RU51236U1 - Приемо-передающий модуль радиоволнового доплеровского канала охранного извещателя - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к радиотехнике, более точно к радиолокации, в частности к устройствам контроля за перемещением объектов. Полезная модель может быть использована в системах охранной тревожной сигнализации, в извещателях (датчиках), имеющих радиоволновый (РВ) доплеровский канал обнаружения. ППМ доплеровского канала охранного извещателя (фиг.1) содержит микрополосковый, выполненный на транзисторе СВЧ-генератор, включающий в себя передающую антенну и связанный с доплеровским балансным смесителем, который связан с микроволновой приемной антенной, отличающийся тем, что передающая антенна представляет собой цепи транзистора СВЧ-генератора, балансный смеситель выполнен по схеме с фазоинвертором на полуволновом отрезке микрополосковой линии, а к выходам подключены RC-фильтры, приемная антенна выполнена на одиночном полуволновом вибраторе ППМ 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.

Description

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

Полезная модель может быть использована в системах охранной тревожной сигнализации, в извещателях (датчиках), имеющих радиоволновый (РВ) доплеровский канал обнаружения.

Широко известно использование устройств, работа которых основана на эффекте Доплера для обнаружения движущихся объектов (з-ка ФРГ №349295, G 01 S 17/15; пат. США №4731611, G 01 S 342/28).

Известен радиолокационный приемо-передатчик с малой дальностью действия (з-ка РСТ №90/13049, G 01 S 13/34; 7/03) Этот приемо-передающий модуль (ППМ) имеет генератор на полевом GaAs транзисторе. Генератор перестраивается варактором и выполняет функции источника сигнала передатчика и гетеродина. Приемо-передатчик 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. 425143.001 ТУ). (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, радиоволновый 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 применяют 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 раз 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 патенте США №5237330 G 01 S 13/56. В патенте описан комбинированный (ИК-радиоволновый) извещатель. Как указано в предыстории изобретения (ссылка на патент США №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 описанного в пат США №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 рассматриваемого 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 DU 0220 фирмы Visonic Ltd., владеющий рассматриваемым патентом №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 DUО 220. 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 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.

Указанные недостатки устранены в ППМ доплеровского канала охранного извещателя по патенту РФ №2163743, выбранному нами за прототип.

ППМ доплеровского канала охранного извещателя содержит микрополосковый, выполненный на транзисторе СВЧ генератор, который включает в себя передающую антенну, представляющую собой излучающие микрополосковые отрезки резонаторов СВЧ генератора, с полной эквивалентной длиной выходного резонатора Х/4±2 % и который связан с доплеровским балансным смесителем, который связан с приемной антенной.

Однако данный ППМ не сохраняет требуемую конфигурацию диаграммы направленности при уменьшении паразитных боковых и задних лепестков.

Задача, на решение которой направленно предлагаемое нами изобретение, заключается в устранении указанных недостатков.

Эта задача решена тем, что в приемо-передающем модуле доплеровского канала охранного извещателя, содержащем микрополосковый, выполненный на транзисторе СВЧ-генератор, включающий в себя передающую антенну и связанный с доплеровским балансным смесителем, который связан с микроволновой приемной антенной, отличающийся тем, что передающая антенна представляет собой цепи транзистора СВЧ-генератора, балансный смеситель выполнен по схеме с фазоинвертором на полуволновом отрезке микрополосковой линии, а к выходам подключены RC-фильтры, приемная антенна выполнена на одиночном полуволновом вибраторе.

В соответствии с п.2 формулы, СВЧ-генератор выполнен на биполярном транзисторе, а приемная антенна заземлена.

В соответствии с п.3 формулы, приемопередающий модуль размещен на

подложке, выполненной из фольгированного стеклотекстолита, нижняя сторона которой металлизирована, а верхняя сторона покрыта защитной пленкой и выполнена методом фотолитографии и травления.

В соответствии с п.4 формулы, СВЧ-генератор выполнен на полевом транзисторе, режим по постоянному току задается резистором автосмещения, а для стабилизации частоты генерации используется диэлектрический резонатор, включенный в цепь затвора транзистора.

В соответствии с п.5 формулы, приемопередающий модуль размещен на подложке, выполненной из фольгированного фторопласта, нижняя сторона которой металлизирована, а верхняя сторона покрыта защитной пленкой и выполнена методом фотолитографии и травления.

Сущность изобретения пояснена чертежами, где:

- на фиг.1 представлена блок-схема приемо-передающий модуль (ППМ) радиоволнового доплеровского канала охранного извещателя;

- на фиг.2 - принципиальная схема ППМ (для частот порядка 5 ГГц);

- на фиг.3 - принципиальная схема ППМ (для частот порядка 10 ГГц);

- на фиг.4 - верхняя часть подложки с элементами ППМ (для частот порядка 5);

- на фиг.5 - верхняя часть подложки с элементами ППМ (для частот порядка 10 ГГц);

на фиг.6 - диаграмма направленности ППМ.

ППМ включает в себя:

- микрополосковый СВЧ генератор 1;

- СВЧ генератор 1 связан с доплеровским балансным смесителем 2;

- балансный смеситель 2 связан с RC фильтрами 3, 4 и приемной антенной 5.

СВЧ генератор 1, для частот порядка 5 ГГц (фиг.2 и 4), выполнен на биполярном транзисторе 6 типа BFR 183 E и включает в себя передающую антенну, представляющую собой цепи транзистора СВЧ-генератора 6, 7, 8.

СВЧ генератор 1, для частот порядка 10 ГГц (фиг.3 и 5), выполнен на полевом FET или НЕМРТ транзисторе типа NE 334 SО 1 или ATF-35143, и включает в себя передающую антенну (представляющую собой цепи транзистора СВЧ-генератора 6, 7, 8) и высокочастотный диэлектрический резонатор В (типа DRD, ОСТ 1103-09-86, тип А, класс III, группа Е, категория 4), который используется для стабилизации транзистора СВЧ-генератора.

Доплеровский балансный смеситель 2, для частот порядка 5 ГГц (фиг.2 и 4), представлен двухдиодной сборкой типа ВАТ-1704 и выполнен по схеме с фазоинвертором

на полуволновом отрезке микрополосковой линии.

Доплеровский балансный смеситель 2, для частот порядка 10 ГГц (фиг.3 и 5), представлен двухдиодной сборкой типа HSMS-8202 и выполнен по схеме с фазоинвертором на полуволновом отрезке микрополосковой линии.

Приемная антенна 5 для частот порядка 5 ГГц (фиг.2 и 4) заземлена.

Работает ППМ следующим образом.

Передающая часть (генератор 1 на транзисторе 6 с излучающим выходным резонансным микрополосковым отрезком 7 и настроечными излучающими резонансными микрополосковыми отрезками 8 и 9) формируют СВЧ-излучение в контролируемой зоне.

Приемная часть (смеситель 2 и антенна 5) принимает отраженное излучение и выделяет доплеровский сигнал, возникающий при наличии движущегося объекта в контролируемой зоне.

В отсутствии 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 (фиг.6) 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 соответствует уровню излучаемой мощности излучателя, 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. При этом уровень паразитных боковых и задних лепестков диаграммы направленности (фиг.6) не хуже 16дБ и соответствует дальности), 3 м, что в 1,5 раза меньше излучателя, рассмотренного в прототипе.

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 приемо-передающий 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 (5)

1. Приемо-передающий модуль радиоволнового доплеровского канала охранного извещателя, содержащий микрополосковый, выполненный на транзисторе СВЧ-генератор, включающий в себя передающую антенну, связанный с доплеровским балансным смесителем, который связан с микроволновой приемной антенной, отличающийся тем, что передающая антенна представляет собой цепи транзистора СВЧ-генератора, балансный смеситель выполнен по фазе с фазоинвертором на полупроводниковом отрезке микрополосковой линии, а к выходам подключены RC-фильтры, приемная антенна выполнена на одиночном полуволновом вибраторе.

2. Приемопередающий модуль по п.1, отличающийся тем, что СВЧ-генератор выполнен на биполярном транзисторе, а приемная антенна заземлена.

3. Приемопередающий модуль по п.2, отличающийся тем, что он размещен на подложке, выполненной из фольгированного стеклотекстолита, нижняя сторона которой металлизирована, а верхняя сторона покрыта защитной пленкой и выполнена методом фотолитографии и травления.

4. Приемопередающий модуль по п.1, отличающийся тем, что СВЧ-генератор выполнен на полевом транзисторе, в котором режим по постоянному току задан резистором автосмещения, а для стабилизации частоты генерации включает в себя диэлектрический резонатор в цепи затвора транзистора.

5. Приемопередающий модуль по п.4, отличающийся тем, что он размещен на подложке, выполненной из фольгированного фторопласта, нижняя сторона которой металлизирована, а верхняя сторона покрыта защитной пленкой и выполнена методом фотолитографии и травления.