Материал: Груба - Системы охранной сигнализации (2012) 10mb

вод – для сужения ДН в какой-либо плоскости необходимо увеличить линейный размер антенны AЛИН в этой же плоскости (AЛИН ≈ λ/θ). Приведенные варианты антенн не исчерпывают все их типы. За бортом остались антенны поверхностных волн, спиральные, линзовые (с диэлектрическими линзами или линзами из металлических пластин). Они более сложны, но возможно – их будущее впереди.

От передающих устройств радиолучевых СО не требуется большая мощность. Вполне достаточные уровни непрерывного излучения находятся в пределах 0,01…1 Вт. Поэтому большинство передатчиков работает на диодах Ганна или биполярных транзисторах СВЧ диапазона, обеспечивающих максимальную простоту устройства. В верхней части СВЧ диапазона применяются лавинно-пролетные диоды (они требуют напряжения питания до 100 В), можно встретить генераторы на полевых СВЧ транзисторах. Необходимо сразу отметить, что частота излучения почти полностью определяется резонансной частотой того контура, в который включен элемент (диод или транзистор). Различные электрические параметры, такие как напряжение питания, позволяют лишь в небольших пределах корректировать частоту генератора.

Диод Ганна имеет вид небольшого керамического цилиндра с двумя жесткими металлическими выводами

на торцах. Через них на диод подается напряжение питания и производится отвод тепла. В ходе работы он может нагреваться до температуры 200°C. Конструкция диода позволяет встраивать его непосредственно в волновод (между широкими стенками) или другой металлический резонатор через специальные пружинные держатели, обеспечивающие надежный электрический и тепловой контакт. Один из выводов питания (общий или земляной) соединяется непосредственно с волноводом (резонатором), он же служит для отвода тепла. Напряжение питания на другой вывод подается через дроссельный ввод, препятствующий выходу СВЧ сигналов в цепи питания. Также существуют диоды Ганна в виде плоских дисков для встраивания в генераторы на полосковых элементах. Основные параметры некоторых диодов приведены в таблице 2.22.4. Некоторые из них (АА721А, АА722А, АА723А, АА724А) отличаются тем, что не требуют защиты от статического электричества.

Стартовый ток диода Ганна примерно в 1,5 раза превышает рабочий. Именно благодаря этой особенности диод переходит в генераторный режим. Максимум потребления приходится на напряжение на диоде 3…4 В, что необходимо учитывать при проектировании источника питания. Генераторы на диодах Ганна работают на частотах до 60 ГГц, перекрывая диапазон излучаемой мощности 0,01…1 Вт при КПД 1…6 %.

Таблица 2.22.4 Диоды Ганна

вводы или сами проводники, по которым на транзисторы подаются напряжение питания и смещения.

Рис. 2.22.22 Транзисторные генераторы СВЧ

Для подобных схем существуют специальные генераторные транзисторы, но их с успехом могут заменять усилительные транзисторы СВЧ диапазона (табл. 2.22.5). Большинство транзисторов имеет миниатюрный дисковый корпус с ленточными выводами в плоскости корпуса. Их удобно устанавливать на платы полосковых конструкций. Транзисторные генераторы обеспечивают излучение небольшой мощности 10…50 мВт, работают в нижней части СВЧ диапазона и эффективны совместно с антеннами широкой ДН. К ним нужны дополнительные элементы усиления и концентрации излучения в заданном направлении, что усложняет устройство ПРД по сравнению с генераторами на диодах Ганна. Транзисторные генераторы подходят для радиолокационных и радиометрических СО.

Таблица 2.22.5 Биполярные СВЧ npn транзисторы

Есть и еще один вариант построения передатчиков. При необходимости можно подобрать СВЧ генератор в виде готового модуля. Стандартный модуль имеет два вывода для подачи однополярного питания, вход управляющего напряжения и выход СВЧ сигнала. Частота выходного сигнала меняется в полтора-два раза. Она пропорциональна величине управляющего напряжения. Номенклатура генераторов, управляемых напряжением, (ГУН) многочисленна. Доступны модули под обычный или поверхностный монтаж. Например, генераторы

фирмы Mini-Circuits (серий POS***, ROS***) или Synergy Microwave (серий DCO***, DCYS***, MFC***) перекрывают диапазон частот от десятков мегагерц до 11 ГГц, обеспечивая выходную мощность 1…40 мВт (0…16 дБм). Широкий диапазон управляющих напряжений (10…20 В) гарантирует возможность точной настройки частоты выходного сигнала. При сравнительно небольших габаритах (10…20 мм) и умеренной стоимости (20…120 $) модули обладают низкими значениями КСВ (1,2…2) и высоким КПД (0,02…0,08).

Основной узел приемника – это детектор, преобразующий СВЧ излучение в низкочастотный аналоговый сигнал, пропорциональный мощности падающего излучения. Детектор встраивается в конструкцию антенны, чтобы избежать потерь и без того ничтожной энергии на пути к преобразователю. Наиболее часто в качестве датчиков излучения используются детекторные диоды диапазона СВЧ, которые при простоте технических решений обеспечивают вполне удовлетворительные характеристики.

Детекторный диод, предназначенный для встраивания в волновод, имеет ту же конструкцию, что и диод Ганна: цилиндрический корпус из керамики и два жестких металлических вывода по бокам. Он встраивается в волновод в точках пучности поля, то есть на расстоянии λ/4, 3λ/4, … от закрытого конца волновода (рис. 2.22.23). Имеются также детекторные диоды с плоскими или проволочными выводами – для монтажа на платы с полосковыми элементами и антеннами.

Рис. 2.22.23 Приемник на детекторном диоде

Поглощая энергию излучения, детекторный диод VD1 генерирует пропорциональный ток. Токовая чувствительность большинства детекторных диодов диапазона 10 ГГц находится в пределах от 0,5 до 5 А/Вт (или, как часто пишут, мкА/мкВт, что одно и то же, но более понятно). Двуханодный стабилитрон VD2 на несколько вольт и конденсатор C1 защищают детекторный диод от статического электричества. В случае работы в импульсном режиме используется разделительный конденсатор C2. Большинство детекторных диодов требует начального смещения по току, которое задается резистором R1 (100…470 кОм – в зависимости от напряжения питания UПИТ). В среднем смещение должно составлять 30…40 мкА, но оно может быть установлено и ниже, и выше – от 10 мкА до 100 мкА. Повышение тока смещения сдвигает рабочую точку на ВАХ диода в сторону ее большей крутизны, то есть уменьшает дифференциальное сопротивление диода, а вместе с ним – и его чувствительность в единицах В/Вт. Среднее значение дифференциального сопротивления составляет 0,8…1,2 кОм (при токе смещения 30…40 мкА), ему соответствует чувствительность

(0,5…5) А/Вт × 1 кОм = (500…5000) В/Вт (или 0,5…5 мВ/ мкВт). При изменении тока смещения дифференциальное сопротивление диода меняется от 300 Ом до 10 кОм, что позволяет регулировать чувствительность детектора в весьма широких пределах. Не следует слишком увлекаться повышением чувствительности за счет малых (менее 20…30 мкА) токов смещения (если это не оговорено специально в документации на диод), так как вместе с этим растут шумы и падает стабильность характеристик. При токе смещения 30…40 мкА уровень шумов на выходе детекторного диода составляет обычно около 1…3 мкВ.

Втехнической литературе можно встретить еще один показатель детекторных диодов – их тангенциальную чувствительность, которая соответствует уровню входной мощности, на 4 дБ (в 2,5 раза) превышающего минимальный детектируемый сигнал. Фактически это наименьший сигнал, который можно отчетливо наблюдать на фоне естественных случайных шумов. Обычно для высокочувствительных детекторных диодов тангенциальная чувствительность достигает – 56дБм (2,5 нВт). Это устанавливает уровень мощности собственных шумов детекторного диода (до 1 нВт).

Вдиапазоне 10 ГГц хорошие результаты обеспечивают детекторные диоды Д602, Д604, 2А202А, 2А203А, обладающие токовой чувствительностью 1,5…5 А/Вт (табл. 2.22.6). Многие смесительные диоды, такие как Д405А, Д408, 2А105, 2А118А (табл. 2.22.7), обеспечивают в режиме детектирования почти такие же значения характеристик, как детекторные диоды, и с успехом могут заменять последние в различных диапазонах частот.

Таблица 2.22.6 Детекторные диоды

Пороговая чувствительность детекторных диодов лежит выше уровня тепловых шумов. При необходимости пороговая чувствительность ПРМ может быть улучшена за счет применения во входных цепях усилительных СВЧ транзисторов (табл. 2.22.5) или модульных усилителей (например, серий MGA-5***, MGA-6***, ABA- 3*** производства Avago Technologies и подобных).

Вообще, в технике СВЧ есть много продуманных и законченных элементов и узлов – антенн, генераторов, усилителей, детекторов, согласующих линий. Чтобы получить готовое устройство, достаточно собрать их в

Таблица 2.22.7 Смесительныеные диоды

единое целое, добавить низкочастотный БО и подать питание.

Соберем радиолучевое СО из рассмотренных выше отдельных компонентов. В качестве ПРД используем генератор частотой 10 ГГц на диоде Ганна АА715В (рис. 2.22.19, 2.22.20) с выходной мощностью WПРД = 100 мВт, который встроен в прямоугольный волновод 23×10 мм, совмещенный с рупорной антенной из примера (раскрыв A×B = 210×140 мм, усиление G = 300). Использовав в приемнике точно такую же антенну с детекторным диодом 2А202А, для диапазона длин участка L = 5…100 м получим оценку величины принимаемой мощности WПРМ0 = WПРД×(Gλ/4πL)2 = 5,1×10– 6…2,0×10–3 Вт. С учетом постоянного ослабляющего действия двух крышек, защищающих раскрывы антенн, (каждая по 1,5 дБ) и переменного – дождя, пыли, грязи (до 7 дБ) – получим окончательно диапазон мощности излучения, поступающего на вход приемного детекторного диода, WПРМ = 0,5×10–6…1×10–3 Вт. Он превышает порог чувствительности детектора (1 нВт). Следовательно, в принципе можно было бы либо снизить мощность излучателя, либо уменьшить размеры антенн, либо увеличить длину участка, хотя всегда лучше иметь запас, чем рассчитывать на благоприятное стечение обстоятельств. Установив слегка пониженный ток смещения диода около 20 мкА и соответствующую ему чувствительность 5 мВ/мкВт, получим на выходе детектора в дежурном режиме сигнал, равный UВЫХ = 2,5 мВ…5 В (в зависимости от L) при уровне собственных шумов в несколько микровольт. При непрерывной работе генератора это будет постоянный уровень, при импульсной – последовательность импульсов амплитудой UВЫХ. Естественно, максимальное значение будет менее 5 В, оно не превысит десятых долей вольта, так как реальная характеристика диода нелинейна, а чувствительность 5 мВ/мкВт соответствует минимальным уровням входной мощности. Вид полез-

ного сигнала (или его огибающей – в импульсном режиме работы) будет соответствовать рис. 2.22.3.

Теперь не составляет труда изобразить блок-схему всего радиолучевого СО в целом (рис. 2.22.24). Сигнал с выхода СВЧ детектора (СВЧ-Д) поступает на усилитель с переменным управляемым коэффициентом усиления KУС = 1…2000. С его выхода – на детектор огибающей (ДО) – конечно, если сигнал импульсный. Сигнал с выхода ДО управляет значением KУС таким образом, чтобы в дежурном режиме на выходе ДО устанавливался постоянный уровень, примерно равный половине напряжения питания (4…5 В). Если уровень повышается, то KУС уменьшается и наоборот. Постоянная времени АРУ составляет 20…40 с, чтобы подстраиваться под медленные естественные изменения уровня сигнала. Полосовой фильтр (ПФ) пропускает полезные сигналы в диапазоне, соответствующем ожидаемым длительностям выбросов полезного сигнала. Длительности выбросов оцениваются путем анализа зон Френеля. Компаратор (К1) срабатывает, если наблюдается выброс с глубиной модуляции больше заданной mПОР, а его длительность превышает минимально возможную. Величина mПОР устанавливается в пределах mПОР = 0,2…0,9 в зависимости от длины участка L (чем больше L, тем меньше mПОР, – как следует из анализа зон Френеля). При необходимости может быть введена цепь автоматической установки порога mПОР в зависимости от величины KУС АРУ, который пропорционален L. Срабатывание К1 активирует реле тревоги (РТ). Если сигнал U0 на выходе ДО отсутствует в течение длительного времени (более, чем время отработки АРУ), это говорит либо о неисправности ПРД или СВЧ-Д, либо об умышленном воздействии на СО. Тогда срабатывает компаратор (К2), контролирующий наличие огибающей, а он – инициирует размыкание РТ на весь период отсутствия огибающей. На анализ уходит значительное время, его можно сократить, если принимать решение сразу при достижении KУС максимального значения (при отсутствии требуемого уровня на выходе ДО). И наконец, должна быть предусмотрена цепь отключения (О) АРУ на время регулировки и настройки блоков, иначе не удастся найти их оптимальной ориентации.

Рис. 2.22.24 Блок-схема радиолучевого СО

Основные достоинства радиолучевых СО:

—высокая помехоустойчивость при воздействии различных метеорологических факторов: осадков, ветра, тумана, давления, температуры;

—высокая помехоустойчивость к воздействию различных электромагнитных помех и наводок от промышленных и производственных машин и механизмов, частоты которых лежат ниже диапазона СВЧ;

—отсутствие срабатываний при передвижении в ЗО мелких животных;

—маскируемость; хотя антенны передатчика и приемника, размещаемые на концах участка, выступают над поверхностью земли, сама ЗО явно не видна и ничем не обозначена; при установке в парковых, музейных или административных зонах стойки с передатчиками и приемниками без труда камуфлируются под окружающие предметы, урны, фонари, таблички;

—низкая стоимость аппаратуры;

—постоянный контроль исправности всех блоков СО;

—простота монтажа и последующего обслуживания.

Основные недостатки радиолучевых СО:

—возможность установки только на прямолинейных участках; если рубеж охраны состоит из нескольких прямолинейных отрезков, то на каждый отрезок понадобится отдельное СО;

—необходимость выравнивания участков перед установкой СО, в том числе в горизонтальной плоскости; привлечение строительной техники увеличивает затраты на этапе монтажа; отклонение от прямой линии по высоте более 0,5 м на длине участка 100 м, практически незаметное на глаз, может привести к появлению мертвой зоны, достаточной для беспрепятственного прохода человека; высота или глубина неровностей не должна превышать 0,3…0,5 м;

—наличие травы или растительности в ЗО может приводить к ложным срабатываниям в ветреную погоду;

—снежный покров поднимает траекторию движения нарушителя над зоной обнаружения датчика; необходимо либо убирать выпавший слой снега либо поднимать приемники и передатчики на стойках с последующей юстировкой; стойки должны иметь запас высоты, соответствующий ожидаемому уровню снега;

—наличие мертвых зон вблизи от передатчика и приемника – для передвижения согнувшись; если длина охраняемого рубежа превышает дальность отдельного СО, то их следует устанавливать с перекрытием;

—необходимость тщательной юстировки направ-

ленности передатчика и приемника, от которой во многом зависит устойчивость работы СО.

Типичное радиолучевое СО обладает следующими показателями. Длина участка – до 100…500 м; ширина ЗО в середине участка – до 2…5 м; вероятность обнаружения – 0,95…0,98; время наработки на ложную тревогу – 200…1000 часов; время наработки на отказ – 10…60 тыс. часов; частота излучения – 9…18 ГГц; напряжение питания – 10…30 В; потребляемый ток – 20…150 мА; рабочая температура – от минус 50°C до плюс 50°C; погонная стоимость аппаратуры (без монтажа, при максимальной длине участка) – 90…900 руб./м (3…30 $/м).