ДЕТЕКТОРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНДИКАТОРА СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК G01R29/08 H04B1/00 

Изобретение относится к технике измерений на сверхвысокой частоте (СВЧ) и может быть использовано в качестве антенно-детекторного элемента устройств регистрации и измерения СВЧ излучения СВЧ печей, радаров и других источников преимущественно сантиметрового диапазона волн. Указанные устройства предназначены, в частности, для оценки биологической опасности СВЧ излучения или для обнаружения СВЧ излучения, например, радарных установок контроля скорости автомобильного транспорта.

Известно СВЧ детекторное устройство, используемое в индикаторе СВЧ излучения от СВЧ печей и других источников по патенту США N 4199716, кл. 324-95, публ. 1980 г. СВЧ детекторное устройство включает антенну и полупроводниковый СВЧ диод. В индикаторном устройстве сигналы, поступающие с выхода детекторного диода, подвергаются усилению в усилителе мощности, причем индикация уровня мощности ниже или выше заданной величины осуществляется светоизлучающим диодом. В индикаторах сантиметрового диапазона волн, к которым относится описанный аналог, как правило, используются рупорные антенны. При использовании таких антенн повышение чувствительности достигается увеличением раскрыва антенны и соответственно длины рупора, что приводит к увеличению габаритов устройства. Однако СВЧ детекторные устройства указанного назначения должны иметь небольшие габариты в связи с выполнением индикаторов переносными или устанавливаемыми, например, в салоне автомобиля для обнаружения излучения радарных измерителей скорости.

Известный индикатор имеет пониженную чувствительность за счет влияния собственных шумов СВЧ диода и измерительной цепи индикатора. СВЧ детекторное устройство, состоящее из антенны, соединенной с СВЧ диодом, не позволяет реализовать индикатор, в котором влияние указанных шумов ослаблено, но это может быть достигнуто техническим решением, используемым в радиометрах (см. например, Кушнир Ф. В. Радиотехнические измерения. М. Связь, 1975, с.277-280). Оно состоит в том, что наведенный в антенне сигнал поступает на СВЧ детектор через модулятор, управляемый внешним модулирующим генератором напряжения низкой частоты, после чего продетектированный сигнал, пропорциональный мощности на входе, поступает в измерительную часть устройства на усилитель низкой частоты, затем на синхронный детектор, опорный вход которого соединен с генератором модулирующего напряжения, а выход с регистрирующим прибором через интегрирующее устройство.

Применение в радиометре супергетеродинного приемника, включенного между модулятором и СВЧ детектором, обусловлено тем, что радиометр предназначен для индикации таких слабых излучений (в частности, шумов), уровень мощности которых ниже собственных шумов измерительного устройства. Заявляемое же устройство не предназначено для использования в индикаторах (измерителях) СВЧ излучений таких малых уровней, поэтому применительно к области использования заявляемого устройства отпадает необходимость включения между модулятором и детектором супергетеродинного приемника.

Соответственно общими с известной структурой признаками заявляемого СВЧ детекторного устройства является наличие антенны, модулятора и детектора.

Однако выполнение антенны и модулятора с детектором в виде конструктивно раздельных узлов, как это предусмотрено в известном устройстве, не позволяет реализовать СВЧ детекторное устройство и соответственно индикатор СВЧ излучения достаточно малых габаритов, на которых сказываются также отмеченные выше особенности рупорных антенн, применяемых в сантиметровом диапазоне волн.

Известно СВЧ детекторное устройство, используемое в модуляционном радиометре по а.с. N 1262418, G 01 R 29/08, 29/26,oпубл. 1986 г. которое содержит рупорную антенну, дисковый модулятор и детектор. Снимаемый с СВЧ детекторного устройства сигнал поступает на усилитель низкой частоты, выход которого соединен с фазовым детектором, опорное напряжение на который подается с преобразователя угла поворота модулятора в напряжение, а выход фазового детектора соединен с регистратором.

Признаки известного СВЧ детекторного устройства, характеризующие структурный состав, т.е. наличие антенны, модулятора, детектора, совпадают с существенными признаками заявляемого устройства.

Использование в известном устройстве рупорной антенны и дискового модулятора само по себе приводит к увеличению габаритов устройства, а тем более с учетом их выполнения в виде конструктивно последовательно расположенных узлов.

Таким образом, в прототипе, как и в описанных аналогах, не может быть достигнута достаточно высокая чувствительность при компактности и малогабаритности СВЧ детекторного устройства, необходимых для переносных или устанавливаемых в салонах автомобилей индикаторов СВЧ излучения.

Изобретение направлено на создание СВЧ детекторного устройства, выполненного в виде конструктивно единого антенно-детекторного узла, что позволяет уменьшить габариты устройства, обеспечивая вместе с тем достижение высокой чувствительности.

Указанный технический результат достигается тем, что в СВЧ детекторном устройстве для индикаторов электромагнитного излучения, содержащем антенну, модулятор, СВЧ детектор, согласно изобретению, антенна выполнена в виде параболического зеркала, в вершине которого закреплен конец прямоугольного диэлектрического резонатора с металлизированными широкими стенками, и вибратора, плечи которого закреплены на широких стенках резонатора, СВЧ детектор выполнен в виде полупроводникового СВЧ диода, который установлен на первой широкой стенке резонатора, один вывод СВЧ диода подключен к обкладке СВЧ конденсатора, другая обкладка которого гальванически соединена с первой широкой стенкой резонатора, другой вывод СВЧ диода соединен со второй широкой стенкой резонатора с помощью проводника, который пропущен через отверстие, пересекающее резонатор в поперечном направлении, а в качестве модулятора использован СВЧ p-i-n диод, который установлен на второй широкой стенке резонатора, один вывод p-i-n диода соединен с обкладкой СВЧ конденсатора, другая обкладка которого гальванически соединена со второй широкой стенкой резонатора, к которой подключен другой вывод p-i-n диода, а между указанными выводами p-i-n диода во второй широкой стенке резонатора выполнена поперечная щель, причем вывод p-i-n диода, подключенный к обкладке СВЧ конденсатора, соединен с входом модуляции устройства, а вывод СВЧ диода, подключенный к обкладке другого СВЧ конденсатора, соединен с детекторным выходом устройства.

Кроме того, вывод p-i-n диода, непосредственной соединенный со второй широкой стенкой резонатора, соединен с первой широкой стенкой с помощью дополнительно введенного проводника, который пропущен через выполненное в резонаторе другое отверстие, пересекающее резонатор в поперечном направлении.

Выполнение антенны в виде параболического зеркала, в вершине которого закреплен конец прямоугольного диэлектрического резонатора с металлизированными широкими стенками, и вибратора, установленного на резонаторе, позволяет разместить непосредственно на антенне диодный СВЧ детектор и модулятор, что наряду с уменьшением осевого размера самой антенны по сравнению с рупорной антенной, приводит к уменьшению габаритов СВЧ детекторного устройства без снижения чувствительности.

Установкой плеч вибратора на широких стенках резонатора обеспечивается возбуждение вибратора и соответственно диэлектрического резонатора как от падающей волны, так и от отраженной от зеркала волны. Это позволяет получить эффективное возбуждение резонатора, несмотря на малый размер зеркала.

Детектирующий полупроводниковый СВЧ диод, размещенный на первой широкой стенке диэлектрического резонатора, получает энергию из возбужденного резонатора, является его нагрузкой. Один вывод СВЧ диода соединен с первой широкой стенкой через СВЧ конденсатор, который служит для развязки по постоянному току. Другой вывод СВЧ диода соединен со второй широкой стенкой резонатора с помощью пропущенного поперек резонатора проводника, который служит для согласования СВЧ диода с диэлектрическим резонатором, что с учетом возможности обеспечения близости величин характеристических сопротивлений вибратора и резонатора, нагруженного СВЧ диодом, позволяет получить максимальную чувствительность устройства.

СВЧ p-i-n диод, который установлен на второй широкой стенке и подключен к ней одним выводом через СВЧ конденсатор для развязки по постоянному току, а другим выводом непосредственно, пересекает поперечную щель, выполненную во второй широкой стенке, благодаря чему при включении и выключении p-i-n диода достигается амплитудная модуляция сигнала, поступающего из диэлектрического резонатора на детекторный СВЧ диод.

Щель совместно с емкостью p-i-n диода в его выключенном состоянии образуют щелевой резонатор. Когда ток через p-i-n диод не протекает, часть энергии из диэлектрического резонатора отбирается в щелевой резонатор, вследствие чего напряжение на выходе детекторного диода минимально. При протекании тока через p-i-n диод щелевой резонатор шунтирован проводимостью p-i-n диода, отбор энергии в щелевой резонатор будет незначительным и соответственно напряжение на выходе детекторного диода будет максимальным. Соединение вывода p-i-n диода, подключенного ко второй широкой стенке диэлектрического резонатора, с первой широкой стенкой с помощью проводника, пропущенного поперек резонатора, направлено на увеличение связи щелевого резонатора с диэлектрическим резонатором, что приводит к увеличению широкополосности устройства.

Изобретение поясняется чертежами на трех фигурах:
на фиг. 1 показан общий вид устройства (а вид слева, б вид справа, в - вид спереди);
на фиг.2 разрез устройства в фокальной плоскости;
на фиг.3 структурная схема индикатора СВЧ излучения.

СВЧ детекторное устройство для индикатора электромагнитного излучения, представленное на фиг.1. содержит антенну, включающую параболическое зеркало 1, прямоугольный диэлектрический резонатор 2 из фольгированного СВЧ диэлектрика, установленный в вершине зеркала соосно с фокальной осью так, что металлизированные широкие стенки соединены с зеркалом вдоль параболического профиля, и симметричный волновой вибратор 3, установленный на фокусном (или близком к нему) расстоянии от вершины зеркала, причем плечи вибратора перпендикулярны широким стенкам резонатора и закреплены на них. При этом СВЧ детектор выполнен в виде установленного на широкой стенке 4 (см. фиг.1 а, в и 2) бескорпусного СВЧ диода 5, один вывод которого припаян (пайки на фиг.2 показаны затенением) к обкладке СВЧ конденсатора 6, вторая обкладка которого гальванически соединена с широкой стенкой 4, а другой вывод СВЧ диода припаян к концу проволочного проводника 7, который через отверстие в резонаторе выведен на широкую стенку 8 и пайкой присоединен к ней, причем от наружной обкладки конденсатора 6 сделан отвод проводом длиной (1/4)λ к наружной обкладке, установленного на тыльной стороне зеркала опорного конденсатора 9, которая является детекторным выходом устройства, а модулятор выполнен в виде установленного на широкой стенке 8 (см. фиг.1б, в и 2) СВЧ p-i-n диода 10, один вывод которого припаян к обкладке СВЧ конденсатора 11, вторая обкладка которого гальванически соединена с широкой стенкой 8, другой вывод p-i-n диода соединен пайкой с данной широкой стенкой и с концом проволочного проводника 12, который выведен через отверстие в резонаторе на широкую стенку 4 и припаян к ней, причем между выводами p-i-n диода 10 в широкой стенке 8 выполнена поперечная щель 13, пересекаемая p-i-n диодом, и от наружной обкладки конденсатора 11 сделан отвод проводом длиной (1/4)λ к наружной обкладке установленного на тыльной стороне зеркала опорного конденсатора 14, которая является входом модуляции устройства.

СВЧ детекторное устройство работает следующим образом.

При наличии СВЧ излучения происходит возбуждение волнового вибратора 3 как непосредственно падающей (прямой) волной, так и волной, отраженной параболическим зеркалом. Для наиболее эффективного возбуждения вибратора и соответственно получения максимального коэффициента усиления устройства необходимо, чтобы разность хода прямой и отраженной волн была кратна длине волны. Это требование выполняется, если при установке вибратора на фокусном расстоянии от вершины параболического зеркала, его фокусное расстояние выбрано равным

где λ длина волны, n 0,1,2,3.

Выполнение указанного условия особенно существенно при использовании параболических зеркал с небольшой отражающей поверхностью, т.е. когда интенсивность отраженной волны незначительно превышает интенсивность падающей волны. Вибратор 3 возбуждает резонатор 2, настроенный на частоту СВЧ излучения. Нагрузкой резонатора является детектирующий СВЧ диод 5, который подключен к широким стенкам 4 и 8 через СВЧ конденсатор 6 и проводник 7 соответственно. Для оптимального согласования проводник 7 должен пересекать диэлектрический резонатор вблизи максимума поля в диэлектрическом резонаторе. Диэлектрический резонатор должен быть настроен на частоту СВЧ излучения (или близкую ей), т.е. на рабочую частоту. Конденсатор 6 обеспечивает развязку по постоянному току.

Для эффективного возбуждения диэлектрического резонатора характеристическое сопротивление волнового вибратора 3 должно быть близким к характеристическому сопротивлению диэлектрического резонатора 2, нагруженного СВЧ диодом 5 (в состоянии, когда через p-i-n диод 10 проходит ток). Тем самым обеспечивается наиболее полное согласование устройства с СВЧ полем, создаваемым источником излучения, и соответственно достигается максимальная чувствительность.

Амплитудная модуляция сигналов, поступающих на детекторный диод, осуществляется p-i-n диодом 10, пересекающим щель 13, которая совместно с емкостью p-i-n диода в его обесточенном состоянии образует щелевой резонатор. Щель 13 пересекает путь резонансного тока диэлектрического резонатора, что обеспечивает связь между диэлектрическим и щелевым резонаторами. Для увеличения этой связи щелевой резонатор настроен на рабочую частоту и, кроме того, вывод p-i-n диода, соединенный со второй широкой стенкой диэлектрического резонатора, соединен с помощью проводника, пересекающего диэлектрический резонатор, с первой широкой стенкой. Такое соединение повышает широкополостность устройства.

При поступлении на наружную обкладку опорного конденсатора 14 со входа модуляции переменного напряжения p-i-n диод по периодическому закону включается и выключается, вследствие чего через него идет и прекращается ток. Когда через p-i-n диод течет ток, обеспечиваемый внешним модулирующим генератором, p-i-n диод шунтирует щелевой резонатор, добротность последнего падает и соответственно уменьшается связь между диэлектрическим и щелевым резонаторами. Этому состоянию соответствует описанное выше оптимальное согласование детекторного диода 5 с диэлектрическим резонатором 2 и, следовательно, с полем СВЧ излучения. В такой момент продетектированное СВЧ диодом напряжение будет пропорционально мощности падающей СВЧ волны с максимальным коэффициентом.

При отсутствии тока через p-i-n диод шунт со щелевого резонатора снимается, добротность щелевого резонатора имеет максимальную величину и соответственно максимальной становится связь диэлектрического резонатора со щелевым резонатором. Это приводит к отбору части энергии из диэлектрического резонатора в щелевой, т.е. к уменьшению продетектированного напряжения, снимаемого с детекторного выхода, соединенного с наружной обкладкой опорного конденсатора 9. Другими словами, в таком состоянии уменьшается связь детекторного диода с полем СВЧ излучения.

Таким образом, при подаче на p-i-n диод 10 переменного напряжения на детекторном выходе устройства будет получено переменное напряжение, амплитуда которого пропорциональна мощности падающей СВЧ волны источника непрерывного излучения. При импульсном характере СВЧ излучения усредненная амплитуда этого напряжения будет пропорциональна средней мощности падающей СВЧ волны.

Развязывающие цепи, состоящие из опорных конденсаторов 9, 13 и проводников длиной (1/4)λ, либо дросселей, введены для предотвращения утечки СВЧ энергии через вход модуляции и детекторный выход на внешние схемы, а следовательно, способствуют повышению чувствительности СВЧ детекторного устройства.

Заявляемое устройство позволяет уменьшить габариты СВЧ детекторного устройства, поскольку модулятор и детектор расположены непосредственно на антенне, которая к тому же сама по себе имеет меньшие габариты в сравнении с используемым в индикаторах (измерителях) сантиметрового диапазона волн рупорными антеннами. Последнее подтверждается следующими соображениями. При сопоставимых чувствительностях размер раскрыва параболического зеркала примерно соответствует раскрыву рупорной антенны, а осевой размер будет меньшим на длину рупора за вычетом глубины зеркала, в пределах которой расположен диэлектрический резонатор.

Таким образом, заявляемое устройство отличается компактностью и может быть реализовано в виде малогабаритного узла, что весьма существенно для ряда областей использования.

При использовании изобретения в индикаторах СВЧ излучения для получения максимальной чувствительности выходной сигнал СВЧ детекторного устройства усиливают и подвергают синхронному детектированию с учетом фазы модулирующего сигнала подобно тому, как это осуществляется в радиометрах.

Представленная на фиг.3 структурная схема иллюстрирует реализацию простейшего индикатора для обнаружения СВЧ излучения.

Вход модуляции СВЧ детекторного устройства 15 соединен с генератором 16 прямоугольных импульсов, являющихся модулирующими сигналами, а детекторный выход соединен со входом усилителя 17. Выход усилителя соединен со входом синхронного детектора 18, другой вход которого соединен с генератором 16, а выход синхронного детектора через интегратор 19 соединен со входом компаратора 20, другой вход которого соединен с регулятором 21 порога срабатывания, выход компаратора соединен со входом регистрирующего устройства 22, которое включается, когда принято излучение, превышающее заданный пороговый уровень. Регистрирующее устройство обеспечивает визуальную или/и аудио индикацию.

Изобретение может быть использовано в качестве антенно-детекторного элемента устройств регистрации и измерения излучения СВЧ печей, радаров и других источников СВЧ излучения. Сущность изобретения состоит в том, что в СВЧ детекторном устройстве, включающем антенну, модулятор и СВЧ детектор, антенна выполнена в виде параболического зеркала, в вершине которого закреплен конец прямоугольного диэлектрического резонатора с металлизированными широкими стенками, и вибратора, плечи которого закреплены на широких стенках резонатора, СВЧ детектор выполнен в виде полупроводникового СВЧ диода, который установлен на широкой стенке резонатора, будучи подключен к данной стенке через гальванически соединенный с ней СВЧ конденсатор, а к другой - с помощью проводника, проходящего через поперечное отверстие, выполненное в резонаторе, а в качестве модулятора использован p-i-n диод, расположенный на второй широкой стенке, выводы которого подключены к этой широкой стенке по обе стороны от выполненной в ней поперечной щели, причем один вывод подключен через СВЧ конденсатор, гальванически соединенный с данной широкой стенкой, другой - непосредственно и, кроме того, предусмотрено соединение последнего с противоположной широкой стенкой с помощью проводника, проходящего через второе поперечное отверстие, выполненное в резонаторе, что повышает широкополосность устройства. Вывод p-i-n диода, подключенный к СВЧ конденсатору, соединен с модулирующим входом устройства, а вывод СВЧ диода, подключенный к другому СВЧ конденсатору, соединен с детекторным выходом. Изобретение позволяет уменьшить габариты СВЧ детекторного устройства, поскольку составляющие его элементы выполнены в виде компактного конструктивно единого узла и без использования рупорной антенны. Согласно изобретению СВЧ детекторное устройство и соответственно индикатор могут быть выполнены малогабаритными, что весьма существенно для переносных или устанавливаемых в салоне автомобиля индикаторов.3 ил.

1. Детекторное устройство для индикатора сверхвысокочастотного излучения, содержащее антенну, электромагнитно связанную с модуляторным p-i-n-диодом и полупроводниковым СВЧ-диодом, первый вывод каждого из диодов является соответственно модуляторным входом и детекторным выходом устройства, отличающееся тем, что введены прямоугольный диэлектрический резонатор с металлизированными широкими стенками и первый и второй плоские конденсаторы, при этом антенна выполнена в виде параболического зеркала, в вершине которого закреплен конец прямоугольного диэлектрического резонатора, и волнового вибратора, плечи которого закреплены на широких стенках диэлектрического резонатора, полупроводниковый СВЧ-диод установлен на первой широкой стенке диэлектрического резонатора и первый вывод этого диода подключен к обкладке первого плоского конденсатора, другая обкладка которого гальванически соединена с первой широкой стенкой резонатора, второй вывод полупроводникового СВЧ-диода соединен с второй широкой стенкой диэлектрического резонатора с помощью проводника, пропущенного через отверстие, пересекающее диэлектрический резонатор в направлении, перпендикулярном его широким стенкам, а модуляторный p-i-n-диод установлен на второй широкой стенке диэлектрического резонатора, первый вывод p-i-n-диода соединен с обкладкой второго плоского конденсатора, другая обкладка которого гальванически соединена с второй широкой стенкой диэлектрического резонатора, к которой подключен второй вывод p-i-n-диода, а между выводами p-i-n-диода во второй широкой стенке диэлектрического резонатора выполнена поперечная щель. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вывод p-i-n-диода, подключенный к второй широкой стенке диэлектрического резонатора, соединен с первой широкой стенкой с помощью дополнительного проводника, пропущенного через дополнительное отверстие, пересекающее диэлектрический резонатор в направлении, перпендикулярном его широким стенкам.