Принципы частотно-модулированной радиолокации с постоянной частотой несущей используются в интерферометрии для измерения расстояния до объектов и их скорости. Это достигается путём передачи ЧМ сигнала и измерения разницы в частоте между задержанным принятым и передаваемым согналами. Основное внимание в этом проекте было уделено разработке и внедрению схем делителя мощности и микшера. Архитектура радара показана ниже.
Архитектура радара на допплеровском эффекте
Разветвитель представляет собой направленный ответвитель со связанными медными микрополосковыми линиями. Когда электрический ток проходит по микрополосковой линии печатной платы, появляются электрическое и магнитное поля между микрополосковой и заземляющей плоскостями на противоположной стороне диэлектрической подложки. В центре микрополоски электрическое поле однородно, но по направлению к краю микрополосковой линии оно перетекает наружу, распространяясь через её границу. Этот эффект позволяет объединять энергию двух микрополосковых линий, физически расположенных близко друг к другу. В случае силовых ответвителей и сплиттеров это весьма выгодно, и, регулируя расстояние между ними, можно отрегулировать количество энергии, проходящее между ними, до желаемой величины.
Используя Qucs — универсальный симулятор цепи, авторы рассчитали размеры для микрополоскового соединителя и самих микрополосок на печатной плате. Часть из них выполняли роль трансформаторов волнового сопротивления 50 Ом.
Вертикальная ось — это величина затухания в дБ, а горизонтальная ось — это частота в Гц.
Синяя кривая (S11) — это мощность, отражаемая соединителем, минимизируемая вокруг основной частоты радара 2,4 ГГц. Красная кривая (S13) — это передаваемая мощность, подключённая через ответвитель, -12 дБ соответствует примерно 6% мощности. Почти вся мощность передаётся, как показано розовой кривой (S12).
Авторы изготовили опытный образец на подложке из СВЧ стеклотекстолита FR-1 и измерили параметры рассеяния с помощью сетевого анализатора. Прототип показан ниже.
Прототип разветвителя
Созданный прототип не был точно настроен на частоту 2,4 ГГц и имел достаточно высокий коэффициент отражения (-10 дБ), однако связь по мощности (-17 дБ) и передача (-7 дБ) были очень приличными. Часть потерь очевидно определялась слабой связью между разъёмами SMA и PCB.
Схема микшера состоит из суммирующего микшера и RC-цепи полуволнового выпрямителя для выделения огибающей. Суммирующий микшер — это силовой сумматор Уилкинсона, который обладает прекрасным свойством изоляции портов, два входных порта (справа на рисунке) разделены на полволны (1,2 ГГц) через сумматор и резистор.
Прототип, изображенный ниже, был также изготовлен из того же СВЧ стеклотекстолита FR-1. И он каким-то образом оказался намного более эстетичным, чем приведённый выше разветвитель, ослабление сигнала достигла -25 дБ на частоте 2,4 ГГц, максимальное значение ослабления сигнала около -35 дБ наблюдалась ближе к частоте 3,5 ГГц, что указывает на то, что длина петли была физически слишком мала для свойств нашего прототипа, она получилась не совсем равной четверти длины волны на частоте 2,4 ГГц.
Прототип микшера
После тестирования прототипов авторы разработали плату, объединяющую все модули, показанные выше на структурной схеме. Плата была вытравлена на подложке из стеклотекстолита FR-4, которая имеет примерно такую же относительную диэлектрическую проницаемость, как и FR-1.
Изображение платы после травления с тонером
Доработка горячим воздухом для удаления тонера
Когда авторы наконец закончили монтаж платы и подключили её к функциональному генератору, подающему напряжение настройки на ГУН и к осциллографу, измеряющему напряжение на выходе микшера, они не смогли измерить никакого тона биений, даже с высокоотражающим металлическим угловым «кубом» (показан ниже).
Угловой «куб» для отражения волны
В конечном итоге после проверки практически всех возможных частот модуляции и размещения платы в экранирующую коробку, было установлено, что перемещение отражателя приводило к биению с частотой, прямо пропорциональной скорости движения отражателя.
Этот результат подтвердил, что делитель мощности и микшер работали, таким образом был спроектирован допплеровский радар. Движущийся отражатель создает допплеровский сдвиг, так что принимаемый сигнал имеет частоту, отличную от передаваемого сигнала, которую авторы смогли измерить с помощью микшера.
