Die Prinzipien des frequenzmodulierten Radars mit konstanter Trägerfrequenz werden in der Interferometrie verwendet, um die Entfernung zu Objekten und deren Geschwindigkeit zu messen. Dies wird erreicht, indem das FM-Signal gesendet und die Frequenzdifferenz zwischen dem verzögert empfangenen und dem gesendeten Signal gemessen wird. Das Hauptaugenmerk dieses Projekts lag auf der Entwicklung und Implementierung von Leistungsteiler- und Mischerschaltungen. Die Architektur des Radars ist unten dargestellt.
Doppler-Radar-Architektur
Der Splitter ist ein Richtkoppler mit angeschlossenen Kupfer-Mikrostreifenleitungen. Wenn ein elektrischer Strom entlang der Mikrostreifenleitung der Leiterplatte fließt, treten elektrische und magnetische Felder zwischen der Mikrostreifen- und Masseebene auf der gegenüberliegenden Seite des dielektrischen Substrats auf. In der Mitte des Mikrostreifens ist das elektrische Feld gleichmäßig, aber zum Rand der Mikrostreifenleitung hin fließt es nach außen und breitet sich durch seine Grenze aus. Mit diesem Effekt können Sie die Energie von zwei Mikrostreifenleitungen kombinieren, die sich physisch nahe beieinander befinden. Bei Abgriffen und Splittern ist dies sehr vorteilhaft. Durch Anpassen des Abstands zwischen ihnen können Sie die zwischen ihnen fließende Energiemenge auf den gewünschten Wert einstellen.
Mit Qucs, einem Universalschaltungssimulator, berechneten die Autoren die Abmessungen für den Mikrostreifenstecker und den Mikrostreifen selbst auf der Leiterplatte. Einige von ihnen spielten die Rolle von Wellenimpedanztransformatoren mit 50 Ohm.
Die vertikale Achse ist die Dämpfung in dB und die horizontale Achse ist die Frequenz in Hz.
Die blaue Kurve (S11) ist die vom Stecker reflektierte Leistung, die um die Grundfrequenz des 2,4-GHz-Radars minimiert ist. Die rote Kurve (S13) ist die über einen Koppler angeschlossene Sendeleistung, -12 dB entspricht etwa 6% der Leistung. Fast die gesamte Leistung wird übertragen, wie durch die rosa Kurve (S12) gezeigt.
Die Autoren stellten einen Prototyp auf einem Substrat aus FR-1-Mikrowellenfaserglas her und maßen die Streuparameter unter Verwendung eines Netzwerkanalysators. Der Prototyp ist unten dargestellt.
Splitter-Prototyp
Der erstellte Prototyp war nicht genau auf eine Frequenz von 2,4 GHz abgestimmt und hatte einen ziemlich hohen Reflexionskoeffizienten (-10 dB), jedoch waren die Leistungskopplung (-17 dB) und die Transmission (-7 dB) sehr anständig. Ein Teil der Verluste wurde offensichtlich durch die schwache Verbindung zwischen den SMA- und PCB-Steckverbindern bestimmt.
Die Mischerschaltung besteht aus einem Summiermischer und einer RC-Schaltung eines Halbwellengleichrichters, um die Hüllkurve zu isolieren. Der Summiermischer ist ein Wilkinson-Leistungskombinierer mit hervorragenden Portisolationseigenschaften. Die beiden Eingangsanschlüsse (rechts in der Abbildung) sind durch den Kombinierer und den Widerstand in Halbwellen (1,2 GHz) unterteilt.
Der unten gezeigte Prototyp wurde ebenfalls aus demselben FR-1-Mikrowellenfaserglas hergestellt. Und irgendwie stellte sich heraus, dass es viel ästhetischer war als der obige Splitter, die Signaldämpfung erreichte -25 dB bei einer Frequenz von 2,4 GHz, die maximale Signaldämpfung von etwa -35 dB wurde näher an einer Frequenz von 3,5 GHz beobachtet, was anzeigt Da die Schleifenlänge für die Eigenschaften unseres Prototyps physikalisch zu klein war, stellte sich heraus, dass sie bei einer Frequenz von 2,4 GHz nicht ganz einem Viertel der Wellenlänge entspricht.
Mischer Prototyp
Nach dem Testen der Prototypen entwickelten die Autoren eine Platine, die alle oben im Strukturdiagramm gezeigten Module kombiniert. Die Platte wurde auf ein FR-4-Glasfasersubstrat geätzt, das ungefähr die gleiche relative Permittivität wie FR-1 aufweist.
Bild der Platine nach dem Ätzen mit Toner
Verfeinerung mit heißer Luft, um Toner zu entfernen
Als die Autoren die Installation der Platine abgeschlossen und sie an einen Funktionsgenerator angeschlossen hatten, der die Abstimmspannung an den VCO und an ein Oszilloskop liefert, das die Spannung am Ausgang des Mischers misst, konnten sie selbst mit einem stark reflektierenden Winkelwürfel (siehe unten) keinen Schwebton messen.
Ecke "Würfel", um die Welle zu reflektieren
Letztendlich wurde nach Überprüfung fast aller möglichen Modulationsfrequenzen und Platzieren der Platine in der Abschirmbox festgestellt, dass die Bewegung des Reflektors zu einem Schlag mit einer Frequenz führte, die direkt proportional zur Geschwindigkeit des Reflektors war.
Dieses Ergebnis bestätigte, dass der Leistungsteiler und der Mischer funktionierten, sodass das Doppler-Radar entwickelt wurde. Ein sich bewegender Reflektor erzeugt eine Doppler-Verschiebung, so dass das empfangene Signal eine andere Frequenz aufweist als das gesendete Signal, das die Autoren mit einem Mischer messen konnten.