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Mikrowellenschranke
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Mikrowellenschranke mit einer
Sende- und einer Empfangseinrichtung für Mikrowellen, die jeweils eine Mikrowellensende-
und eine Mikrowellenempfangsantenne aufweisen, wobei in der Empfangseinrichtung
eine Detektor-Diode vorgesehen ist, deren Arbeitspunkt beispielsweise mittels einer
Vorspannung eingestellt ist.
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Mikrowellenschranken werden ebenso wie Lichtschranken für Überwachungsaufgaben
eingesetzt. Die Kikrowellenschranken haben den Vorteil, daß sie gegen Staub und
andere atmosphärische Einflüsse weitgehend unempfindlich sind. Der Mikrowellensender
strahlt über seine Antenne Signale ab, deren Frequenzen im Gigahertzbereich liegen.
Der zugeordnete Empfänger, dessen Antenne direkt oder auch über Reflexionen von-
den Mikrowellen erreicht werden kann, wertet aus, ob die Mikrowellen ungehindert,
in abgeschwächter Form oder überhaupt nicht an seiner Antenne eintreffen.
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Der Sender besteht allgemein aus einer Antenne, einer Diode und einem
Resonator, der als Topfkreis oder Hohlraumresonator ausgebildet ist. Als Diode kann
eine Gunn-Diode verwendet werden, die Stromimpulse mit sehr hohen Folgefrequenzen
erzeugt, wenn sie an Gleichspannung angelegt wird. Der Resonator synchronisiert
weitgehend die Folgefrequenz der in der Gunn-Diode erzeugten Stromimpulse. Deshalb
strahlt die Antenne vorwiegend Mikrowellen
aus, deren Frequenz von
der Resonanzfrequenz des Resonators bestimmt wird. Durch periodisches Ein- und Ausschalten
des Senders wird ein amplitudenmoduliertes Mikroweliensignal erzeugt.
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Die Empfangseinrichtung enthält zumeist eine Detektor-Diode, an der
das empfangene Mikrowellensignal ansteht.
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Die Detektor-Diode ist zur Erhöhung der Empfindlichkeit durch eine
geringe Gleichspannung vorgespannt. Als Detektor-Diode kann eine Schottky-Diode
eingesetzt werden. Die für die Verarbeitung von Mikrowellensignalen geeigneten Detektor-Dioden
unterliegen einer starken Temperaturdrift. Um den Einfluß der Temperaturdrift zu
beseitigen, wird nur- die Modulationsfrequenz des amplitudenmodulierten Mikrowellensignals
ausgewertet.
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Durch die Rechteckmodulation des Mikrowellensignals im Sender tritt
ein starkes Ober- und Nebenwellenspektrum auf, dessen Abstrahlung die Übertragung
von Nachrichten im entsprechenden Frequenzbereich in unzulässiger Weise stören kann.
Mit einer zusätzlichen Filterung irr Sender können die durch den Tastbetrieb hervorgerufenen
Ober-und Nebenwellen auf unschädliche Werte herabgesetzt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mikrowellenschranke
der eingangs beschriebenen Gattung derart weiterzuentwickeln, daß ohne die Erzeugung
modulierter Mikrowellensignale in der Sendeeinrichtung die Detektor-Diode in der
Empfangseinrichtung mit modulierten Mikrowellensignalen beaufschlagt werden kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Sendeeinrichtung
ein Dauerstrich-Mikrowellensignal aussendet und daß in der Empfangseinrichtung das
Dauerstrich-Mikrowellensignal über eine Modulationseinrichtung an die Detektor-Diode
angelegt ist.
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Obwohl mit dieser Einrichtung im Sender nur Mittel für die Erzeugung
eines Dauerstrich-Mikrowellensignals notwendig sind, werden im Empfänger durch die
Verarbeitung modulierter Mikrowellensignale die Einflüsse der Temperaturdrift der
Detektor-Diode auf die Signalverarbeitung beseitigt. Es werden keine störenden Oberwellen
und/oder Nebenwellen übertragen. Der Aufwand in der Sendeeinrichtung für die Erzeugung
des Dauerstrich-Mikrowellensignals ist gering. Es reicht ein einfach aufgebauter
Gunn-Oszillator aus.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Modulationseinrichtung
ein der Mikrowellenempfangsantenne nachgeschalteter Hochfrequenzverstärker ist,
der für die Mikrowellensignale alternierend durchlässig gesteuert und gesperrt wird.
Ein zwischen der Empfangsantenne und der Detektor-Diode angeordneter Hochfrequenzverstärker
wird in dieser Anordnung zugleich als Mikrowellenmodulator benutzt. Zusätzliche
Modulatoren sind bei dieser Anordnung nicht notwendig. Darüber hinaus wird die Empfindlichkeit
des Empfängers verbessert.
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Vorzugsweise wird die Betriebsspannungsversorgung des Hochfrequenzverstärkers
abwechselnd ein- und ausgeschaltet. Damit läßt sich ein besonders einfacher Empfängeraufbau
erreichen.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist vorgesehen, daß als Hochfrequenzverstärker
ein Gallium-Arsenid-Feldeffekt-Transistor angeordnet ist, der über ein Anpaß-Netzwerk
mit der Mikrowellenempfangsantenne und über ein weiteres Anpaß-Netzwerk mit der
Detektor-Diode verbunden ist und dessen Gate- und Drain-Elektroden mit einem Taktgeber
in Verbindung stehen.
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Vorzugsweise liegt die Modulationsfrequenz für die Modulationseinrichtung
im kHz-Bereich.
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Alternativ kann als Modulationseinrichtung am Eingang der Mikrowellenempfangsantenne
eine rotierende, kleeblattförmig ausgebildete Scheibe angeordnet sein.
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Ek iSt auch möglich als Modultionseinrichtung einen .PIN-Dioden-Schalter
zu verwenden, der an die Mikrowellenempfangsantenne angeschlossen ist. Der PIN-Dioden-Schalter
arbeitet als variabler HF-Widerstand.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung von zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen.
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Es zeigen: Fig. 1 eine Mikrowellenschranke im Schema; Fig. 2 Einzelheiten
der in Fig. 1 schematisch dargestellten Anordnung; Fig. 3 eine andere Ausführungsform
einer Mikrwellenschranke im Schema.
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Eine Sendeeinrichtung 1 für Mikrowellen besteht aus einer Hornantenne
3, einer Gunn-Diode 5 und einem Resonator 7.
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Die Gunn-Diode 5 ist an eine Gleichspannungsquelle 11 angeschlossen.
Weiterhin ist die Gunn-Diode 5 mit dem Resonator 7 und der Hornantenne 3 verbunden.
Die mit Gleichspannung beaufschlagte Gunn-Diode 5 erzeugt Wechselspannungen mit
Frequenzen im Gigahertzbereich. Nur diejenigen Wechsel spannungen, deren Frequenzen
mit der Resonanzfrequenz des Resonators 7 übereinstimmen, werden von der Hornantenne
3 als elektromagnetische Wellen 13 abgestrahlt. Die kontinuierlich abgestrahlten
Mikrowellen 13 breiten sich geradlinig im Raum aus und gelangen zu
einer
Mikrowellenempfangsantenne 15, die auf die Hornantenne 3 ausgerichtet ist. Bei der
Empfangsantenne handelt es sich ebenfalls um eine Hornantenne. Die Feldstärke, mit
der die Mikrowellen 13 an der Empfangsantenne 15 anstehen, ist dem Quadrat der Entfernung
zur Hornantenne 3 umgekehrt proportional. Durch Materie, die sich zwischen der Sendeantenne
3 und der Empfangsantenne 15 befindet, werden die Mikrowellen 13 gedämpft. Je nach
der Art der Materie können die Mikrowellen 13 auch völlig absorbiert werden. Die
Dämpfung der Mikrowellen 13 durch Materie zwischen der Sende- und Empfangsantenne
wird zur Feststellung der Materie im Strahlenschrankenbereich ausgenutzt.
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Die Mikrowellenempfangsantenne 15, die Bestandteil einer Empfangseinrichtung
16 ist, steht mit einem Hochfrequenzverstärker 17 in Verbindung, der zur Vorverstärkung
der empfangenen Mikrowellen dient. Durch die Vorverstärkung wird die Empfindlichkeit
der in Fig. 1 dargestellten Mikrowellenschranke erhöht. Zwischen der Sendeeinrichtung
1 und der Empfangsantenne 15 können daher auch größere Entfernungen liegen. An den
Hochfrequenzverstärker 17 ist eine Detektor-Diode 19, z.B. eine Schottky-Diode,
angeschlossen. Die Detektor-Diode 19 ist über einen Widerstand 21 an eine Gleichspannungsquelle
23 gelegt. Die Gleichspannungsquelle 23 versorgt die Detektor- Diode 19 mit einer
Vorspannung, mit der ein günstiger Arbeitspunkt der Detektor-Diode 19 eingestellt
wird. Der Detektor-Diode 19 ist ein Wechselspannungsverstärker 25 nachgeschaltet,
an den eine Auswertschaltung 27 angeschlossen ist.
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Der Hochfrequenzverstärker 17 erhält seine Betriebsspannung von einem
Taktgenerator 29, der Rechteckimpulse mit gleichbleibender Frequenz erzeugt. Mittels
dieser Recht-
eckimpulse wird der Hochfrequenzverstärker periodisch
ein- und ausgeschaltet. Vorzugsweise haben die Rechteckimpulse eine Frequenz, die
zwischen einem und zehn kHz liegt. Darüber hinaus ist es günstig, wenn die Rechteckimpulse
ein Impulspausen/Impulsdauerverhältnis von eins oder ungefähr eins haben.
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Infolge der periodischen Ein- und Ausschaltung arbeitet der Hochfrequenzverstärker
17 als Modulationseinrichtung, die die zugeführten Mikrowellensignale moduliert
und zugleich verstärkt. Am Ausgang des Hochfrequenzverstärkers 17 stehen getastete
Mikrowellensignale zur Verfügung. Die Mikrowellensignale sind mit einer Rechteckwelle
moduliert. Die getasteten Mikrowellensignale werden mit der Detektor-Diode 19 demoduliert.
Die Detektor-Diode 19 gibt ein Wechselspannungssignal, das die Modulationsfrequenz
aufweist, an den Wechselspannungsverstärker 25 ab. Nach der Verstärkung im Wechselspannungsverstärker
25 gelangt das Signal, das die Modulationsfrequenz aufweist, zur Auswertschaltung
27, die z.B. einen Schwellwertschalter und ein Relais aufweist, das betätigt wird,
wenn -der Pegel der empfangenen Mikrowellen kleiner als eine vorgebbare Schwelle
ist.
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Die Detektor-Diode 19 kann bei der vorstehend beschriebenen Anordnung
in ihrem günstigsten Arbeitsbereich arbeiten. Die in diesem Bereich auftretende,
störende Temperaturdrift bleibt wegen der Weitervqtarbeitung demodulierter Rechteckwellensignale
ohne Einfluß auf die Genauigkeit der Mikrowellenschranke. Durch die Ausnutzung des
Hochfrequenzverstärkers 17 als Modulationseinrichtung läßt sich ein gesonderter
Modulator einsparen.
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Da in der Sendeeinrichtung 1 keine Rechteckwellenmodulation der Mikrowellensignale
stattfindet, treten auf dem Übertragungsweg keine Ober- und Nebenwellen auf, die
hochfrequente Nachrichtenübertragungen stören könnten. Dar-
über
hinaus hat die Sendeeinrichtung 1 einen sehr einfachen Aufbau. Auch der Aufbau der
Empfangseinrichtung 16, zu der neben der Empfangsantenne 15 der Hochfrequenzverstärker
17, der Taktgenerator 29, die Detektor-Diode 19, der Widerstand 21, die Gleichspannungsquelle
23, der Wechselspannungsverstärker 25 und die Auswertschaltung 27 gehören, ist relativ
einfach. Die Mikrowellenschranke läßt sich deshalb kostengünstig herstellen.
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Der Hochfrequenzverstärker 17 enthält einen Gallium-Arsenid- Feldeffekttransistor
31, dessen nicht näher dargestellte Gate-Elektrode über ein Anpaß-Netzwerk 33 an
die Mikrowellenempfangsantenne 15 angekoppelt ist. Der Feldeffekttransistor 31 ist
mit seiner Drain-Elektrode, die ebenfalls nicht näher dargestellt ist, an ein weiteres
Anpaß-Netzwerk 35 angeschlossen, mit dem die Detektor-Diode 19 verbunden ist.
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In das Anpaß-Netzwerk 33 wird über eine Schaltung 37 für die Gate-Spannungs-Zuführung
eine Gate-Vorspannung erzeugt. Der Drain-Strom wird über das Anpaß-Netzwerk 35 und
eine Drain-Strom-Zuführungsschaltung 39 eingespeist.
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Beide Schaltungen 37,39 werden vom Taktgenerator 29 mf.t getasteter
Speisespannungen versorgt.
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Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Mikrowellenschranke kann zweckmäßigerweise
zur Füllstandsüberwachung in Behältern eingesetzt werden. Gelangt zwischen die Sendeantenne
3 und die Empfangsantenne 15 Füllgut, dann wird der-Empfang der Mikrowellen 13 abgeschwächt
bzw. unterbrochen. Dies bedeutet, daß an der Detektor-Diode ein kleineres oder kein
moduliertes Mikrowellensignal mehr ansteht. Am Wechselspannungsverstärker 25 ist
ein schwächeres oder kein Signal mit der Modulationsfrequenz vorhanden. Dies wird
in der Auswertschaltung 27 festgestellt, die eine Meldung über di Dämpfung oder
die Unterbrechung der
Mikrowellenübertragung durch Füllgut ausgibt.
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Bei der in Fig. 3 dargestellten Anordnung ist die Empfangsantenne
15 über einen PIN-Dioden-Schalter 41 mit der Detektor-Diode 19 verbunden. Gleiche
Elemente sind in den Fig. 1 und 3 mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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Der PIN-Dioden- Schalter arbeitet als variabler Hochfrequenzwiderstand.
Er wird zur periodischen Dämpfung der empfangenen Mikrowellensignale benutzt, um
die Mikrowellensignale mit einer Rechteckwelle zu modulieren. Die Sendeeinrichtung
und die an die Detektor-Diode 19 angeschlossenen Elemente können bei der Anordnung
gemäß Fig.
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3 gleich ausgebildet sein wie bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung.
Der Einfachheithalber wurden diese Elemente daher nicht in Fig. 3 dargestellt.