von 0dB, -2,2dB und -5,3dB vom Zentrum an die Räder des Arrays. Zur Erzielung dieser Signalpegel sind Modulationen der den Antennenelementen zugeordneten Schalter mit Duty-Cycles von 50%, 30% und 15% notwendig. Es ergeben sich somit folgende Gruppen von Antennenelementen, die sich hinsichtlich der Modulation unterscheiden:
Gruppe 1 (innere Antennenelemente Nr. 3 und 4) mit Pegel = 0dB bei 50% Duty-Cycle,
Gruppe 2 (mittlere Antennenelemente Nr. 2 und 5) mit Pegel = -2,2dB bei 30% Duty-Cycle,
Gruppe 3 (äußere Antennenelemente Nr. 1 und 6) mit Pegel = -5,3dB bei 15% Duty-Cycle.
[0015] Fig. 5 zeigt den Grad der erreichten Nebenkeulenunterdrückung für das dargelegte Beispiel nach der Dolph-Tschebyscheff-Methode (rechtes Antennendiagramm der Fig. 5) im Vergleich zu einer konstanten Amplitudenverteilung über dem Array gemäß dem Stand der Technik gemäß Fig. 2 (linkes Antennendiagramm der Fig. 5) in der üblichen Polarkoordinatendarstellung. Man erkennt, dass die Nebenkeulen bei der erfindungsgemäßen Ausführung deutlich vermindert sind.
[0016] Die vorhergehenden Beispiele beruhen sämtlich auf der Anwendung der On-Off-Modulation. Es ist aber darauf hinzuweisen, dass die Erfindung nicht auf diese Modulationsart beschränkt ist, sondern auch unter Anwendung anderer Modulationsarten durchgeführt werden kann. Als Alternativen seine hier insbesondere die Amplitudenmodulation, die Phasenmodulation und die Frequenzmodulationen genannt.
[0017] Fig. 6 zeigt ein bi-statisches System zur Abfrage eines erfindungsgemäßen Backscatter-Transponders TP. Ein Signal 1 (z.B. CW, FMCW) wird von einem Sender (Abfrager), der als wesentliche Elemente eine Signalquelle SQ und eine Antenne TX umfasst, abgestrahlt. Am Backscatter-Transponder TP wird das Signal wie beschrieben moduliert (z.B. mit OOM, AM, FM oder PM), um ihm einen vordefinierten Informationsgehalt aufzuprägen, und als Antwortsignal 10 zu einem Empfänger zurückreflektiert, der den über die Modulation bereitgestellten Informationsgehalt verarbeitet. Der Empfänger umfasst neben der Antenne RX, einen Detektor DEC zur Demodulation des empfangenen Signals sowie weitere Standardkomponenten PROC zur Signalverarbeitung. Darüber hinaus umfasst der Empfänger ein Bandpassfilter BP, um wie erläutert, die Signalverarbeitung auf die für das Tapering genutzten Frequenzlinien zu begrenzen.
Liste der verwendeten Abkürzungen
[0018]
- AM
- Amplitudenmodulation
- CW
- Continuous Wave
- FM
- Frequenzmodulation
- FMCW
- Frequency Modulated Continuous Wave
- ID
- Identifikation
- IFF
- Identification Friend Foe
- MIMO
- Multiple Input Multiple Output
- OOM
- On-Off-Modulation
- PM
- Phasenmodulation
- SAR
- Search and Rescue
- SPDT
- Single Pole Double Throw
- UAV
- Unmanned Aerial Vehicle
- er umfasst eine Mehrzahl von Strahlerelementen (AE1-AE4), die ein 1- oder 2 dimensionales Array (AR) bilden,
- es sind Mittel (MOD1, MOD2, SPDT1-SPDT4) vorhanden, um die Impedanz der Strahlerelemente (AE1-AE4) zu modulieren,
- die Strahlerelemente (AE1-AE4) sind abhängig von ihrer Lage innerhalb des Arrays (AR) in mehrere Gruppen aufgeteilt, wobei auf die Strahlerelemente jeder Gruppe (AE1, AE4; AE2, AE3) eine einheitliche, sich von den Modulationen der anderen Gruppen unterscheidende Modulation der Impedanz angewandt wird,
- wobei die Zuordnung einer bestimmten Modulation zu einer der Gruppen derart gewählt wird, dass sich ein Tapering ergibt, gemäß dem die Signalpegel der Strahlerelemente (AE1, AE4) an den Rändern des Arrays (AR) im Vergleich zu den Strahlerelementen (AE2, AE3) im Zentrum des Arrays abfallen, um eine Nebenkeulenunterdrückung zu ermöglichen.
Geänderte Patentansprüche gemäss Regel 137(2) EPÜ.
- er umfasst eine Mehrzahl von Strahlerelementen (AE1-AE4), die ein 1- oder 2 dimensionales Array (AR) bilden,
- es sind Mittel (MOD1, MOD2, SPDT1-SPDT4) vorhanden, um die Impedanz der Strahlerelemente (AE1-AE4) zu modulieren,
- die Strahlerelemente (AE1-AE4) sind abhängig von ihrer Lage innerhalb des Arrays (AR) in mehrere Gruppen aufgeteilt, wobei auf die Strahlerelemente jeder Gruppe (AE1, AE4; AE2, AE3) eine einheitliche, sich von den Modulationen der anderen Gruppen unterscheidende Modulation der Impedanz angewandt wird,
- wobei die Zuordnung einer bestimmten Modulation zu einer der Gruppen derart gewählt wird, dass sich ein Tapering ergibt, gemäß dem die Signalpegel der Strahlerelemente (AE1, AE4) an den Rändern des Arrays (AR) im Vergleich zu den Strahlerelementen (AE2, AE3) im Zentrum des Arrays abfallen, um eine Nebenkeulenunterdrückung zu ermöglichen,
dadurch gekennzeichnet, dassdie auf die einzelnen Gruppen angewandten Modulationen als On-Off-Modulationen ausgestaltet sind, wobei die On-Off-Modulationen ein Schalten zwischen einem reflexionsfreien Abschluss (REFL) und einem voll reflektierenden Abschluss (LOAD) umfasst.