RU2072529C1 - Doppler radiolocator module - Google Patents

Abstract

FIELD: radio engineering; instruments detecting movement of human beings and various objects used for burglar alarms of various premises. SUBSTANCE: module has, in addition, conducting substrate, first and second insulating layers. Transistor and second antenna function as emitter, first and second antennas, as directional coupler. So, radiolocator dispenses with waveguides, circulator, directional coupler, waveguide-to-strip adapters. EFFECT: increased operating range due to absence of waveguide-to-strip adapters as microwave signal power loss does not occur. 5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике, а точнее к приборам обнаружения перемещения человека и различных предметов, и может быть использовано для охранной сигнализации в различных помещениях. The invention relates to radio engineering, and more specifically to devices for detecting the movement of a person and various objects, and can be used for burglar alarms in various rooms.

Известен модуль доплеровского радиолокатора, содержащий первую антенну, первую диэлектрическую область, блок активного элемента, который соединен с излучающими торцами антенны, расположенной на диэлектрическом слое (Microwave Plus Possiv Infrared Detector фирмы Electronics Line). A known Doppler radar module comprising a first antenna, a first dielectric region, an active element unit that is connected to the radiating ends of an antenna located on a dielectric layer (Microwave Plus Possiv Infrared Detector of Electronics Line).

К недостаткам данного модуля можно отнести большую сложность, так как активный элемент выполняется отдельно от полосковой антенны, что вызывает необходимость в специальных целях смещения для генератора и смесителя. The disadvantages of this module include greater complexity, since the active element is performed separately from the strip antenna, which necessitates special bias purposes for the generator and mixer.

Наиболее близок по техническому решению к предложенному и принятым за прототип модуль доплеровского радиолокатора, содержащий генератор, смесительный диод, первую антенну (Заявка Японии 56-100369, кл. G 01 S 13/50, 7/02, опубл. 1981). Closest to the technical solution to the proposed and adopted as a prototype module is a Doppler radar containing a generator, a mixing diode, a first antenna (Japanese Application 56-100369, CL G 01 S 13/50, 7/02, publ. 1981).

Недостатком известного технического решения является его сложность, так как для передачи сигнала от генератора на излучающую антенну и с антенны на смесительный диод необходимы волновод сложной формы, резонатор, циркулятор. Для передачи части мощности с генератора на смесительный диод необходим направленный ответвитель. A disadvantage of the known technical solution is its complexity, since a waveguide of a complex shape, a resonator, a circulator are required to transmit a signal from a generator to a radiating antenna and from an antenna to a mixing diode. To transfer part of the power from the generator to the mixing diode, a directional coupler is required.

Кроме того, для согласования генератора и смесительного диода с прямоугольным волноводом нужен волноводно-полосковый переход. In addition, to match the generator and the mixing diode with a rectangular waveguide, a strip-waveguide transition is needed.

Другим недостатком известного модуля является ограниченная дальность действия, так как согласующие переходы расположены не в местах максимальной концентрации электрического поля СВЧ. Another disadvantage of the known module is the limited range, since matching transitions are not located at the maximum concentration of the microwave electric field.

Цель изобретения упрощение модуля и повышение дальности его действия. The purpose of the invention is to simplify the module and increase the range of its action.

Цель достигается тем, что модуль доплеровского радиолокатора, включающий генератор, смесительный диод, первую антенну, дополнительно содержит проводящую подложку, первую и вторую диэлектрические области, расположенные на проводящей подложке, причем генератор состоит из транзистора и второй антенны прямоугольной формы, расположенной на второй диэлектрической области, база транзистора соединена с проводящей подложкой, эмиттер является первым входом смещения генератора, а коллектор подключен к первому излучающему торцу второй антенны, к первому неизлучающему торцу которой подключен второй вход смещения генератора, первая антенна выполнена прямоугольной формы и расположена на первой диэлектрической области, первый вывод смесительного диода подключен к проводящей подложке, а второй вывод соединен с первым излучающим торцом первой антенны, к первому неизлучающему торцу которой подключен выход модуля, первый, второй излучающие торцы первой антенны и первый, второй излучающие торцы второй антенны параллельны, а вторые излучающие торцы первой, второй антенны или вторые неизлучающие торцы первой, второй антенны расположены напротив друг друга. The goal is achieved in that the Doppler radar module, including a generator, a mixing diode, a first antenna, further comprises a conductive substrate, first and second dielectric regions located on the conductive substrate, the generator consisting of a transistor and a second rectangular antenna located on the second dielectric region , the base of the transistor is connected to the conductive substrate, the emitter is the first bias input of the generator, and the collector is connected to the first radiating end of the second antenna, to the first non-radiating end of which the second bias input of the generator is connected, the first antenna is rectangular and located on the first dielectric region, the first output of the mixing diode is connected to a conductive substrate, and the second output is connected to the first radiating end of the first antenna, to the first non-radiating end of which is connected module, the first, second radiating ends of the first antenna and the first, second radiating ends of the second antenna are parallel, and the second radiating ends of the first, second antenna or second the non-radiating ends of the first, second antennas are located opposite each other.

Кроме того, для большего повышения дальности действия радиолокатора длина первого, второго излучающих торцов и первого, второго неизлучающих торцов второй антенны соотносится следующим образом:

где l_и длина первого и второго излучающих торцов второй антенны;
l_н.и длина первого и второго неизлучающих торцов второй антенны;
ε_д диэлектрическая проницаемость второго диэлектрического слоя.In addition, to further increase the range of the radar, the length of the first, second radiating ends and the first, second non-radiating ends of the second antenna is correlated as follows:

where l _{and the} length of the first and second radiating ends of the second antenna;
l _{N. and the} length of the first and second non-radiating ends of the second antenna;
ε _{d is the} dielectric constant of the second dielectric layer.

Для повышения КПД модуля второй вход смещения генератора может быть подключен к середине первого неизлучающего торца второй антенны. To increase the efficiency of the module, the second bias input of the generator can be connected to the middle of the first non-radiating end of the second antenna.

Для повышения КПД модуля выход модуля подключен к середине первого неизлучающего торца первой антенны. To increase the efficiency of the module, the output of the module is connected to the middle of the first non-radiating end of the first antenna.

Кроме того, для упрощения технологии изготовления модуля первая и вторая диэлектрические области расположены с примыканием друг к другу и образуют единый диэлектрический слой. In addition, to simplify the manufacturing technology of the module, the first and second dielectric regions are adjacent to each other and form a single dielectric layer.

Предложенный модуль доплеровского радиолокатора имеет следующие новые признаки по сравнению с прототипом: наличие проводящей подложки, а также первой и второй диэлектрических областей, выполнение генератора на транзисторе и второй антенне, прямоугольная форма первой и второй антенн, их взаимное расположение, связи первой и второй антенн с транзистором и смесительным диодом. The proposed Doppler radar module has the following new features in comparison with the prototype: the presence of a conductive substrate, as well as the first and second dielectric regions, the execution of the generator on the transistor and the second antenna, the rectangular shape of the first and second antennas, their relative position, communication of the first and second antennas with transistor and mixing diode.

Выполнение антенн прямоугольной формы и их расположение на диэлектрических областях являются признаками, известными из других технических решений (Microwave Plus Passiv Infrared Detector фирмы Electronics Line (EL) Ltd). The implementation of rectangular antennas and their location on dielectric regions are features known from other technical solutions (Microwave Plus Passiv Infrared Detector of Electronics Line (EL) Ltd).

Наличие второй антенны и транзистора и соответствующие связи между ними позволяют совместить этими элементами функции генерации и излучения СВЧ-сигнала, что приводит к упрощению модуля. The presence of a second antenna and transistor and the corresponding connections between them allow these elements to combine the functions of generating and emitting a microwave signal, which leads to a simplification of the module.

Расположение обеих антенн на одной подложке так, чтобы их излучающие торцы были параллельны, позволяет передавать часть мощности излучения от передающей второй антенны к приемной первой антенне без выполнения волновода и направленного ответвителя. Это приводит к упрощению модуля. The location of both antennas on the same substrate so that their emitting ends are parallel, allows you to transfer part of the radiation power from the transmitting second antenna to the receiving first antenna without performing a waveguide and directional coupler. This leads to a simplification of the module.

Соединение базы транзистора с подложкой, эмиттера транзистора с первым входом смещения генератора, а первого неизлучающего торца второй антенны со вторым входом смещения генератора предназначен для смещения транзистора генератора. Соединение первого вывода смесительного диода с проводящей подложкой, второго вывода с первым излучающим торцом первой антенны, к первому неизлучающему торцу которой подключен выход модуля, предназначено для смещения смесительного диода и вывода информации. Осуществление связей описанным методом исключает необходимость специальных согласующих волноводно-полосковых переходов и волноводов, что позволяет также упростить модуль и повысить дальность его действия, так как на согласующих переходах не теряется мощность СВЧ-излучения. The connection of the base of the transistor with the substrate, the emitter of the transistor with the first input of the generator bias, and the first non-radiating end of the second antenna with the second input of the generator bias is designed to bias the transistor of the generator. The connection of the first output of the mixing diode with a conductive substrate, the second output with the first emitting end of the first antenna, to the first non-emitting end of which the output of the module is connected, is designed to bias the mixing diode and output information. The implementation of the bonds by the described method eliminates the need for special matching waveguide-strip transitions and waveguides, which also allows us to simplify the module and increase its range, since the matching power does not lose microwave radiation.

Выполнение второй антенны с соотношением длин излучающих и неизлучающих торцов, указанным выше, позволяет еще более увеличить дальность действия модуля, так как при этом генератор работает в резонансе. The implementation of the second antenna with the ratio of the lengths of the radiating and non-radiating ends indicated above allows one to further increase the range of the module, since the generator operates in resonance.

Присоединение второго входа смещения генератора и выхода модуля к серединам первых неизлучающих торцов второй и первой антенн соответственно позволяет повысить КПД модуля, так как при этом второй вход смещения генератора и выход модуля присоединяются к точкам антенны, в которых расположен виртуальный нуль потенциала. Расположение контактов в других точках первых неизлучающих торцов закорачивает на землю часть СВЧ-токов, что снижает КПД. Connecting the second input of the generator bias and the output of the module to the midpoints of the first non-radiating ends of the second and first antennas, respectively, can increase the efficiency of the module, since the second input of the generator bias and the output of the module are connected to the antenna points at which the virtual zero of the potential is located. The location of the contacts at other points of the first non-radiating ends shorts part of the microwave currents to the ground, which reduces the efficiency.

Перечисленные признаки не были обнаружены в доступной патентной и технической литературе, где бы они проявляли те же свойства, которые они проявляют в предложенном устройстве, поэтому, по мнению авторов, предложенный модуль соответствует критериям изобретения "неочевидность" и "новизна". The listed features were not found in the patent and technical literature, wherever they showed the same properties that they show in the proposed device, therefore, according to the authors, the proposed module meets the criteria of the invention of "non-obviousness" and "novelty."

На фиг.1 представлен модуль при расположении вторых неизлучающих торцов первой и второй антенн напротив друг друга; на фиг.2 показана электрическая схема модуля при расположении вторых излучающих торцов первой и второй антенн напротив друг друга. Figure 1 shows the module with the location of the second non-radiating ends of the first and second antennas opposite each other; figure 2 shows the electrical circuit of the module with the location of the second radiating ends of the first and second antennas opposite each other.

Модуль доплеровского радиолокатора содержит проводящую подложку 1, первую и вторую диэлектрические области 2, первую антенну 3, вторую антенну 4, транзистор 5, смесительный диод 6, первый вход смещения 7, второй вход смещения 8, выход 9 модуля. Кроме того, на фиг.1 показаны соединительные проводники 10 и плата 11, на которой крепится модуль. The Doppler radar module contains a conductive substrate 1, first and second dielectric regions 2, a first antenna 3, a second antenna 4, a transistor 5, a mixing diode 6, a first bias input 7, a second bias input 8, and a module output 9. In addition, figure 1 shows the connecting conductors 10 and the board 11, on which the module is mounted.

Модуль доплеровского радиолокатора представляет собой доплеровскую систему гетеродинного типа, в которой часть мощности генератора, выполненного на второй антенне 4 и транзисторе 5, принимается в качестве гетеродинной первой антенны 3. The Doppler radar module is a heterodyne type Doppler system in which a part of the power of the generator, made on the second antenna 4 and the transistor 5, is adopted as the first heterodyne antenna 3.

Генерируемые колебания излучаются второй антенной 4 в пространство на частоте f₀. Энергия колебаний, отраженная от движущегося объекта, принимается приемной первой антенной 3 на частоте

и преобразуется в смесителе, выполненном на диоде 6, в напряжение на выходе 9 модуля на частоте:

где V скорость перемещения объекта;
λ_o длина волны, излучаемой второй антенной 4;
f₀ частота волны, излучаемой второй антенной 4;
f_д доплеровская частота.The generated oscillations are emitted by the second antenna 4 into space at a frequency f ₀ . The vibrational energy reflected from a moving object is received by the receiving first antenna 3 at a frequency

and converted in the mixer, made on the diode 6, into the voltage at the output of the module 9 at a frequency:

where V is the velocity of the object;
λ _o the wavelength emitted by the second antenna 4;
f _{0 the} frequency of the wave emitted by the second antenna 4;
f _d Doppler frequency.

Генератор модуля представляет собой автогенератор, выполненный на транзисторе 5, включенном по схеме с общей базой. Коллекторная нагрузка представляет собой резонатор микрополосковую вторую антенну 4. Настройка автогенератора осуществляется изменением длины первого и второго неизлучающих торцов второй антенны 4:

где ε_д относительная диэлектрическая проницаемость второго диэлектрического слоя 2.The module generator is an oscillator made on a transistor 5, connected according to a scheme with a common base. The collector load is a resonator microstrip second antenna 4. The self-oscillator is adjusted by changing the length of the first and second non-radiating ends of the second antenna 4:

where ε _{d is the} relative dielectric constant of the second dielectric layer 2.

Коллектор транзистора 5 непосредственно подключен к первому излучающему торцу второй антенны 4. The collector of the transistor 5 is directly connected to the first radiating end of the second antenna 4.

Развязка транзистора 5 от источников питания эмиттерной и коллекторной цепей по высокой частоте обеспечивается с помощью дросселей (не показано) известным образом (Элементы радиоэлектронной аппаратуры. Радио и связь.М. 1985, вып. 48, с.20, рис.1.15). The decoupling of the transistor 5 from the power sources of the emitter and collector circuits at a high frequency is provided by means of chokes (not shown) in a known manner (Elements of electronic equipment. Radio and communication. M. 1985, issue 48, p.20, Fig. 1.15).

Микрополосковая вторая антенна 4 представляет собой простейший излучатель, состоящий из металлической прямоугольной пластины с размером излучающих торцов l_и.= 0,5λ_o. Диэлектрическая область 2 имеет диэлектрическую проницаемость ε_д 2,5 10,0 и тангенс угла потерь tg≈10^-4 - 10^-3. Толщина области 2 может составлять (0,1 0,01)λ_o.
Условие резонанса такой антенны осуществляется, если

Входное сопротивление на первом излучающем торце составляет несколько сотен Ом.The microstrip second antenna 4 is a simple radiator consisting of a metal rectangular plate with the size of the radiating ends l _and. = 0.5λ _o . The dielectric region 2 has a dielectric constant ε _d 2.5 10.0 and a loss tangent tg≈10 ^-4 - 10 ^-3 . The thickness of region 2 may be (0.1 0.01) λ _o .
The resonance condition of such an antenna is satisfied if

The input resistance at the first radiating end is several hundred ohms.

Приемник СВЧ выполнен на резонансной первой антенне 3 с длиной неизлучающих торцов

, к первому излучающему торцу которой непосредственно подключен смесительный диод 6.The microwave receiver is made on a resonant first antenna 3 with a length of non-radiating ends

, to the first radiating end of which the mixing diode 6 is directly connected.

Основным преимуществом предложенного технического решения по сравнению с прототипом является его простота, так как не требуется волноводов, циркулятора, специального направленного ответвителя, волноводно-полосковых переходов. Предложенный модуль имеет также большую дальность действия по сравнению с прототипом. The main advantage of the proposed technical solution compared to the prototype is its simplicity, since it does not require waveguides, circulators, special directional couplers, waveguide-strip transitions. The proposed module also has a greater range compared to the prototype.

Claims (5)

1. Модуль доплеровского радиолокатора, содержащий генератор, смесительный диод, первую полосковую антенну прямоугольной формы, расположенную на первой диэлектрической пластине, которая установлена на проводящем основании, отличающийся тем, что генератор выполнен на транзисторе и второй полосковой антенне прямоугольной формы, расположенной на второй диэлектрической пластине, которая укреплена на проводящем основании, с которым соединена база транзистора, коллектор которого подключен к первому излучающему торцу второй антенны, а эмиттер является первым входом цепи смещения транзистора, второй вход которой подсоединен к первому неизлучающему торцу второй антенны, первый вывод смесительного диода подключен к проводящему основанию, а второй соединен с первым излучающим торцом первой антенны, к первому неизлучающему торцу которой подключен выход модуля, при этом первый и второй излучающие торцы первой антенны, и первый и второй излучающие торцы второй антенны параллельны, а вторые излучающие торцы первой и второй антенн или вторые неизлучающие торцы первой и второй антенн расположены напротив друг друга. 1. A Doppler radar module comprising a generator, a mixing diode, a first rectangular-shaped strip antenna located on a first dielectric plate that is mounted on a conductive base, characterized in that the generator is made on a transistor and a second rectangular-shaped strip antenna, located on the second dielectric plate , which is mounted on a conductive base with which the base of the transistor is connected, the collector of which is connected to the first radiating end of the second antenna, and the emitter ep is the first input of the bias circuit of the transistor, the second input of which is connected to the first non-radiating end of the second antenna, the first output of the mixing diode is connected to the conductive base, and the second is connected to the first radiating end of the first antenna, to the first non-radiating end of which the output of the module is connected, while the first and the second radiating ends of the first antenna, and the first and second radiating ends of the second antenna are parallel, and the second radiating ends of the first and second antennas or the second non-radiating ends of the first and second enn arranged opposite each other. 2. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что длина l_и излучающего торца и длина l_н . и неизлучающего торца второй полосковой антенны выбраны из соотношения

где ε_д диэлектрическая проницаемость материала диэлектрической пластины, на которой расположена вторая полосковая антенна.2. The module according to claim 1, characterized in that the length l _{and the} radiating end and the length l _{n . and the} non-radiating end face of the second strip antenna are selected from the relation

where ε _{d is the} dielectric constant of the material of the dielectric plate on which the second strip antenna is located. 3. Модуль по п.1 или 2, отличающийся тем, что второй вход цепи смещения генератора подключен к середине первого неизлучающего торца второй полосковой антенны. 3. The module according to claim 1 or 2, characterized in that the second input of the generator bias circuit is connected to the middle of the first non-radiating end of the second strip antenna. 4. Модуль по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что выход модуля подключен к середине первого неизлучающего торца первой полосковой антенны. 4. The module according to claim 1, or 2, or 3, characterized in that the output of the module is connected to the middle of the first non-radiating end of the first strip antenna. 5. Модуль по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что первая и вторая диэлектрические пластины расположены с примыканием друг к другу и образуют единую диэлектрическую подложку. 5. The module according to claim 1, or 2, or 3, or 4, characterized in that the first and second dielectric plates are adjacent to each other and form a single dielectric substrate.

Images