Модуль доплеровского радиолокатора

 

Изобретение относится к радиотехнике, а точнее к приборам обнаружения перемещения человека и различных предметов, и может быть использовано для охранной сигнализации в различных помещениях. Цель изобретения - упрощение модуля и повышение дальности его действия. Цель достигается тем, что модуль дополнительно содержит проводящий экранный слой, диэлектрический слой. При этом генерация сигнала осуществляется транзистором с нагрузкой в виде полосковой антенны. Смещение излученного и принятого сигнала производится на эмиттерном переходе того же транзистора. В результате в устройстве не требуется наличия волноводов, циркулятора, смесительного диода, волноводно-полосковых переходов. Отсутствие волноводно-полосковых переходов, кроме того, позволяет повысить дальность действия модуля, т.к. не происходит потери мощности СВЧ сигнала. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к радиотехнике, а точнее к приборам обнаружения перемещения человека и различных предметов, и может быть использовано для охранной сигнализации в различных помещениях.

Известен модуль доплеровского радиолокатора, содержащий диэлектрический слой, антенну, блок активного элемента, соединенный с излучающим торцом антенны, расположенной на диэлектрическом слое (Microwave Plus Passine Jnfrared Detector MICRO-Х фирмы Electronics Line (EL) Ltd).

К недостаткам данного модуля можно отнести большую сложность, т.е. активный элемент выполняется отдельно от полосковой антенны, что вызывает необходимость в специальных цепях согласования для генератора и смесителя.

Наиболее близким техническим решением к предложенному и принятым за прототип является модуль доплеровского радиолокатора, содержащий антенну, элемент ответвителя, генераторный элемент (Заявка Японии 56-100369, опубл. 1981, кл. G 01 S 13/50, 7/02).

Недостатком известного технического решения является его сложность, т.к. для передачи сигнала от генератора на излучающую антенну и с антенны на смесительный диод необходим волновод сложной формы, резонатор, циркулятор.

Перемножение излучаемого и принимаемого сигнала производится на специальном элементе смесительном диоде, а для передачи части мощности с генератора на смесительный диод требуется также специальный элемент - направленный ответвитель.

Для согласования генератора и смесительного диода с прямоугольным волноводом необходим волноводно-полосковый переход.

Другим недостатком известного модуля является ограниченная дальность действия, т. к. согласующие переходы расположены не в местах максимальной концентрации электрического поля СВЧ.

Цель изобретения упрощение модуля и повышение дальности его действия.

Цель достигается тем, что модуль доплеровского радиолокатора, содержащий антенну, элемент ответвителя, генераторный элемент, дополнительно содержит проводящий экранирующий слой, диэлектрический слой, расположенный на проводящем экранирующем слое, причем антенна выполнена прямоугольной формы и расположена на диэлектрическом слое, первый и второй фильтры СВЧ-колебаний, генераторный элемент выполнен на транзисторе, коллектор которого соединен с излучающим торцом антенны, эмиттер с первым выводом первого фильтра СВЧ-колебаний, второй вывод которого является выходом модуля, первый вывод второго фильтра СВЧ-колебаний соединен с базой транзистора, а второй вывод является первым входом смещения модуля, элемент ответвителя выполнен в виде проводящей полоски, расположенной на диэлектрическом слое вдоль излучающего торца антенны, причем, первый конец проводящей полоски соединен с базой транзистора, второй вход смещения модуля соединен с неизлучающим торцом антенны.

Для большего повышения дальности действия радиолокатора длины излучающих и неизлучающих торцов антенны соотносятся следующим образом: , l_и длина излучающих торцов антенны; l_н.и длина неизлучающих торцов антенны; ε_д диэлектрическая проницаемость диэлектрического слоя.

Для повышения КПД модуля диэлектрический слой может быть многослойным. В этом случае длины излучающих и неизлучающих торцов антенны соотносятся следующим образом: средняя диэлектрическая проницаемость слоев, составляющих диэлектрический слой.

Для повышения КПД модуля он может содержать проводящую область прямоугольной формы, расположенную на диэлектрическом слое с примыканием к второму концу проводящей полоски элемента ответвителя.

Предложенный модуль доплеровского радиолокатора имеет следующие новые признаки по сравнению с прототипом: наличие проводящего экранирующего слоя, диэлектрического слоя, выполнение генераторного элемента на транзисторе, выполнение элемента ответвителя в виде проводящей полоски первый и второй фильтры СВЧ колебаний, а также взаимное расположение к связи перечисленных элементов.

Выполнение антенны прямоугольной формы и ее расположение на диэлектрическом слое является признаком, известным из других технических решений (Microwove Plus Passive Jnfrared Detector MICRO-Х фирмы Electronics Line (EL) Ltd.).

Выполнение генераторного элемента на транзисторе позволяет существенно упростить модуль, т. к. транзистор в совокупности с антенной осуществляет генерацию СВЧ колебаний, и одновременно переход эмиттер-база транзистора осуществляет функцию перемножения излучаемого сигнала и принимаемого сигнала. Прием отраженного сигнала производится той же самой антенной. Этот признак позволяет исключить из модуля выполняемые в прототипе по отдельности генератор, смесительный диод, полосковые волноводы.

Выполнение элемента ответвителя в виде проводящей полоски с указанным расположением относительно антенны также позволяет упростить модуль, т.к. передача с части принятой мощности СВЧ сигнала в элемент ответвителя и, соответственно, в базу транзистора производится непосредственно с излучающего торца антенны. Это позволяет избежать использование ответвителя, как специального элемента, в модуле, а также связанных с ним полосковых волноводов.

Фильтры СВЧ энергии предназначены для развязки цепей прохождения СВЧ сигнала от низкочастотного выхода модуля, и от цепей смещения эмиттерного переход транзистора.

Выполнение антенны с указанным соотношением длин излучающих и неизлучающих торцов позволяет повысить КПД модуля, т.к. при этом генератор на транзисторе и антенне работает на заданной частоте в резонансе. Выполнение диэлектрического слоя многослойным позволяет оптимальным образом выбрать сочетание материалов диэлектрика для уменьшения тангенса угла потерь в нем.

Наличие проводящей области прямоугольной формы позволяет оптимизировать мощность передаваемую из антенны в базу транзистора в зависимости от выбора рабочей частоты.

На чертеже представлен вид модуля доплеровского радиолокатора в плане.

Модуль содержит проводящей экранирующий слой 1, диэлектрический слой 2, антенну 3, транзистор 4, коллектор которого соединен с излучающим торцом антенны 3, первый фильтр 5 СВЧ колебаний, второй фильтр 6 СВЧ энергии, проводящую полоску 7 элемента ответвителя, проводящую область 8 прямоугольной формы. Второй вывод фильтра 5 является выходом 9 модуля, а второй вывод фильтра 6 является первым входом 10 смещения модуля. Второй вход 11 смещения модуля. Фильтры 5, 6 в зависимости от рабочей частоты могут представлять собой проводники (для более высоких частот) или дросселя (для менее высоких частот). Выполнение фильтров не является существенным признаком данного устройства и известно из литературы (Элементы радиоэлектронной аппаратуры, вып. 48, М. Радио и связь, 1985, с. 20, рис.1.15).

Модуль доплеровского радиолокатора представляет собой доплеровскую систему гетеродинного типа и работает следующим образом.

Антенна 3 излучает в пространство СВЧ энергию с частотой f_o, которая генерируется в резонансной системе, состоящей из транзистора 4 и самой антенны 3. Энергия колебаний, отраженная от движущегося объекта, принимается той же антенной 3 на частоте . Часть принятой антенной 3 мощности передается в элемент 7 ответвителя, а из него на эмиттерный переход транзистора 4. На эмиттерном переходе, который является смесителем, принимаемая частота преобразуется в напряжение на выходе 9 модуля на частоте V скорость перемещения объекта; λ_o длина волны, излучаемой антенной 3; f_o частота, излучаемая антенной 3; f_д доплеровская частота.

Настройка генератора на транзисторе 4 по частоте осуществляется выбором длины неизлучающих торцов прямоугольной антенны 3, являющейся нагрузкой транзистора 4,
l_и = 0,5λ_o, где
l_и длина излучающих торцов антенны 3.

Т. к. транзистор 4 должен работать в режиме "с общей базой", то на его базу должно быть подано постоянное напряжение, что для СВЧ сигнала равнозначно потенциалу "земли". Фильтр 6 представляет для СВЧ сигнала значительное сопротивление и обеспечивает максимальное прохождение СВЧ сигнала в базу транзистора. В то же время фильтр 6 не препятствует подаче постоянного смещения на базу транзистора 4. Аналогично фильтр 5 пропускает на выход низкую доплеровскую частоту, задерживая СВЧ сигнал.

Наибольшая мощность излучения антенны 3 достигается, когда генератор работает в резонансе. Условием резонанса является

l_н.и длина неизлучающих торцов антенны 3;
ε_д относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрического слоя 2.

Для работы в резонансе соотношение длины излучающих и неизлучающих торцов антенны должно быть

Для уменьшения тангенса угла потерь в диэлектрике, слой 2 может представлять собой композицию из нескольких диэлектрических материалов, в том числе и воздуха. В этом случае в формуле для соотношения длин излучающих и неизлучающих торцов берется средняя диэлектрическая проницаемость.

Оптимальной является диэлектрическая проницаемость ε_д = 2,5-10 и тангенс угла потерь tg≈10^-4 10^-3. Толщина диэлектрического слоя 2 может составлять (0,1÷0,01)λ_o..

Для повышения КПД модуля второй вход 11 смещения модуля может быть подключен к середине излучающего торца антенны 3, т.к. в этой точке расположен виртуальный нуль потенциала СВЧ энергии. Расположение контакта в другой точке неизлучающего торца закорачивает на землю часть СВЧ токов, что снижает КПД.

Формула изобретения

1. Модуль доплеровского радиолокатора, содержащий диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположен проводящий экранирующий слой, а на другой полосковая антенна прямоугольной формы, первый развязывающий фильтр и расположенная параллельно одному из торцов антенны проводящая полоска, а также первый и второй выводы цепи смещения, отличающийся тем, что введен генераторный элемент, выполненный на транзисторе, и второй развязывающий фильтр, первый вывод которого соединен с эмиттером транзистора, а второй вывод является выходом модуля, коллектор транзистора соединен с излучающим торцом антенны, к неизлучающему торцу которой подключен первый вывод цепи смещения, проводящая полоска расположена вдоль излучающего торца антенны и подсоединена одним концом к базе транзистора и к первому выводу первого развязывающего фильтра, второй вывод которого соединен с вторым выводом цепи смещения.

2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что длины излучающих и неизлучающих торцов антенны выбраны из соотношения

где l_и длина излучающего торца антенны;
l_н.и длина неизлучающего торца антенны;
ε_д диэлектрическая проницаемость материала диэлектрической подложки.

3. Модуль по п.1, отличающийся тем, что диэлектрическая подложка является многослойной.

4. Модуль по п.3, отличающийся тем, что длины излучающих и неизлучающих торцов антенны выбраны из соотношения

где ε_д.cp усредненная диэлектрическая проницаемость материалов, составляющих диэлектрическую подложку.

5. Модуль по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что конец проводящей подложки снабжен проводящей прямоугольной пластиной.

6. Модуль по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, отличающийся тем, что первый вывод цепи смещения соединен с серединой неизлучающего торца антенны.

РИСУНКИ

Рисунок 1