Los principios del radar de frecuencia modulada con una frecuencia portadora constante se utilizan en interferometría para medir la distancia a los objetos y su velocidad. Esto se logra transmitiendo la señal de FM y midiendo la diferencia de frecuencia entre las señales retrasadas recibidas y transmitidas. El enfoque principal de este proyecto fue el desarrollo e implementación de divisores de potencia y circuitos mezcladores. La arquitectura del radar se muestra a continuación.
Arquitectura de radar Doppler
El divisor es un acoplador direccional con líneas de microstrip de cobre conectadas. Cuando una corriente eléctrica fluye a lo largo de la línea de microstrip de la placa de circuito impreso, aparecen campos eléctricos y magnéticos entre los planos de microstrip y tierra en el lado opuesto del sustrato dieléctrico. En el centro de la microstrip, el campo eléctrico es uniforme, pero hacia el borde de la línea de microstrip fluye hacia afuera, propagándose a través de su límite. Este efecto le permite combinar la energía de dos líneas de microstrip ubicadas físicamente una cerca de la otra. En el caso de tomas de corriente y divisores, esto es muy beneficioso, y al ajustar la distancia entre ellos, puede ajustar la cantidad de energía que pasa entre ellos al valor deseado.
Utilizando Qucs, un simulador de circuito universal, los autores calcularon las dimensiones del conector de la microcinta y la propia microcinta en la placa de circuito impreso. Algunos de ellos desempeñaron el papel de transformadores de impedancia de onda de 50 ohmios.
El eje vertical es la atenuación en dB, y el eje horizontal es la frecuencia en Hz.
La curva azul (S11) es la potencia reflejada por el conector minimizada alrededor de la frecuencia fundamental del radar de 2,4 GHz. La curva roja (S13) es la potencia transmitida conectada a través de un acoplador, -12 dB corresponde a aproximadamente el 6% de la potencia. Casi toda la potencia se transmite como se muestra en la curva rosa (S12).
Los autores fabricaron un prototipo sobre un sustrato de fibra de vidrio de microondas FR-1 y midieron los parámetros de dispersión utilizando un analizador de red. El prototipo se muestra a continuación.
Prototipo de divisor
El prototipo creado no estaba sintonizado con precisión a una frecuencia de 2.4 GHz y tenía un coeficiente de reflexión bastante alto (-10 dB), sin embargo, el acoplamiento de potencia (-17 dB) y la transmisión (-7 dB) eran muy decentes. Obviamente, parte de las pérdidas se determinó por la conexión débil entre los conectores SMA y PCB.
El circuito mezclador consiste en un mezclador sumador y un circuito RC de un rectificador de media onda para aislar la envoltura. El mezclador sumador es un combinador de potencia Wilkinson que tiene una excelente propiedad de aislamiento de puertos, los dos puertos de entrada (a la derecha en la figura) se dividen en medias ondas (1.2 GHz) a través del combinador y la resistencia.
El prototipo que se muestra a continuación también se hizo con la misma fibra de vidrio de microondas FR-1. Y de alguna manera resultó ser mucho más estético que el divisor anterior, la atenuación de la señal alcanzó -25 dB a una frecuencia de 2.4 GHz, la atenuación máxima de la señal de aproximadamente -35 dB se observó más cerca de una frecuencia de 3.5 GHz, lo que indica que la longitud del bucle era físicamente demasiado pequeña para las propiedades de nuestro prototipo, resultó no ser exactamente igual a un cuarto de la longitud de onda a una frecuencia de 2.4 GHz.
Mezclador prototipo
Después de probar los prototipos, los autores desarrollaron una placa que combina todos los módulos que se muestran arriba en el diagrama estructural. La placa se grabó en un sustrato de fibra de vidrio FR-4, que tiene aproximadamente la misma permitividad relativa que FR-1.
Imagen del tablero después de grabar con tóner
Refinamiento con aire caliente para eliminar el tóner.
Cuando los autores finalmente terminaron de instalar el tablero y lo conectaron a un generador funcional que suministra el voltaje de sintonía al VCO y a un osciloscopio que mide el voltaje en la salida del mezclador, no pudieron medir ningún tono de latido, incluso con un "cubo" angular altamente reflectante (que se muestra a continuación).
Esquina "cubo" para reflejar la ola
Finalmente, después de verificar casi todas las frecuencias de modulación posibles y colocar la placa en la caja de protección, se descubrió que el movimiento del reflector conducía a un desfase con una frecuencia directamente proporcional a la velocidad del reflector.
Este resultado confirmó que el divisor de potencia y el mezclador funcionaban, por lo que se diseñó el radar Doppler. Un reflector en movimiento crea un desplazamiento Doppler, de modo que la señal recibida tiene una frecuencia diferente de la señal transmitida, que los autores pudieron medir utilizando un mezclador.