МОДУЛЬ ДОПЛЕРОВСКОГО РАДИОЛОКАТОРА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК G01S7/00 G01S13/50 

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 элемент генерации, приемную полосковую антенну прямоугольной формы (см. Microwove Plus Rassive Sufrared Detector MICRO-X фирмы Electronics hine (EL) Std).

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

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому и принятым за прототип является модуль доплеровского радиолокатора, содержащий элемент генерации, выполненный на генераторе, резонаторе и излучающей антенне, приемную антенну, смесительный диод, первый вывод которого подключен к шине постоянного потенциала, а второй вывод подключен к первому торцу приемной антенны (см. Заявку Японии 56-1000369, кл. G 01 S 13/50, 1981, фиг. 4).

Недостатком известного технического решения является невысокая дальность действия модуля ввиду того, что для согласования волнового сопротивления приемной антенны и смесительного диода, через последний пропускается постоянный ток смещения, обеспечивающий равенство волнового сопротивления антенны в точке подключения смесительного диода и сопротивления самого диода. Сопротивление диода зависит от протекающего через него прямого тока, как
,
где I прямой ток смещения через диод;

где K постоянная Больцмана;
T абсолютная температура;
q заряд электрона.

При этом через смесительный диод уходит в шину постоянного потенциала половина мощности СВЧ колебаний, принятых приемной антенной. Это снижает чувствительность приемной антенны, а следовательно и дальность действия модуля.

Целью изобретения является повышение дальности действия модуля доплеровского радиолокатора.

По первому варианту поставленная цель достигается тем, что модуль доплеровского радиолокатора, содержащий элемент генерации, приемную антенну, смесительный диод, первый вывод которого подключен к шине постоянного потенциала, дополнительно содержит емкостной элемент связи, фильтрующий элемент и резистор, первый вывод которого является выходом модуля и соединен с первым выводом фильтрующего элемента, второй вывод которого соединен с первым выводом емкостного элемента связи и вторым выводом смесительного диода, первый вывод которого соединен с вторым выводом резистора, второй вывод емкостного элемента связи соединен с первым торцом приемной антенны, которая является полосковой прямоугольной формы.

По второму варианту поставленная цель достигается тем, что модуль доплеровского радиолокатора, содержащий элемент генерации, приемную антенну, смесительный диод, второй вывод которого подключен к первому торцу приемной антенны, дополнительно содержит емкостной элемент связи и резистор, первый вывод которого является выходом модуля и соединен с первым выводом смесительного диода и первым выводом емкостного элемента связи, второй вывод которого подключен к шине постоянного потенциала, приемная антенна является полосковой прямоугольной формы, второй вывод резистора соединен с вторым торцом приемной антенны, который является смежным с первым торцом приемной антенны.

Кроме того, в устройстве по второму варианту второй вывод резистора может быть соединен с серединой второго торца приемной антенны.

Кроме того, в устройствах по первому и второму вариантам элемент генерации может содержать транзистор и СВЧ дроссель, первый вывод которого является первым входом смещения элемента генерации, второй вывод которого соединен с эмиттером транзистора, база которого является вторым выходом смещения генерации, а коллектор соединен с третьим торцом приемной антенны, противоположным по отношению к первому торцу, а второй или четвертый торец приемной антенны, смежный с первым торцом, подключен к входу питания элемента генерации.

Кроме того, вход питания элемента генерации может быть подключен к середине второго или четвертого торца приемной антенны.

Предложенные варианты модуля доплеровского радиолокатора имеют следующие новые признаки по сравнению с прототипом: наличие емкостного элемента связи, резистора и фильтрующего элемента, а также связи между ними и приемной антенной и смесительным диодом, выполнение антенны полосковой прямоугольной формы.

Кроме того, варианты устройства имеют следующие частные существенные признаки: выполнение элемента генерации на транзисторе и СВЧ дросселе с соответствующими связями и присоединение входа питания элемента генерации к середине второго торца приемной антенны.

Выполнение приемной антенны в виде полосковой прямоугольной формы необходимо, т. к. все остальные отличительные существенные признаки приводят к положительному эффекту лишь для такого распределения электрического поля в антенне, которое имеет место в полосковых прямоугольных антеннах.

Резистор предназначен для задания нулевого смещения на смесительный диод, что обеспечивает его запертое состояние большую часть периода СВЧ колебаний. Высокое сопротивление смесительного диода в запертом состоянии препятствует прохождению СВЧ сигнала через него в шину постоянного потенциала. В результате не происходит потери мощности СВЧ сигнала и дальность действия модуля увеличивается.

Емкостной элемент связи предназначен для передачи на смесительный диод СВЧ колебаний приемной антенны, но в то же время препятствует прохождению постоянного потенциала с шины постоянного потенциала через резистор на первый торец приемной антенны, который является активным.

Выполнение приемной антенны в виде микрополосковой антенны прямоугольной формы известно.

Выполнение элемента генерации на транзисторе и СВЧ дросселе с соответствующими связями позволяет достичь дополнительного положительного эффекта упростить модуль, т. к. при этом одна приемная антенна и излучает, и принимает отраженное излучение.

Присоединение входа питания к середине второго торца приемной антенны позволяет повысить КПД модуля, т. к. распределение СВЧ поля в микрополосковой прямоугольной антенне таково, что в середине неактивных торцов антенны имеет место виртуальный нуль потенциала для СВЧ колебаний. Следовательно, не происходит утечки СВЧ энергии через вход питания элемента генерации.

Фильтрующий элемент пропускает на выход низкочастотный доплеровский сигнал и не пропускает СВЧ сигнал и предназначен для развязки выхода модуля от активного торца приемной антенны. Это также предотвращает потерю мощности СВЧ сигнала из-за его утечки в выходные цепи.

Использование индуктивного фильтрующего элемента для развязки СВЧ и низкочастотных цепей является известным в другой совокупности существенных признаков (см. например, Элементы радиоэлектронной аппаратуры, вып.48, М. Радио и связь. 1985, с. 20, рис. 1.15).

Однако включение известного фильтрующего элемента в предложенную совокупность признаков очевидным не является, т. к. в предложенном техническом решении в совокупности с другими существенными признаками наличие данного признака позволяет достичь сверхсуммарного положительного эффекта, который не достигается ни в одном из известных технических решений, повышения дальности действия модуля доплеровского радиолокатора.

Перечисленные отличительные признаки не были обнаружены в доступной патентной и технической литературе, где бы они проявляли те же свойства, которые они проявляют в вариантах предложенного устройства, поэтому варианты предложенного модуля соответствуют критериям изобретения "новизна".

На фиг. 1 представлена схема модуля доплеровского радиолокатора по первому варианту; на фиг. 2 второй вариант модуля со схемой элемента генерации; на фиг. 3 вариант выполнения емкостного элемента связи.

Модуль доплеровского радиолокатора по первому варианту содержит элемент 1 генерации, приемную полосковую антенну 2 прямоугольной формы, смесительный диод 3, емкостной элемент 4 связи, резистор 5, фильтрующий элемент 6, выход 7, шину 8 постоянного потенциала.

Модуль по второму варианту содержит элемент 1 генерации, приемную полосковую антенну 2 прямоугольной формы, смесительный диод 3, емкостной элемент 4 связи, резистор 5, выход 7, шину 8 постоянного потенциала.

Элемент 1 генерации может быть выполнен на транзисторе 9 и СВЧ дросселе 10 и имеет первый и второй входы 11, 12 смещения элемента 1 и вход питания 13.

Предложенные варианты модуля представляют собой доплеровскую систему гетеродинного типа и работают следующим образом.

Элемент 1 генерации генерирует и излучает в пространство СВЧ энергию частотой f₀. Энергия колебаний, отраженная от движущегося объекта, принимается антенной 2 на частоте Часть излученной элементом 1 генерации мощности передается непосредственно на антенну 2. Емкостной элемент 4 связи свободно пропускает СВЧ колебания на смесительный диод 3, зашунтированный по низкой частоте резисторы 5.

Мощность излучения, принимаемая антенной 2, должна обеспечивать отпирание диода 3 без дополнительной подпитки диода 3 током. В этом случае на выходе 7 модуля выделяется напряжение
U U_{приемн. макс} U^*,
где U_{приемн. макс} максимальное напряжение на первом торце антенны 2;
U^* прямое падение напряжения на диоде 3.

Так как большую часть периода колебаний напряжение на первом торце антенны 2 ниже максимального, то все это время на диоде 3 напряжение меньше U^*, т. е. диод 3 заперт. В результате входное сопротивление диода 3 резко возрастает по сравнению с прототипом.

Кроме того, появляющееся смещение на диоде 3 является оптимальным с точки зрения его использования как смесителя (см. М. К. Бемиен и др. Справочник по учебному проектированию приемно-усилительных устройств. Киев. Высшая школа. 1988, с. 199).

В те моменты, когда напряжение на первом торце антенны имеет максимальное значение, диод 3 открывается и перемножает сигнал, принятый антенной 2 непосредственно от элемента 1 генерации, и отраженный от объекта сигнал с частотой
В результате на выходе 7 напряжение имеет доплеровскую частоту

V скорость перемещения объекта;
λ_o длина волны, излучаемая элементом 1;
f_g доплеровская частота.

Резистор 5 предназначен для задания нулевого смещения на диоде 3, что обеспечивает запертое состояние диода 3 большую часть периода колебаний частотой f₀. Высокое сопротивление диода 3 в запертом состоянии препятствует прохождению через него СВЧ сигнала в шину 8 постоянного потенциала. В результате не происходит потери мощности СВЧ колебаний, что повышает дальность действия модуля.

Емкостной элемент 4 связи при работе на более высоких частотах может быть выполнен, как показано на фиг. 3, для первого варианта предложенного устройства. При меньших частотах это может быть обычный конденсатор малой емкости. Элемент 4 препятствует прохождению постоянного напряжения с шины 8 на антенну 2 через резистор 5, т. е. фактическому заземлению активного первого торца антенны 2 по СВЧ сигналу. Подключение же резистора 5 во втором варианте устройства к второму торцу антенны 2 не вызывает прохождения СВЧ сигнала из антенны 2 через резистор 5 и конденсатор 4 в шину 8, т. е. второй торец антенны 2 не является активным (не является активными торцы антенны 1, смежные с активным торцом, к которому подключается цепь смесительного диода 3, в середине неактивных торцов имеет место виртуальный нуль потенциала для СВЧ сигнала).

Фильтрующий элемент 6, имеющийся в устройстве по первому варианту, представляет собой отрезок проводника для более высоких частот или дроссель для менее высоких. Он предназначен для развязки выхода 7 модуля от активного первого торца приемной антенны 2.

Элемент 1 генерации может быть выполнен на транзисторе 9 и СВЧ дросселе 10, что позволяет использовать антенну 2 не только для приема СВЧ сигнала, но и для его излучения. Транзистор представляет собой автогенератор, включенный по схеме с общей базой. Коллекторная нагрузка является антенной резьмотором. Развязка транзистора 5 от входа 11 смещения производится СВЧ дросселем 10, который для более высоких частот может быть выполнен в виде отрезка проводника.

Кроме того, такое выполнение элемента 1 генерации повышает помехоустойчивость модуля, т. к. антенна 2 привязана неактивным торцом к постоянному напряжению питания элемента 1, что делает антенну не восприимчивой к низкочастотным помехам.

Наиболее эффективно подключение входа 13 питания элемента 1 генерации к середине второго торца антенны, т. к. в середине неактивных торцов антенны 2 для СВЧ колебаний имеет место виртуальный нуль потенциала, т. е. через цепь элемента 1 не происходит утечки СВЧ энергии.

Использование: в радиотехнике, а точнее в приборах обнаружения перемещения человека и различных предметов, и может быть использовано для охранной сигнализации в различных помещениях. Сущность изобретения: устройство содержит емкостной элемент 4 связи, резистор 5, фильтрующий элемент 6 с соответствующими связями. Резистор 5 обеспечивает запертое состояние смесительного диода 3 большую часть периода СВЧ колебаний, генерируемых генерирующим элементом 1 и принятых антенной 2. В результате не происходит утечки СВЧ мощности из антенны 2 через диод 3 в шину 8 постоянного потенциала. Элементы 4, 6 предназначены для развязки цепей СВЧ сигнала и цепей питания и выхода 7 модуля. 2 с. и 3 з. п. ф-лы., 3 ил.

1. Модуль доплеровского радиолокатора, содержащий элемент генерации, приемную антенну, смесительный диод, первый вывод которого подключен к шине постоянного потенциала, отличающийся тем, что модуль дополнительно содержит емкостный элемент связи, фильтрующий элемент и резистор, первый вывод которого является выходом модуля и соединен с первым выводом фильтрующего элемента, второй вывод которого соединен с первым выводом емкостного элемента связи и вторым выводом смесительного диода, первый вывод которого соединен с вторым выводом резистора, второй вывод емкостного элемента связи соединен с торцом приемной антенны, которая является полосковой прямоугольной формы. 2. Модуль доплеровского радиолокатора, содержащий элемент генерации, приемную антенну, смесительный диод, второй вывод которого подключен к первому торцу приемной антенны, отличающийся тем, что модуль дополнительно содержит емкостный элемент связи и резистор, первый вывод которого является выходом модуля и соединен с первым выводом смесительного диода и первым выводом емкостного элемента связи, второй вывод которого подключен к шине постоянного потенциала, приемная антенна является полосковой прямоугольной формы, второй вывод резистора соединен с вторым торцом приемной антенны, который является смежным с первым торцом приемной антенны. 3. Модуль по п. 2, отличающийся тем, что вывод резистора соединен с серединой второго торца приемной антенны. 4. Модуль по пп.1 3, отличающийся тем, что элемент генерации содержит транзистор и СВЧ-дроссель, первый вывод которого является первым входом смещения элемента генерации, второй вывод соединен с эмиттером транзистора, база которого является вторым входом смещения генерации, а коллектор соединен с третьим торцом приемной антенны, противоположным по отношению к первому торцу, а второй или четвертый торец приемной антенны, смежный с первым торцом, подключен к входу питания элемента генерации. 5. Модуль по п.4, отличающийся тем, что выход питания элемента генерации подключен к середине второго или четвертого торца приемной антенны.