передатчик сшп-сигнала для радарных и сенсорных устройств

Формула изобретения

1. Сверхширокополосный радиопередающий модуль, включающий в себя схему генерирования СШП-сигнала, выполненную с возможностью управления потребляемой мощностью за счет режима стробирования напряжения питания и конструктивно объединенную с устройством излучения СШП-сигнала в виде объемного резонатора и цепи обратной связи.

2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что в качестве устройства излучения СШП-сигнала использована антенна в виде квадратного микрополоскового резонатора, рассчитанного и реализованного с учетом воздушной диэлектрической подложки.

3. Модуль по п.1, отличающийся тем, что схема генерирования СШП-сигнала конструктивно решена в виде генераторного модуля, состоящего из рефлектора, выполненного из токопроводящего материала и имеющего форму усеченной четырехугольной пирамиды с открытым основанием, несущей диэлектрической втулки, расположенной в центре рефлектора и предназначенной для механического крепления резонаторного антенного элемента над плоской частью рефлектора, линии питания резонаторного антенного элемента в виде проводника, соединяющего резонаторный антенный элемент с печатной платой, печатной платы схемы генерирования СШП-сигнала, микрополоскового резонаторного антенного элемента.

Описание изобретения к патенту

Изобретение касается проектирования сверхширокополосной (СШП) аппаратуры и, в частности, схем формирования и излучения сверхширокополосных сигналов в СШП радарных системах малой дальности, например, используемых для систем безопасности, таких как обнаружение вторжения на охраняемую территорию.

Обычно основным блоком любого устройства радарного типа является радиочастотная часть (РЧ), подобно тому, как ультразвуковой излучатель и цепи его управления являются основной частью ультразвукового устройства, или инфракрасный приемник и цепи его управления в инфракрасном устройстве. Любая радиочастотная часть содержит радиочастотный передатчик, приемник и некоторое устройство управления. Общепринятая схема построения передатчика радиосигналов приведена на блок-диаграмме (см. Фиг.1). Особенности работы в СШП диапазоне позволяют несколько видоизменить традиционную схему, отказавшись от усилителя мощности (см., например, материалы, опубликованные на сайте http://www.pulstech.ru [1], или www.intel.ru [2]).

Характеристики передатчика определяют основные характеристики устройства, такие как дальность, устойчивость к интерференциям, проникающая способность, сложность и стоимость. Например, сенсоры инфракрасного диапазона частот используются для охраны различных помещений. Они дешевы, но имеют высокий уровень ложных тревог, вызванный потоками воздуха с различной температурой, которые перемещаются в охраняемой области. Микроволновые сенсоры в основном дороги из-за высокой стоимости радиочастотных компонентов. И чем частота выше, тем выше стоимость. Кроме того, микроволновые сенсоры имеют высокий уровень потребляемой мощности.

Высокий уровень потребляемой мощности является характерной чертой для радиочастотных схем сверхвысоких частот. Выходом из проблемы могло бы стать использование подходящего для СШП применения метода управления (стробирования) напряжением питания радиочастотного модуля.

Известны различные попытки повысить частоту в используемых радиочастотных компонентах. В частности, одно из таких решений описано в патенте РФ 2188500 [3], в котором конструкция радара дополнена волноводной трубкой, заполненной определенным газом, а также источником лазерного излучения. При облучении лазером часть газа переходит в состояние плазмы. Проходя через такую трубку волна СВЧ-диапазона разделяется в плазменной части, что позволяет генерировать импульсы СВЧ-излучения с длительностью менее 10 нс. Это решение нельзя назвать несложным и недорогим, поэтому сфера его применения весьма ограничена.

Интересный вариант СШП излучателя предложен в патенте США 5889497 [4], где генератор импульсов подключен к двум рупорным антеннам с разными диэлектрическими свойствами, при этом достигается скорость формирования импульса в пределах 200 пс. Это решение используется, в основном, в высоковольтной аппаратуре, что неблагоприятно сказывается на сложности и стоимости компонентов.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является усовершенствованная импульсная радарная система, описанная в патенте США 6100839 [5], в котором для снижения стоимости и уменьшения габаритов системы предусматривается совмещение функций отдельных элементов. В конкретном случае, предложено двойное использование каждого из элементов антенной решетки - в качестве излучающего и принимающего антенного элемента, при этом используется лишь один аналого-цифровой конвертор. В описанном решении, однако, не принят во внимание тот факт, что добротность антенны падает пропорционально расширению полосы рабочих частот. Соответственно, для случая сверхширокополосных сенсоров требуется применение соответственно сверхширокополосных антенн, обладающих высокой добротностью для обеспечения функции резонатора схемы формирования сигнала. Однако используемые в [5] антенны не обладают вышеуказанными свойствами.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы создать простую и дешевую конструкцию сверхширокополосного радиопередающего модуля для радара малой дальности с пониженным потреблением электропитания, низкой стоимостью и малыми габаритными размерами.

Поставленная задача решена в заявляемом изобретении за счет разработки сверхширокополосного радиопередающего модуля, включающего в себя схему генерирования СШП сигнала, выполненную с возможностью управления потребляемой мощностью за счет режима стробирования напряжения питания и конструктивно объединенную с устройством излучения СШП сигнала в виде объемного резонатора и цепи обратной связи.

Технический результат достигается за счет нетривиального конструктивного объединения в одном узле сверхширокополосного радиопередающего модуля схемы формирования и устройства излучения СШП сигнала, что позволило значительно упростить схему радара. При этом новая конструкция сверхширокополосного радиопередающего модуля снабжена устройством стробирования и управления напряжением питания, обеспечивающим экстремально низкое потребление мощности, когда не производится генерация сигнала.

В качестве устройства излучения СШП сигнала использована распространенная и хорошо известная конструкция антенны в виде квадратного микрополоскового резонатора, рассчитанного и реализованного с учетом воздушной диэлектрической подложки. Данная разновидность микрополосковых антенн и методики их расчета широко описаны в существующей литературе (см., например, "Microstrip Antenna Design Handbook" by Ramesh Garg, Prakash Bhartia, Inder Bahl, issued by Artech House, INC., 2001, p.253 [6]).

Поскольку требовалось создать конструкцию, отличающуюся пониженным потреблением энергии, в устройстве применен принцип управления напряжением питания (стробирование). Стробирование или управление напряжением питания любого устройства позволяет уменьшить его энергопотребление благодаря тому, что устройство работает не все время, а только тогда, когда реализуется функция стробирования или управления напряжением питания. Стробирование или управление напряжением питания обычно используется для снижения потребляемой мощности самой энергозатратной части устройства. В нашем случае все составляющие схемы генерирования СШП сигнала подвержены стробированию или управлению напряжением питания. Например, без этой функции реализованная на основе заявляемого изобретения конструкция имела потребление 60 мВт, со стробированием - только 5 мВт. Принцип стробирования нашел широкое применение в системах, работающих в СШП диапазоне, и не требует дополнительных пояснений, достаточно упомянуть такие источники, как опубликованная заявка РФ №2002108117 [7] и патент РФ №2233543 [8].

Поскольку изобретение относится к области излучения сверхширокополосных сигналов, то в конечном итоге определяющим узлом, с точки зрения широкополосности всего радиопередающего модуля, является излучатель (антенна), частотные свойства (широкополосность) которого будут задавать конечные параметры радиопередающего модуля.

Для лучшего понимания существа заявляемого изобретения далее приводится его детальное описание с привлечением соответствующих графических материалов.

Фиг.1. Блок-диаграмма общепринятой схемы формирования радиосигналов, состоящей из каскадов генерации, усиления и излучения радиосигнала, где 1 - генератор, 2 - усилитель мощности, 3 - устройство излучения, т.е. передающая антенна.

Фиг.2. Блок-диаграмма передатчика, состоящего из управляемой питанием схемы генерирования СШП сигнала, объемно связанной с устройством излучения (т.е. передающей антенной) СШП сигнала, где 1 - генератор, 3 - устройство излучения, т.е. передающая антенна, 4 - блок управления питанием.

Фиг.3. Принципиальная схема генератора СШП сигнала, состоящая из элементов объемно связанных частотозадающих цепей, цепей обратной связи активного элемента и устройства излучения СШП, где 5 - объемный резонатор, т.е. устройство излучения в виде передающей антенны СШП сигнала, объемно связанной с микрополосковыми линиями, 6 - фильтр питания, 7 - источник питания, 8 - токозадающий резистор, 9-11 - резистивный делитель, 12 - активный элемент (биполярный транзистор).

Фиг.4. Эскиз конструктивного решения генераторного модуля, где 13 - рефлектор, выполненный из токопроводящего материала и имеющий форму усеченной четырехугольной пирамиды с открытым основанием, 14 - несущая диэлектрическая втулка, расположенная в центре рефлектора и предназначенная для механического крепления резонаторного антенного элемента 17 над плоской частью рефлектора, 15 - линия питания резонаторного антенного элемента, выполненная в виде проводника, соединяющего резонаторный антенный элемент 17 с печатной платой 16, 16 - печатная плата схемы генерирования СШП сигнала (генератора), 17 - резонаторный антенный элемент, выполненный в виде микрополоскового блока.

Фиг.5 - эскиз печатной платы схемы генерирования СШП сигнала (генератора), где 12 - активный элемент (биполярный транзистор), 18 - цепи питания и смещения активного элемента, 19 - связанные микрополосковые резонаторы.

Общая структура СШП генераторного модуля (генератора) показана на Фиг.2. СШП генераторный модуль состоит из схемы генерирования СШП сигнала, т.е. собственно генератора СШП сигнала, управляемого (стробируемого) по напряжению питания схемой управления питанием, работающей по определенному алгоритму (в рамках заявляемого изобретения этот алгоритм не рассматривается), и устройства излучения СШП сигнала - в заявляемом решении это устройство выполнено в виде квадратного микрополоскового резонатора с воздушной диэлектрической подложкой.

Принципиальная схема генераторного модуля показана на Фиг.3. Режим работы активного элемента по постоянному току определяется делителем на резисторах 9, 10, 11 и резистором 8. Индуктивность 6 служит для фильтрации СВЧ-сигнала. Режим работы и характеристики генераторного модуля на СВЧ в режиме излучения СШП зависят от параметров микрополосковых линий (микрополосковых резонаторов) в цепях базы и эмиттера активного элемента 12, величины связи между ними, параметров излучателя и величины его связи с микрополосковыми линиями. Эти параметры взаимосвязаны и определяются конструкцией для конкретных требований к генераторному модулю.

Важным элементом всего генераторного модуля, определяющим величину связи между элементами объемного резонатора 5 и влияющим на ширину полосы излучаемых частот в СШП режиме, является устройство излучения СШП сигнала (антенна). За основу в данной разработке была взята широко распространенная и хорошо известная микрополосковая антенна в виде квадратного резонатора с воздушной диэлектрической подложкой. Основным элементом антенны для данной конструкции является микрополосковый элемент 17 квадратной формы, показанный на Фиг.4 и установленный над печатной платой 16 генератора при помощи диэлектрической втулки 14, при этом элемент 17 подключается к плате 16 при помощи полоска 15. Рупорная структура образуется путем установки ограждения 13 вокруг микрополоскового резонаторного элемента 17 антенны, выполненного из токопроводящего материала и имеющего форму усеченной четырехугольной пирамиды с открытым основанием.

Предлагаемая раскладка печатной платы генератора показана на Фиг.5 и включает в себя связанные микрополосковые резонаторы 19, активный элемент 12 (биполярный транзистор) и цепи 18 питания и смещения активного элемента 12.

Заявляемое изобретение может быть использовано в СШП применениях, где необходимо обеспечить максимальную простоту, минимальные габариты и низкую стоимость передатчика.