RU2163743C2 - Приемопередающий модуль радиоволнового доплеровского канала охранного извещателя - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к радиотехнике, более точно к радиолокации, в частности к устройствам контроля за перемещением объектов. Приемопередающий модуль (ППМ) содержит микрополосковый СВЧ-генератор, выполненный на транзисторе, включает в себя излучающий выходной резонатор и настроечные излучающие резонаторы, доплеровский балансный смеситель, приемную микрополосковую антенну. Техническим результатом является увеличение излучающей мощности антенны; практически достигнута оптимальная диаграмма направленности; увеличено отношение сигнал/шум на выходе детектора, при малых размерах ППМ. 1 ил.

Description

Изобретение относится к радиотехнике, более точно к радиолокации, в частности к устройствам контроля за перемещением объектов.

Изобретение может быть использовано в системах охранной тревожной сигнализации, в датчиках, имеющих радиоволновый доплеровский канал обнаружения.

Широко известно использование устройств, работа которых основана на эффекте Доплера для обнаружения движущихся объектов (заявка ФРГ N 3495295, G 01 S 17/15; US патент N 4731611, G 01 S 342/28).

Известен радиолокационный приемопередатчик с малой дальностью действия (заявка PCT/WO N 90/13049, G 01 S 13/34; 7/03). Этот приемопередающий модуль (ППМ) имеет генератор на полевом GaAs транзисторе. Генератор перестраивается варактором и выполняет функции источника сигнала передатчика и гетеродина. Приемопередатчик может обнаруживать цели на расстоянии менее 10 м.

Такое гомодинное построение ППМ является известным и, как правило, применяется в радиоволновых детекторах движения (например, в отечественном извещателе "Волна-5" ЯЛКГ.425143.001ТУ). [Извещатели охранные, объемные радиоволновые ИО 307-2 "Волна-5". Руководство по среднему ремонту СПНК. 437214.005 PC.] Генератор ППМ нагружен на передающую антенну. Основная часть энергии генератора излучается в контролируемое пространство через передающую антенну, а меньшая часть, в качестве гетеродинного сигнала, поступает на смеситель. Отраженный от объектов сигнал через приемную антенну также поступает на смеситель. При создании ППМ обычно стремятся уменьшить потери, связанные с паразитным излучением. Для этого стремятся уменьшить коэффициент стоячей волны (КСВ) передающего тракта, так, чтобы генератор работал на передающую антенну, как на согласованную нагрузку. В частности, для уменьшения паразитного излучения выходного резонансного отрезка микрополосковой линии, его эквивалентная длина должна быть меньше λ/4. Настройка генератора на устойчивую работу на рабочей частоте осуществляется приведением длин других резонансных микрополосковых отрезков в соответствие с длиной выходного резонансного отрезка. При этом настроечные резонансные отрезки также становятся неизлучающими. Если паразитное излучение пренебрежимо мало, то можно сказать, что зона обнаружения гомодинного ППМ определяется произведением диаграмм направленности приемной и передающей антенн. Применение внешних приемных и передающих антенн позволяет синтезировать необходимую зону обнаружения радиоволнового канала.

Известно применение радиоволновых доплеровских ППМ в комбинированных охранных извещателях. Речь идет о совмещении в одном извещателе двух каналов обнаружения, работа которых основана на физически различных принципах действия. Как правило, радиоволновой канал совмещают с пассивным инфракрасным (ИК) каналом. Габаритные размеры таких комбинированных извещателей определяются суммарной площадью ППМ и оптики, используемой в ИК канале. В качестве ИК оптики в настоящее время применяются линзы Френеля или зеркала, а иногда и то и другое. Порой могут возникать задачи геометрического совмещения ППМ и ИК оптики. Такое совмещение может навязываться требованиями дизайна, например, в комбинированном извещателе потолочного исполнения, имеющем симметричные по азимуту линзу Френеля и зону обнаружения. Геометрическое совмещение становится возможным, когда размеры ППМ в два и более раза меньше размеров линзы. В этом случае ППМ можно установить под линзой, рядом с пироприемником не затеняя его. Обсуждаемые размеры жестко связаны с природой используемых волн и их длинами. Так, например, гомодинный микрополосковый ППМ на фторопластовой подложке, работающий на частоте порядка 10 ГГц имеет размеры, сопоставимые с размерами линзы Френеля, фокусирующей ИК-лучи с длиной волны 10 мкм. Уменьшение размеров ППМ благодаря применению дорогих керамических материалов подложки не желательно для использования в массовой охранной технике.

Зона обнаружения комбинированного извещателя соответствует минимальной из зон используемых каналов. Но для увеличения помехозащищенности желательно, чтобы зоны обнаружения каналов соответствовали друг другу.

На наш взгляд, оригинальный способ уменьшения размеров ППМ указан в US патенте N 5237330, G 01 S 13/56, взятом нами за прототип. В патенте описан комбинированный (ИК - радиоволновой) извещатель. Как указано в предыстории изобретения (ссылка на US патент N 4731611), микроволновые генераторы, включающие в себя диэлектрический резонатор (ДР), имеют относительно обширное паразитное поле, которое искажает диаграмму направленности ППМ. Поэтому, их обычно располагают с обратной относительно антенн стороны прибора и заключают в металлический корпус. Следует добавить, что если генератор располагается на одной стороне с антеннами, то при классическом использовании внешней передающей антенны паразитное поле ДР можно сделать пренебрежимо малым по сравнению с основным полем согласованной антенны даже без экранирования. При "неудачном" выборе места установки ДР паразитное поле может стать сравнимым с основным. Особенностью представленного в US патенте N 5237330 ППМ является то, что в нем отсутствует внешняя передающая антенна, а используемый генератор с ДР в целом незащищены. Таким образом паразитное поле ДР, распространяющееся в зоне наблюдения, по мнению авторов, становится основным, в результате сам ДР играет роль передающей антенны.

ППМ извещателя содержит микрополосковый СВЧ-генератор, который выполнен на полевом транзисторе, генератор связан с доплеровским балансным смесителем, связанным с приемной антенной. Функции передающей антенны выполняет диэлектрический резонатор генератора.

По нашему мнению, единственным достоинством указанного ППМ, по сравнению с классическим, является его малый размер. Но использование излучающих свойств ДР имеет ряд недостатков.

Во-первых, диаграмма направленности указанной ДР-антенны плохо воспроизводима, так как сильно зависит от места установки ДР и его связи с затворным резонатором транзистора. Как правило, ДР устанавливается исходя из требований к рабочей частоте генератора и к увеличению его мощности. Это противоречит требованию увеличения излучаемой мощности ДР-антенны и не всегда соответствует оптимальной диаграмме направленности.

Во-вторых, при работе генератора на несогласованную нагрузку появляются другие источники излучения. Основными из них являются резонансные отрезки микрополосковых линий. Если не учитывать эти источники, направленность суммарного поля может стать неприемлемой, к тому же это приведет к уменьшению радиолокационного потенциала, т.е. к уменьшению отношения сигнал/шум на выходе доплеровского детектора.

В-третьих, так как из описания патента не ясно какую диаграмму направленности имеет представленный ППМ, мы рассмотрели известный комбинированный извещатель DUO220 фирмы Visonic Ltd., владеющей представленным патентом N 5237330. Этот извещатель официально соответствует описанию указанного патента. Диаграмма направленности, используемого в приборе ППМ с ДР-антенной, близка к азимутально-симметричной. Такая диаграмма превышает зону обнаружения ИК-канала извещателя настенного применения, каким является DUO220. Несоответствие диаграмм приводит к тому, что только часть излучаемой мощности излучается в пространство, контролируемое ИК-каналом. Это снижает отношение сигнала, принятого из зоны контроля ИК-канала, к шуму на выходе смесителя. А за счет того, что часть излучаемой мощности излучается в пространство, не контролируемое ИК-каналом, снижается помехозащищенность извещателя. На наш взгляд, такое применение ППМ с ДР-антенной не оправдывает его достоинств. ППМ с азимутально-симметричной диаграммой направленности целесообразно использовать в извещателях, контролирующих азимутально-симметричную зону (например, в потолочном варианте исполнения).

И, наконец, последнее замечание. Как правило, ДР применяется в генераторах для поддержания стабильности частоты в широком диапазоне температур. Без применения ДР вполне достижим температурный уход частоты 1 МГц на градус. В тех случаях, когда этого достаточно, применение ДР становится избыточным. Исключение ДР из генератора заметно удешевляет ППМ.

Задача, на решение которой направленно предлагаемое нами изобретение, заключается в устранении указанных недостатков, при сохранении малых размеров.

Эта задача решена тем, что в приемопередающем модуле, содержащем микрополосковый, выполненный на транзисторе, СВЧ-генератор, связанный с доплеровским балансным смесителем, который связан с приемной антенной, передающая антенна представляет собой излучающие микрополосковые отрезки резонаторов СВЧ-генератора, с полной эквивалентной длиной выходного резонатора λ/4±2%. Таким образом, генератор нагружен на несогласованную нагрузку, а именно смеситель, и основная часть его мощности отражается от смесителя и идет на излучение. Диаграмма направленности определяется взаимным расположением излучающих резонансных отрезков микрополосковых линий.

Сущность изобретения пояснена чертежом, где представлена блок-схема предлагаемого приемопередающего модуля.

ППМ включает в себя:
микрополосковый СВЧ-генератор 1, выполненный на транзисторе 2, который для рабочих частот порядка 5 ГГц может быть биполярным, например BFR183, а для частот порядка 10 ГГц полевым GaAs, например ATF-13786, работающих в автогенераторном режиме и включающий в себя излучающий выходной резонатор 3 и настроечные излучающие резонаторы 4;
доплеровский балансный смеситель 5, выполненный, например, на смесительных диодах BAT17-04 для частот порядка 5 ГГц, или на диодах HSMS-8262 для частот порядка 10 ГГц;
приемную микрополосковую антенну 6.

Работает ППМ следующим образом.

Передающая часть (генератор 1 на транзисторе 2 с излучающим выходным резонансным микрополосковым отрезком 3 и настроечными излучающими резонансными микрополосковыми отрезками 4) формируют СВЧ-излучение в контролируемой зоне.

Приемная часть (антенна 6 и смеситель 5) принимает отраженное излучение и выделяет доплеровский сигнал, возникающий при наличии движущегося объекта в контролируемой зоне.

В отсутствие внешней согласованной с генератором антенны, основными источниками излучения являются излучающие резонансные микрополосковые отрезки. А именно, отрезки выходного резонатора транзистора (стокового для полевого или коллекторного для биполярного) и настроечных резонаторов транзистора (истокового и затворного для полевого и эмиттерного и базового для биполярного). Известно, что для согласования генератора с внешней антенной требуется, чтобы полная эквивалентная длина выходного резонатора транзистора была равна (0,8λ/4)±10)%. Нами для увеличения мощности излучения его полная эквивалентная длина увеличена до λ/4, при соблюдении точности этой величины ±2%, выходной резонатор является эффективно излучающим. Одновременно с этим, для обеспечения требуемой рабочей частоты и выходной мощности генератора в соответствии с эквивалентной длиной выходного резонатора изменены и длины настроечных резонансных отрезков. При этом автоматически они тоже стали излучающими.

Таким образом, в формировании диаграммы направленности такого излучателя участвуют все основные источники излучения, а именно, три резонансных отрезка. Диаграмма направленности определяется взаимным расположением перечисленных резонансных отрезков.

Подбор взаимного расположения излучающих отрезков микрополосковых линий позволяет синтезировать не только азимутально-симметричную диаграмму, оптимально согласующуюся с потолочным исполнением извещателей, но и диаграмму, форма которой соответствует зоне обнаружения извещателей настенного применения.

Стабильность диаграммы направленности обеспечивается стабильностью фотолитографии при соблюдении 0,5% ее точности.

Уровень излучаемой мощности предлагаемого излучателя примерно в 2 раза выше, уровня излучаемой мощности ДР-антенны, рассмотренной в прототипе. Это обеспечивает радиолокационный потенциал ППМ не менее 110 дБ в полосе частот от 5 до 200 Гц. Такой потенциал соответствует отношению сигнал/шум на выходе доплеровского смесителя не менее 10 при максимальной дальности обнаружения человека не менее 12 м.

Габаритные размеры предлагаемого микрополоскового ППМ, работающего на частоте порядка 5 ГГц и выполненного на текстолитовой подложке, не превышают 35 мм на 25 мм, что примерно в 2 раза меньше размеров линзы Френеля ИК-диапазона. ППМ таких размеров вполне можно разместить под линзой, не затеняя пироприемника.

Таким образом, предлагаемый приемопередающий модуль благодаря использованию несогласованной с задающим генератором нагрузки и формированию диаграммы направленности за счет излучения резонансных отрезков микрополосковых линий имеет малые размеры и удовлетворяет требованиям к ППМ, которые применяются в радиоволновых доплеровских каналах охранных извещателей.

Claims (1)

1. Приемопередающий модуль доплеровского канала охранного извещателя, содержащий микрополосковый включающий в себя передающую антенну, выполненный на транзисторе СВЧ-генератор, связанный с доплеровским балансным смесителем, который связан с приемной антенной, отличающийся тем, что передающая антенна представляет собой излучающие микрополосковые отрезки резонаторов СВЧ-генератора, с полной эквивалентной длиной выходного резонатора λ/4 ± 2%.