Радіохвильовий сенсор

Реферат: Радіохвильовий сенсор належить до радіотехніки, а саме до пристроїв автоматики і сигналізації, і може використовуватись, зокрема, в системах охоронної сигналізації та керування швидкістю транспортних засобів, а також в галузі атогенераторних вимірювань та біомедичного моніторингу. Радіохвильовий сенсор, до складу якого входять діелектрична підкладка, на одній стороні якої розміщено металевий екран, а на іншій перший прямокутний мікросмужковий випромінювач, транзистор, реактивні елементи коливальної системи, фільтри розв'язки в колах живлення транзистора на відрізках мікросмужкових ліній, перший короткозамикач та дисковий діелектричний резонатор. Додатково містить другий прямокутний мікросмужковий випромінювач, відрізок з'єднувальної мікросмужкової лінії та два надвисокочастотні змішувальні діоди з колами виділення інформаційного сигналу. Технічним результатом є зниження впливу внутрішніх шумів та зовнішніх електромагнітних наводок на інформаційний сигнал, що дозволяє підвищити чутливість і таким чином покращуються технічні характеристики та розширюються функціональні можливості радіохвильового сенсора. UA 105316 C2 (12) UA 105316 C2 UA 105316 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до радіотехніки і може бути використаний як радіохвильовий сенсор для пристроїв автоматики і сигналізації, зокрема в системах охоронної сигналізації та керування швидкістю транспортних засобів, а також в галузі автогенераторних вимірювань. Найближчою за технічною суттю до запропонованої є інтегрована антена-автогенератор [патент на винахід України № 88503, Н01Q23/00, Н04В1/04, 26.10.2009, Інтегрована антенаавтогенератор], до складу якої входять діелектрична підкладка, на одній стороні якої розміщено металевий екран, а на іншій перший прямокутний мікросмужковий випромінювач, транзистор, реактивні елементи коливальної системи, фільтри розв'язки в колах живлення транзистора на відрізках мікросмужкових ліній, перший короткозамикач, та дисковий діелектричний резонатор, який забезпечує стабілізацію параметрів автогенератора. Відома інтегрована антена-автогенератор є відкритою автоколивальною системою, тому будь-яка зміна умов випромінювання викликана появою стороннього об'єкта, параметри якого відрізняються від параметрів навколишнього середовища, призведе до виникнення інформаційного сигналу, у вигляді зміни частоти генерованих коливань та струму споживання, що дозволяє створити на її основі високоефективний радіохвильовий сенсор, який можна використати при побудові охоронних пристроїв, при проведенні автогенераторних вимірювань та біомедичного моніторингу. Однак чутливість радіохвильових сенсорів, виконаних на основі інтегрованих антенавтогенераторів, обмежується впливом внутрішніх шумів автогенератора та зовнішніх електромагнітних наводок, що призводить до похибок при проведенні вимірювань і може стати причиною хибних спрацювань. В основу винаходу поставлено задачу створити радіохвильовий сенсор у якому введення нових елементів і зв'язків дозволило б компенсувати внутрішні шуми автогенератора та зовнішні електромагнітні наводки, що дозволить підвищити його чутливість в цілому. Радіохвильовий сенсор, до складу якого входять діелектрична підкладка, на одній стороні якої розміщено металевий екран, а на іншій перший прямокутний мікросмужковий випромінювач, транзистор, реактивні елементи коливальної системи, фільтри розв'язки в колах живлення транзистора на відрізках мікросмужкових ліній, перший короткозамикач, та дисковий діелектричний резонатор, згідно з винаходом, додатково містить другий прямокутний мікросмужковий випромінювач, відрізок з'єднувальної мікросмужкової лінії, перший надвисокочастотний змішувальний діод, першу контактну площадку, перший резистор і перший конденсатор, першу заземлюючу площадку, другий і третій короткозамикачі, другий надвисокочастотний змішувальний діод, другу контактну площадку, другий резистор і другий конденсатор, другу заземлюючу площадку, четвертий і п'ятий короткозамикачі, при цьому другий прямокутний мікросмужковий випромінювач встановлений на діелектричній підкладці, внутрішньою невипромінюючою стороною до внутрішньої невипромінюючої сторони першого прямокутного мікросмужкового випромінювача, а відрізок з'єднувальної мікросмужкової лінії одним кінцем під'єднано по середині внутрішньої невипромінюючої сторони другого прямокутного мікросмужкового випромінювача, а іншим кінцем до першого прямокутного мікросмужкового випромінювача зі зміщенням від середини його внутрішньої невипромінюючої сторони, перший надвисокочастотний змішувальний діод, який анодом під'єднано до одного з кутів другого прямокутного мікросмужкового випромінювача з зовнішньої невипромінюючої сторони, а катодом до першої контактної площадки до якої також під'єднано перші виводи першого резистора і першого конденсатора, другі виводи яких під'єднано до першої заземлюючої площадки, яка за допомогою другого і третього короткозамикачів з'єднана з екраном, другий надвисокочастотний змішувальний діод, який анодом під'єднано до іншого кута другого прямокутного мікросмужкового випромінювача з зовнішньої невипромінюючої сторони, а катодом до другої контактної площадки до якої також під'єднано перші виводи другого резистора і другого конденсатора, другі виводи яких під'єднано до другої заземлюючої площадки, яка за допомогою четвертого і п'ятого короткозамикачів з'єднана з екраном. Введення другого прямокутного мікросмужкового випромінювача, відрізка з'єднувальної мікросмужкової лінії, першого надвисокочастотного змішувального діода, першої контактної площадки, першого резистора і першого конденсатора, першої заземлюючої площадки, другого і третього короткозамикачів, другого надвисокочастотного змішувального діода, другої контактної площадки, другого резистора і другого конденсатора, другої заземлюючої площадки, четвертого і п'ятого короткозамикачів дозволяє утворити балансний амплітудно-фазовий змішувач, для якого опорним сигналом є надвисокочастотні коливання інтегрованої антениавтогенератора, які надходять на нього і прикладені до першого і другого надвисокочастотних змішувальних діодів з однаковою амплітудою і фазою за рахунок підключення відрізка з'єднувальної мікросмужкової лінії по середині внутрішньої невипромінюючої сторони другого 1 UA 105316 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 прямокутного мікросмужкового випромінювача. Відбитий від рухомого об'єкта надвисокочастотний сигнал приймається другим прямокутним мікросмужковим випромінювачем і розподіляється між цими ж надвисокочастотними змішувальними діодами у протифазі. У результаті, в такого радіохвильового сенсора на обох виходах балансного амплітуднофазового змішувача напруга шуму інтегрованої антени-автогенератора і напруга зовнішніх наводок буде синфазною, а інформаційний сигнал, наведений стороннім об'єктом протифазний. При подальшій подачі такого сигналу на схему віднімання, виконаній наприклад на операційному підсилювачі, відбудеться взаємна компенсація напруги шумів і наводок та підсилення інформаційного сигналу, що покращить технічні характеристики пристрою в цілому. На кресленні зображена інтегрована антена-автогенератор, де 1 - діелектрична підкладка, 2 - металевий екран, 3 - перший прямокутний мікросмужковий випромінювач, 4 - транзистор, 5, 6реактивні елементи коливальної системи, 7, 8, 9, 10 - фільтри розв'язки в колах живлення транзистора на відрізках мікросмужкових ліній, 11 - перший короткозамикач, 12 дисковий діелектричний резонатор, 13 - другий прямокутний мікросмужковий випромінювач, 14 - відрізок з'єднувальної мікросмужкової лінії, 15 - перший надвисокочастотний змішувальний діод, 16 перша контактна площадка, 17 - перший резистор, 18 - перший конденсатор, 19 - перша заземлююча площадка, 20 - другий короткозамикач, 21 - третій короткозамикач, 22 - другий надвисокочастотний змішувальний діод, 23 - друга контактна площадка, 24 - другий резистор, 25 - другий конденсатор, 26 - друга заземлююча площадка, 27 - четвертий короткозамикач, 28 п'ятий короткозамикач. Радіохвильовий сенсор, містить діелектричну підкладку 1, на одній стороні якої розміщено металевий екран 2, а на іншій перший прямокутний мікросмужковий випромінювач 3, до випромінюючої сторони якого підключено колектор транзистора 4, реактивні елементи коливальної системи 5 і 6, які підключені до бази і до емітера транзистора 4, фільтри розв'язки в колах живлення бази і емітера транзистора на відрізках мікросмужкових ліній 7,8, 9 і 10, перший короткозамикач 11, який через отвір в діелектричній підкладці 2 з'єднує центр першого мікросмужкового випромінювача 3 з екраном 2 і замикає коло для протікання постійної складової колекторного струму транзистора 4, дисковий діелектричний резонатор 12, який встановлений на діелектричній підкладці 1 між випромінюючою стороною першого прямокутного мікросмужкового випромінювача 3 і розімкненим кінцем відрізка мікросмужкової лінії 6, другий кінець якої з'єднаний з емітером транзистора 4, другий прямокутний мікросмужковий випромінювач 13, який встановлено на діелектричній підкладці 1, внутрішньою невипромінюючою стороною до внутрішньої невипромінюючої сторони першого прямокутного мікросмужкового випромінювача 3, а відрізок з'єднувальної мікросмужкової лінії 14 одним кінцем під'єднано по середині внутрішньої невипромінюючої сторони другого прямокутного мікросмужкового випромінювача 13, а іншим кінцем до першого прямокутного мікросмужкового випромінювача 3 зі зміщенням від середини його внутрішньої невипромінюючої сторони, перший надвисокочастотний змішувальний діод 15, який анодом під'єднано до одного з кутів другого прямокутного мікросмужкового випромінювача 13 з зовнішньої невипромінюючої сторони, а катодом до першої контактної площадки 16, яка одночасно є першим виходом інформаційного сигналу і до якої також під'єднано перші виводи першого резистора 17 і першого конденсатора 18, другі виводи яких під'єднано до першої заземлюючої площадки 19, яка за допомогою другого і третього короткозамикачів 20 і 21, з'єднана з екраном 2, другий надвисокочастотний змішувальний діод 22, який анодом під'єднано до іншого кута другого прямокутного мікросмужкового випромінювача 13 з зовнішньої невипромінюючої сторони, а катодом до другої контактної площадки 23, яка одночасно є другим виходом інформаційного сигналу і до якої також під'єднано перші виводи другого резистора 24 і другого конденсатора 25, другі виводи яких під'єднано до другої заземлюючої площадки 26, яка за допомогою четвертого і п'ятого короткозамикачів 27 і 28 з'єднана з екраном 2. Колектор транзистора 4 гальванічно під'єднано до однієї з випромінюючих сторін першого мікросмужкового випромінювача 3, до бази транзистора 4 під'єднано реактивний елемент коливальної системи на відрізку мікросмужкової лінії 5, який має ємнісний характер вхідного імпедансу, до емітера транзистора 4 під'єднано реактивний елемент коливальної системи на відрізку мікросмужкової лінії 6, який також має ємнісний характер вхідного імпедансу. Ємнісний характер вхідних імпедансів забезпечується тим, що відповідні відрізки мікросмужкових ліній є розімкнені на кінці, а їх довжини є меншими /4 ( - довжина робочої хвилі в мікросмужковій лінії). Живлення кола бази транзистора 4 за постійним струмом здійснюється за допомогою фільтра розв'язки на відрізках мікросмужкових ліній 7 і 8. Довжини обох відрізків становлять /4 у відповідній лінії. При цьому один кінець відрізка мікросмужкової лінії 7 під'єднано безпосередньо до бази транзистора 4, а до другого кінця відрізка мікросмужкової лінії 7 2 UA 105316 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 під'єднано відрізок мікросмужкової лінії 8. Відрізок мікросмужкової лінії 7 має великий хвильовий опір, а відрізок мікросмужкової лінії 8 - малий. Напруга живлення кола бази транзистора 4 подається в спільну точку з'єднання відрізків мікросмужкових ліній 7 і 8. Живлення кола емітера транзистора 4 здійснюється за допомогою аналогічного фільтра розв'язки по живленню на відрізках мікросмужкових ліній 9 і 10, довжиною /4 у відповідній лінії. При цьому один кінець відрізка мікросмужкової лінії 9 під'єднано безпосередньо до емітера транзистора 4, а до другого кінця мікросмужкової лінії 9 під'єднано відрізок мікросмужкової лінії 10. Відрізок мікросмужкової лінії 9 має великий хвильовий опір, а відрізок мікросмужкової лінії 10 - малий. Напруга живлення кола емітера транзистора 4 подається в спільну точку з'єднання мікросмужкових ліній 9 і 10. Перший короткозамикач 11 забезпечує замикання постійної складової колекторного струму транзистора 4 за рахунок гальванічного з'єднання центру першого мікросмужкового випромінювача 3 з екраном 2 через отвір в діелектричній підкладці 1. Перший короткозамикач 11 не впливає на параметри першого мікросмужкового випромінювача 3 на робочій частоті, оскільки напруженість електромагнітного поля в центрі першого мікросмужкового випромінювача 3 дорівнює нулю. Дисковий діелектричний резонатор 12, встановлений на діелектричній підкладці 2 між випромінюючою стороною першого прямокутного мікросмужкового випромінювача 3 і розімкненим кінцем відрізка мікросмужкової лінії 6, другий кінець якої з'єднаний з емітером транзистора 4 і тому має електромагнітний зв'язок з коливальною системою інтегрованої антени-автогенератора, у результаті чого підвищується стабільність генерованих коливань. Другий прямокутний мікросмужковий випромінювач 13 встановлений на діелектричній підкладці 1, внутрішньою невипромінюючою стороною до внутрішньої невипромінюючої сторони першого прямокутного мікросмужкового випромінювача 3, а відрізок з'єднувальної мікросмужкової лінії 14 одним кінцем під'єднано по середині внутрішньої невипромінюючої сторони другого прямокутного мікросмужкового випромінювача 13, а іншим кінцем до першого прямокутного мікросмужкового випромінювача 3 зі зміщенням від середини його внутрішньої невипромінюючої сторони. Відрізок з'єднувальної мікросмужкової лінії 14 забезпечує подачу опорного сигналу на надвисокочастотні змішувальні діоди 15 і 22. Під'єднання з'єднувальної мікросмужкової лінії 14 одним кінцем по середині внутрішньої невипромінюючої сторони другого прямокутного мікросмужкового випромінювача 13 забезпечує синфазність опорного сигналу на обох надвисокочастотних змішувальних діодах 15 і 22. Опорний сигнал поступає з першого прямокутного мікросмужкового випромінювача 3, а його рівень визначається величиною зміщення місця під'єднання іншого кінця з'єднувальної мікросмужкової лінії 14 від середини внутрішньої невипромінюючої сторони першого прямокутного мікросмужкового випромінювача 3. Перший надвисокочастотний змішувальний діод 15 анодом під'єднано до одного з кутів другого прямокутного мікросмужкового випромінювача 13 з зовнішньої невипромінюючої сторони, а катодом до першої контактної площадки 16, яка разом з екраном 2 утворюють перший вихід інформаційного сигналу. До першої контактної площадки 16 також під'єднано перші виводи першого резистора 17 і першого конденсатора 18, другі виводи яких під'єднано до першої заземлюючої площадки 19, яка за допомогою другого і третього короткозамикачів 20 і 21, гальванічно з'єднана з екраном 2. У результаті постійна складова струму першого надвисокочастотного змішувального діода 15 замикається по такому колу: екран 2, перший короткозамикач 11, перший прямокутний мікросмужковий випромінювач 3, відрізок з'єднувальної мікросмужкової лінії 14, другий прямокутний мікросмужковий випромінювач 13, перший надвисокочастотний змішувальний діод 15, перша контактна площадка 16, резистор 17, заземлююча площадка 19, включені паралельно другий і третій короткозамикачі 20 і 21, екран 2. Високочастотна складова відфільтровується за допомогою конденсатора 18, який включено паралельно до резистора 17. У результаті контактна площадка 16 разом з екраном 2 є першим виходом інформаційного сигналу. Другий надвисокочастотний змішувальний діод 22 анодом під'єднано до іншого кута другого прямокутного мікросмужкового випромінювача 13 з зовнішньої невипромінюючої сторони, а катодом до другої контактної площадки 23, яка разом з екраном 2 утворюють другий вихід інформаційного сигналу. До першої контактної площадки 23 також під'єднано перші виводи другого резистора 24 і другого конденсатора 25, другі виводи яких під'єднано до другої заземлюючої площадки 26, яка за допомогою четвертого і п'ятого короткозамикачів 27 і 28, гальванічно з'єднана з екраном 2. У результаті постійна складова струму другого надвисокочастотного змішувального діода 22 замикається по такому колу: екран 2, перший короткозамикач 11, перший прямокутний мікросмужковий випромінювач 3, відрізок 3 UA 105316 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 з'єднувальної мікросмужкової лінії 14, другий прямокутний мікросмужковий випромінювач 13, другий надвисокочастотний змішувальний діод 22, друга контактна площадка 23, резистор 24, заземлююча площадка 26, включені паралельно четвертий і п'ятий короткозамикачі 27 і 28, екран 2. Високочастотна складова відфільтровується за допомогою конденсатора 25, який включено паралельно до резистора 24. У результаті контактна площадка 23 разом з екраном 2 є другим виходом інформаційного сигналу. За рахунок введення другого прямокутного мікросмужкового випромінювача 13, відрізка з'єднувальної мікросмужкової лінії 14, першого надвисокочастотного змішувального діода 15, першої контактної площадки 16, першого резистора 17 і першого конденсатора 18, першої заземлюючої площадки 19, другого і третього короткозамикачів 20 і 21, другого надвисокочастотного змішувального діода 22, другої контактної площадки 23, другого резистора 24 і другого конденсатора 25, другої заземлюючої площадки 26, четвертого і п'ятого короткозамикачів 27 і 28 утворюється балансний амплітудно-фазовий змішувач для якого опорним сигналом є надвисокочастотні коливання інтегрованої антени автогенератора радіохвильового сенсора, які надходять на нього за допомогою відрізка з'єднувальної мікросмужкової лінії 14 і прикладені до обох надвисокочастотних змішувальних діодів 15 і 22 з однаковою амплітудою і фазою. Відбитий від рухомого об'єкта надвисокочастотний сигнал приймається другим прямокутним мікросмужковим випромінювачем 13 і розподіляється між першим і другим надвисокочастотними змішувальними діодами 15 і 22 у протифазі. У результаті, в запропонованому радіохвильовому сенсорі, напруга шуму інтегрованої антени-автогенератора і напруга зовнішніх наводок на обох виходах балансного амплітуднофазового змішувача буде синфазною, а інформаційний сигнал, викликаний стороннім об'єктом протифазний. При подачі цих сигналів на схему віднімання, реалізовану, наприклад, на операційному підсилювачі, відбудеться взаємна компенсація напруги шумів і наводок та підсилення інформаційного сигналу, що покращить технічні характеристики пристрою в цілому. Пристрій працює наступним чином. При ємнісному характері вхідних імпедансів реактивних елементів коливальної системи на відрізках мікросмужкових ліній 5 і 6 і індуктивному характері вхідного імпедансу мікросмужкового випромінювача 3, до якого під'єднано колектор транзистора 4, утворюється модифікована ємнісна триточкова схема автогенератора. Живлення транзистора 4 за постійним струмом забезпечується за допомогою елементів 7, 8, 9, 10, і 11. Шляхом вибору співвідношення між вхідними імпедансами реактивних елементів коливальної системи на відрізках мікросмужкових ліній 5 і 6, що реалізується підбором довжин відповідних відрізків, забезпечується виконання умови генерування автоколивань, які випромінюються в навколишній простір першим мікросмужковим випромінювачем 3, частина енергії цих коливань через відрізок з'єднувальної мікросмужкової лінії 14 і другий прямокутний мікросмужковий випромінювач 13 з однаковою амплітудою і фазою надходить на надвисокочастотні змішувальні діоди 15 і 22. При появі в полі випромінювання радіохвильового сенсора стороннього об'єкта енергія відбитих від нього надвисокочастотних коливань приймається другим прямокутним мікросмужковим випромінювачем і розподіляється в ньому так, що на надвисокочастотні змішувальні діоди 15 і 22 вона поступає з однаковою амплітудою, але протилежними фазами. У результаті, на обох контактних площадках 16 і 22 відносно екрана 2 одночасно присутні сума інформаційного сигналу, викликаного стороннім об'єктом, шуми автогенератора та напруга електромагнітної наводки. При цьому інформаційні сигнали на обох контактних площадках 16 і 22 будуть мати протилежну фазу, а шуми автогенератора та напруга електромагнітної наводки однакову. Подальша подача цих сигналів на схему віднімання, реалізована, наприклад, на операційному підсилювачі, забезпечить взаємну компенсацію напруги шумів і наводок та підсилення інформаційного сигналу, що покращить технічні характеристики пристрою в цілому. Запропоноване технічне рішення дозволяє знизити вплив внутрішніх шумів автогенератора радіохвильового сенсора та напруги зовнішніх електромагнітних наводок на інформаційний сигнал, що є важливим при побудові охоронних пристроїв, при проведенні автогенераторних вимірювань та біомедичного моніторингу. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 60 Радіохвильовий сенсор, до складу якого входять діелектрична підкладка, на одній стороні якої розміщено металевий екран, а на іншій перший прямокутний мікросмужковий випромінювач, транзистор, реактивні елементи коливальної системи, фільтри розв'язки в колах живлення транзистора на відрізках мікросмужкових ліній, перший короткозамикач, та дисковий діелектричний резонатор, який відрізняється тим, що додатково містить другий прямокутний 4 UA 105316 C2 5 10 15 20 мікросмужковий випромінювач, відрізок з'єднувальної мікросмужкової лінії, перший надвисокочастотний змішувальний діод, першу контактну площадку, перший резистор і перший конденсатор, першу заземлюючу площадку, другий і третій короткозамикачі, другий надвисокочастотний змішувальний діод, другу контактну площадку, другий резистор і другий конденсатор, другу заземлюючу площадку, четвертий і п'ятий короткозамикачі, при цьому другий прямокутний мікросмужковий випромінювач встановлений на діелектричній підкладці, внутрішньою невипромінюючою стороною до внутрішньої невипромінюючої сторони першого прямокутного мікросмужкового випромінювача, а відрізок з'єднувальної мікросмужкової лінії одним кінцем під'єднано по середині внутрішньої невипромінюючої сторони другого прямокутного мікросмужкового випромінювача, а іншим кінцем до першого прямокутного мікросмужкового випромінювача зі зміщенням від середини його внутрішньої невипромінюючої сторони, перший надвисокочастотний змішувальний діод, який анодом під'єднано до одного з кутів другого прямокутного мікросмужкового випромінювача з зовнішньої невипромінюючої сторони, а катодом до першої контактної площадки до якої також під'єднано перші виводи першого резистора і першого конденсатора, другі виводи яких під'єднано до першої заземлюючої площадки, яка за допомогою другого і третього короткозамикачів з'єднана з екраном, другий надвисокочастотний змішувальний діод, який анодом під'єднано до іншого кута другого прямокутного мікросмужкового випромінювача з зовнішньої невипромінюючої сторони, а катодом до другої контактної площадки, до якої також під'єднано перші виводи другого резистора і другого конденсатора, другі виводи яких під'єднано до другої заземлюючої площадки, яка за допомогою четвертого і п'ятого короткозамикачів з'єднана з екраном. Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5