FI65144B - Doppler-modul och dess anvaendning - Google Patents

Description

65144

Doppler-moduli ja sen käyttö Doppler-modul och dess användning

Keksinnön kohteena on Doppler-moduli, johon kuuluu aktiivinen kompo-netti, kuten FET-transistori tai bipolaaritransistori tai muu vastaava aktiivinen elin sekä dielektrlnen resonaattori, joka on sovitettu toimimaan oskilloinnin synnyttäjänä takaisinkytkentää käyttäen.

5

Edellä määritellyn kaltaisia Doppler-moduleita on käytetty mm. sotilas-sovellutuksissa, kuten ammuksiin tarkoitettuina läheisyysherätteinä. Doppler-modulia voidaan luonnollisesti käyttää mitä erilaisimpiin el-sotilaallisiin käyttötarkoituksiin. Tässä keksinnössä rajoitutaan tar-10 kastelemaan Doppler-modulin käyttösovellutuksia ainoastaan ei-sotilaal-lisiin tarkoituksiin.

Tähän asti tunnetut mlkroaaltoalueen Doppler-tutkat ovat luonteeltaan itseoskilloivia sekoittajia tai sitten sellaisia, joissa mikroaalto-15 tehon lähetys suoritetaan erillisellä oskillaattorilla ja vastaanotettu heijastunut teho viedään erilliseen sekoittajaelementtiin, esimerkiksi diodiin. Keksinnön kohteena oleva Doppler-moduli on itseoskllloi-va sekoittaja, te. tehon synnyttävä transistori toimii samalla sekoitta jaelementtlnä.

20

Tavallisesti lyhyen kantaman mikroaaltotutkissa teho on synnytetty jollakin aktiivisella puolijohdekomponentilla. Tällaisia ovat esimerkiksi GUNN-, IMPATT- ja BARITT-diodit sekä bipolaari- ja FET-transis-torit. Uudessa keksinnössä aktiivinen elementti voi olla bipolaari-25 tai FET-transistori. Edelleen aktiivinen elementti on tavallisesti kytketty aaltoputkeen (diodit) tai sitten mikroliuskapiiriin (diodit, transistorit). Uuden keksinnön Doppler-modulissa transistori on mik-roliuskapilrissä. Substraatti voi olla valmistettu eri materiaaleista esim. aluminasta (A^O^), lasikuitutefIonista jne. Johtimet voivat en-30 simmäiseesä tapauksessa olla valmistetut paksu- tai ohutkalvoteknli-kalla.

2 65144

Tekniikan tason osalta viitataan UK-patenttiin n:o 2 056 213. Tässä viitejulkaisussa on kuvattu itseoskilloivaa Doppler-modulia, jonka aktiivinen elementti on uuden keksinnön FET-transistorin (3 elektrodia) luonteesta poikkeava Baritt-diodi (2 elektrodia). Edelleen pa-5 tentti ei sisällä lainkaan dielektristä resonaattoria.

Tekniikan tason osalta viitataan lisäksi US-patenttlin n:o 4.079.341, DOS-julkaisuun n:o 3 007 580 sekä Euroopan patenttihakemukseen n:o 0013174. Näissä viitejulkaisuissa on käsitelty dielektrisellä reso-10 naattorilla takaisinkytkettyjä oskillaattoreita, jotka eivät ole luonteeltaan itseoskilloivla sekoittajia.

Keksinnön päämääränä on aikaansaada parannus nykyisin tunnettuihin Doppler-tutkiin. Keksinnön yksityiskohtaisempana päämääränä on ai-15 kaansaada Doppler-moduli, jossa ei tarvita erillistä antennia. Eräänä keksinnön yksityiskohtaisempana päämääränä on aikaansaada Doppler-moduli, joka toimii huomattavasti korkeammilla taajuuksilla. Vielä eräänä keksinnön päämääränä on aikaansaada Doppler-moduli, jossa on mahdollisimman vähän komponentteja, minkä johdosta Doppler-modulista 20 tulee tilavuudeltaan pieni sekä painoltaan kevyt.

Keksinnön päämäärät saavutetaan Doppler-modulilla, jolle on pääasiallisesti tunnusomaista se, että dielektrlnen resonaattori on sovitettu toimimaan sekä säteilyn lähetysantennina että vastaanottoantennina, 25 jolloin säteilyenergiaa viedään ja tuodaan Doppler-moduliin dlelek-trisen resonaattorin kautta ilman lähtöjohdinta.

Keksinnön mukaisen Doppler-modulin muut tunnuspiiirteet on esitetty patenttivaatimuksissa 2-10.

30

Keksinnön mukaisella Doppler-modulilla saavutetaan lukuisia merkittäviä etuja. Komponenttien vähyys tekee keksinnön mukaisesta Doppler-modulista tilavuudeltaan pienen sekä painoltaan kevyen, jonka johdosta sitä voidaan käyttää mitä erilaisimmissa näitä ominaisuuksia kai-35 paavissa sovellutuksissa. Keksinnön mukaisessa Doppler-modulissa tarvitaan ainoastaan kaksi komponenttia, ts. FET-transistori tai bipo-laaritransistori tai muu vastaava aktiivinen elin sekä dielektrlnen resonaattori. Tämä mahdollistaa sen, että keksinnön mukaisen Doppler- l! 3 65144 modulin valmistuskustannukset vähenevät ja luotettavuus kasvaa sekä hinta halpenee huomattavasti.

Keksintöä selitetään yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisien piirus-5 tuksien kuvioissa esitettyihin keksinnön eräisiin edullisiin suoritusmuotoihin, joihin keksintöä ei kuitenkaan ole tarkoitus yksinomaan rajoittaa.

Kuvio 1 esittää Doppler-tutkan toimintaa lohkokaaviona.

10

Kuvio 2A esittää erästä tapaa, jolla oskilloinnin synnyttämiseen tarvittava dielektrisellä napilla suoritettu takaisinkytkentä voidaan aikaansaada.

15 Kuvio 2B esittää erästä toista tapaa, jolla oskilloinnin synnyttämiseen tarvittava dielektrisellä napilla suoritettu takaisinkytkentä voidaan aikaansaada.

Kuvio 2C esittää erästä kolmatta tapaa, jolla oskilloinnin synnyttä-20 miseen tarvittava dielektrisellä napilla suoritettu takaisinkytkentä voidaan aikaansaada.

Kuviot 3A ja 3B esittävät kaaviomaista yleiskuvaa keksinnön mukaisesta Doppler-modulista.

25

Kuviot 4A ja 4B esittävät kaaviomaisesti keksinnön mukaisen Doppler-modulin käyttösovellutusta teollisuusrobotin käsivarren ohjaukseen.

Kuvio 5 esittää kaaviomaisesti keksinnön mukaisen Doppler-modulin 30 käyttösovellutusta liikkuvien kappaleiden nopeuden mittaukseen.

Kuvio 6 esittää kaaviomaisesti keksinnön mukaisen Doppler-modulin käyttöä murtohälyttimiin.

35 Kuviot 7A-7C esittävät keksinnön mukaisen Doppler-modulin käyttösovellutusta läheisyyskytkimiin.

Kuviot 8A ja 8B esittävät kaaviomaisesti keksinnön mukaisen Doppler- 4 65144 modulin käyttösovellutusta pyörimisnopeuden mittaukseen.

Kuvio 9 esittää kaaviomaisesti keksinnön mukaisen Doppler-modulin käyttösovellutusta värähtelevän kalvon värähtelytaajuuden mittaukseen.

5

Kuviossa 1 on lohkolla 10 merkitty lähetys/vastaanotto sekä sekoitus lohkoa sekä lohkolla 11 logiikkapiiriä, josta saatavaa ohjaussignaalia on merkitty viitenumerolla 12.

10 Kuvioissa 2A-2C keksinnön mukaista Doppler-modulia on merkitty yleisesti viitenumerolla 20. Itseoskilloivassa sekoittajassa synnytetään värähtely seuraavasti. Dielektrisellä resonaattorilla 22, joka on sopivasti kytketty transistoripiiriin, kuten kuviossa 2A-2C on esitetty, aiheutetaan positiivinen takaisinkytkentä FET-transistorin 21 drain-15 ja gate-elektrodien välillä, jolloin transistoripiiri joutuu epästabiiliin tilaan ja alkaa värähdellä. Värähtelyn taajuus riippuu dielek-trisen resonaattorin 22 mitoista sekä ympäristöstä, jossa se on. On huomattava, että dielektrinen resonaattori 22 aiheuttaa tehon takai-sinkytkeytyrnistä ainoastaan omalla resonanssitaajuudellaan. Tämä on 20 myös se taajuus, jolla dielektrinen resonaattori 22 säteilee. Säteily johtuu siitä, että resonaattori on luonteeltaan avoin rakenne.

Kuvioissa 2A-2C on dielektrinen resonaattori 22 kytketty esimerkinomaisesti drain- ja gate-elektrodin väliin. Kuitenkin voidaan reso-25 naattori 22 asettaa myös kahteen muuhun paikkaan, nimittäin drain-ja source-elektrodin väliin tai gate- ja source-elektrodin väliin.

Kytkentätavoissa (kuviot 2A-2C) tuodaan kannelle negatiivinen jännite ja drainille positiivinen jännite. Nämä tuodaan sellaisten suodatin-30 ten kautta, joita mikroaaltoteho ei läpäise. Asia voidaan toteuttaa esim. tavallisella mikroliuska-alipäästösuodattimella tai hyvin ohuesta johdelangasta käämityllä kuristimella 26 (kuvio 3A) tai näiden yhdistelmällä.

35 Kun lähetetty sähkömagneettinen säteily, jonka taajuus on £, kohtaa heijastavan esineen, palaa osa lähetetystä tehosta takaisin keskinäisen liikkeen vuoksi Doppler-taajuuden f^ verran muuttuneella taajuudella, joka on yhtä suuri kuin f ί f^, 5 65144 FET-transietorin 21 toimintapiste on asetettu siten, että alkuperäinen taajuus £ sekä palaava taajuus f - sekoittuvat keskenään, ts. aktiivinen elementti eli FET-translstorl 21 muodostaa taajuuksien erotuksen, joka juuri on Doppler-taajuus f^. Syntynyt Doppler-taajuus 5 vahvistetaan ja viedään päätöksentekopiirien kautta ohjaussignaa lina (kuviossa 1 ohjaussignaalina 12) ohjattavaan kohteeseen.

Vaikkakin sylinterimäinen muoto dielektrlsessä resonaattorissa 22 on tavanomaisin, voidaan käyttää myös suuntaissärmlön tai elliptisen sy-10 linterin muotoisia dielektrisiä resonaattoreita.

Kuten kuviossa 3A on esitetty sekoitustuloksen ulosotto OUT/IF tapahtuu drain-vastuksen R, avulla tässä suorituseslmerkiesä. Käyttämällä a erilaisia transistorin kytkentöjä voidaan sekoltustulos ottaa ulos 15 toisesta elektrodista, jolloin myös resonaattorin 22 paikka voi muuttua eo. mukaan. Mahdollisia kytkentätapoja ovat: CE - yhteismittarikytkentä CB - yhteiskantakytkentä 20 CC “ yhteiskollektorlkytkentä

Self-biaskytkentä (gaten ja sourcen välillä vastus, joka voi olla siirtojohtojen yhteydessä, jolloin suurtaajuusteho menee sen kautta tai sitten se voi olla ulkoinen, jolloin suurtaajuueteho ei mene sen kautta).

25 Käytettäessä self-biaskytkentää ei gate-elektrodllla tarvita lainkaan ulkoista jännitettä. Ainoastaan käyttöjännite on oltava. Kuviossa 3A on biaeointlvastus (source-vastus) 27 siirtojohtojen yhteydessä.

30 Draln-vaetus (tai muun elektrodin vastus eo. mukaan) voi olla erillinen komponentti, tai sitten se voidaan valmistaa ohutkalvo- tai paksukalvotekniikalla suoraan biaspilriin, jolloin se myös parantaa biassuodattimen toimintaa. Samaten source-vastus R voidaan valmis- 8 taa ohut- tai paksukalvotekniikalla tai sitten se voi olla erillinen 35 komponentti.

Mikrolluskajohtimet 23 voivat olla avoimet, oikosuljetut tai resis-tiivlsellä kuormalla 24 päätetyt. Resistiivinen kuorma 24 voidaan 6 65144 tehdä diskreetillä vastuksella tai sitten ohut- tai paksukalvoteknii-kalla suoraan johtimien 23 jatkoksi, kuten kuviossa 3A on esitetty. Viitenumerolla 25 on merkitty suotokondensaattoria ja viitenumerolla 26 kuristinta.

5

Dielektrinen nappi 22 esim. bariumnonatitanaatti on luonteel taan kapeakaistainen resonaattorisuodatin, joka kytkee tehoa drainil-ta D gatelle G vain omalla resonanssitaajuudellaan, joka riippuu napin korkeudesta, halkaisijasta sekä mikrolluskasubstraatin dielektri-10 syysvakiosta ja paksuudesta.

Piiri alkaa värähdellä juuri em. resonanssitaajuudella. Sen lisäksi, että nappi 22 aikaansaa värähtelyn, toimii se myös antennina. Kaikkea sähkömagneettista tehoa se ei siis ohjaa drainilta gatelle, vaan 15 Maxwellin yhtälöiden mukaan avonaisen rakenteen vuoksi nappi 22 säteilee em. resonanssitaajuudellaan osan tehosta.

Kun säteily (taajuus f) kohtaa liikkuvan esteen, heijastuu siitä osa takaisin Doppler-taajuuden verran muuttuneella taajuudella f - ja 20 saavuttaa napin. Nappi 22 toimii siis myös vastaanottoantennina.

Uusi taajuus kiertää piirissä nyt entisen lisäksi, kun paluuaalto on otettu vastaan. Tällöin tapahtuu sekoittuminen. Transistori muodostaa taajuuksien erotuksen f^, joka on Doppler-taajuus ja joka saadaan 25 piiristä ulos sopivalla suodattimena, joka ei päästä läpi mikroaal-totehoa. Doppler-taajuus on tässä sovellutuksessa tyypillisesti muutamia kilohertsejä.

Kuvioiden 4A ja AB mukaisessa suoritusmuodossa keksinnön mukaista 30 Doppler-modulia on käytetty teollisuusrobotin käsivarren 40 ohjaukseen. Kun käsivarsi 40 siirtelee esim. nesteellä täytettyjä astioita 41, pitää liikkeen nopeuden kullakin ajanhetkellä olla hyvin kontrolloitu, jottei neste läikkyisi astian 41 reunan yli ja jotta käsivarsi 40 voisi kuitenkin toimia maksimikiihtyvyyksiä ja maksimihidastu-35 vuuksia käyttäen, tilanteen aiheuttamat rajoitukset huomioonottaen. Edelleen siirrettävä kappale tulee voida asettaa halutulle paikalle. Doppler-modulin 20 taajuusinformaatio antaa kontrollolntlykslkölle (ei esitetty), joka voi olla esim. mikroprosessori, tiedon siirrettä- 7 65144 vän kappaleen nopeudesta kullakin ajanhetkellä ja Doppler-signaalin amplitudi vastaavasti antaa tiedon kappaleen sijainnista radallaan. Kuvioissa 4A ja 4B heijastinta on merkitty viitenumerolla 42.

5 Kuvion 5 mukaisessa suoritusmuodossa keksinnön mukaista Doppler-modu-lia 20 on sovellettu liukuhihnalla 50 liikkuvan kappaleen 51 nopeuden mittaukseen. Koska keksinnön mukaisessa Doppler-modulissa 20 Doppler-taajuus on suoraan verrannollinen modulin ja heijastavan esineen väliseen nopeuseroon, kaltevuuskulma Θ huomioiden, voidaan esineen 10 nopeus Doppler-tutkaan 20 nähden määrätä.

Jos liikkuva kappale 51 on kuuma, kuten esim. terästeollisuudessa on asianlaita, ovat esim. optiset menetelmät tehottomia liikkuvan kappaleen 51 nopeuden mittauksessa. Sen sijaan keksinnön mukaista 15 Doppler-tutkaa 20 tällaiset olosuhteet eivät laisinkaan haittaa.

Kappaleen 51 nopeudesta annetaan tieto hihnan 50 nopeudenvalvontayk-sikölle 52, jolloin Doppler-tutka 20 toimii tehokkaana säätöelimenä. Doppler-tutkaan 20 voidaan tarvittaessa liittää kappalelaskuri 53, 20 sillä periodinen Doppler-signaali sisältää myös tiedon siitä, milloin uusi kappale 51 alkaa heijastaa.

Kuvion 6 mukaisessa suoritusmuodossa keksinnön mukaista Doppler-modu-lia 20 on sovellettu murtohälyttimeen. Doppler-tutka 20 on asennettu 25 huoneistossa 60 sellaiseen kohtaan, että se suorittaa ko. tilan valvonnan. Jos joku liikkuu Doppler-tutkan 20 säteilykeilassa (tässä suoritusmuodossa oven 61 avaaminen tai liike huoneessa), syntyy Doppler--taajuus f^, minkä perusteella hälytyslaite 62 suorittaa hälytyksen. Huoneiston 60 asemasta voi luonnollisesti olla mikä tahansa julkinen 30 tila, auto jne.

Kuvioiden 7A-7C mukaisessa suoritusmuodossa keksinnön mukaista Doppler-modulia 20 on sovellettu läheisyyskytkimeen. Esimerkiksi myymälöiden, julkisten tilojen jne. ovien tulee avautua automaattisesti, kun niitä 35 lähestytään. Keksinnön mukainen Doppler-moduli 20 soveltuu erityisen hyvin tällaiseksi läheisyyttä aistivaksi anturiksi. Kuvion 7A mukaisessa suoritusmuodossa avattavaa puomia 70 lähestyttäessä Doppler-modulissa 20 syntyy lähestymisliikkeen vuoksi Doppler-taajuus f^, 8 65144 joka on verrannollinen lähestymisnopeuteen. Kun tullaan yhä lähemmäksi Doppler-tutkaa 20, kasvaa Doppler-taajuuden amplitudi. Kuviossa 7B esitetty aukeamiskynnys 72 on vielä korkeammalla kuin Doppler-taajuuden amplitudi. Tämän johdosta puomi 70 ei vielä au-5 kea. Kuviossa 7C on esitetty tilanne, jossa Doppler-taajuuden amplitudi on ylittänyt aukeamiskynnyksen 72, jonka johdosta tässä tilanteessa puomi 70 avautuu. Esteen, kuten puomin 70, aukeamiskynnys 72 voidaan täten säätää sellaiseksi, että kun ollaan halutulla etäisyydellä Doppler-tutkasta 20, este kuten puomi 70 avautuu. Ku-10 viossa 7A logiikkapiiriä on merkitty lohkolla 71.

Kuvioiden 8A ja 8B mukaisessa suoritusmuodossa mitataan pyörivän esineen 80 pyörimisnopeutta. Keksinnön mukainen Doppler-moduli 20 on asetettu pyörivän esineen 80 lähelle, jolloin pyörivän esineen 80 15 pyörimisnopeus voidaan mitata. Jos pyörivän esineen 80 kehällä on heijastava esine 82, joka heijastaa sähkömagneettisia aaltoja, voidaan sekä kierrosluku että kehänopeus määrätä. Edelleen voidaan määrätä pyörivän esineen 80 hidastuvuus tai kiihtyvyys. Kuvio 8B esittää logiikkapiirin 81 lähtöä ja kuviosta 8B käy siten selville pyö-20 rimisnopeuden laskentaperiaate.

Kuviossa 9 keksinnön mukaista Doppler-modulia 20 on sovellettu värähtelevän kalvon 90 värähtelytaajuuden mittaukseen. Kun Doppler-tutka 20 asetetaan heijastelevan värähtelevän kalvon 90 lähelle, voidaan 25 Doppler-signaalin perusteella laskea värähtelyn taajuus. Kuviossa 9 logiikkapiiriä on merkitty viitenumerolla 91.

Edellä on esitetty ainoastaan keksinnön mukaisen Doppler-modulin periaateratkaisu ja sen eräitä edullisia käyttösovellutusesimerkkejä.

30 Alan ammattimiehelle on selvää, että niihin voidaan tehdä lukuisia modifikaatioita oheisissa patenttivaatimuksissa esitetyn keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims (10)

1. Doppler-moduli (20), johon kuuluu aktiivinen komponentti, kuten FET-transistori (21) tai bipolaari-transistori tai muu vastaava aktiivinen elin sekä dielektrinen resonaattori (22), joka on sovitettu toimimaan oskilloinnin synnyttäjänä takaisinkytkentää käyttäen, 5 tunnettu siltä, että dielektrinen resonaattori (22) on sovitettu toimimaan sekä säteilyn lähetysantennina että vastaanottoanten-nina, jolloin säteilyenergiaa viedään ja tuodaan läheisyysherättee-seen dielektrisen resonaattorin (22) kautta ilman lähtöjohdlnta.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen Doppler-moduli, tunnettu siitä, että siirtojohdot (23) ovat mikroliuskajohtoja.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen Doppler-moduli, tunnettu siitä, että siirtojohdot (23) ovat stripline-johtoja. 15

4. Patenttivaatimuksen 1,2 tai 3 mukainen Doppler-moduli, tunnettu siitä, että dielektrinen resonaattori (22) on vähähäviöistä keraamista materiaalia.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen Doppler-moduli, tunnettu siitä, että dielektrinen resonaattori (22) on bariumnonatltanaattia Ba2Ti9°20*

6. Patenttivaatimuksen 1,2,3,4 tai 5 mukainen Doppler-moduli, t u n -25 n e t t u siitä, että dielektrinen resonaattori (22) on sovitettu FET-transistorin (21) drainin (D) ja gaten (G) välille.

7. Jonkin patenttivaatimuksien 1-7 mukainen Doppler-moduli, tunnettu siitä, että dielektrinen resonaattori (22) on muodoltaan 30 sylinterimäinen.

8. Jonkin patenttivaatimuksien 1-7 mukainen Doppler-moduli, tunnettu siitä, että sekoituetuloksen ulosotto (OUT/IF) on toteutettu draln-vastuksen (R^) avulla. 35 65144

9. Jonkin patenttivaatimuksien 1-8 mukainen Doppler-moduli, tunnettu siitä, että Doppler-modulin taajuusalue on välillä 5-25 GHz.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen Doppler-moduli, tunnettu siitä, että Doppler-modulin taajuusalue on välillä 6-12 GHz. 65144 π