Medidor de velocidade Doppler

Os princípios do radar modulado em frequência com frequência portadora constante são usados ​​na interferometria para medir a distância dos objetos e sua velocidade. Isso é alcançado transmitindo um sinal FM e medindo a diferença de frequência entre os sinais recebidos e transmitidos atrasados. O foco principal deste projeto foi o desenvolvimento e implementação de circuitos divisores e misturadores de potência. A arquitetura do radar é mostrada abaixo.

Arquitetura de radar Doppler

O divisor é um acoplador direcional com linhas de micro-tira de cobre conectadas. Quando uma corrente elétrica passa ao longo da linha de micro-tira da placa de circuito impresso, os campos elétrico e magnético aparecem entre a micro-tira e os planos de terra no lado oposto do substrato dielétrico. No centro da micro-tira, o campo elétrico é uniforme, mas em direção à borda da linha da micro-tira ele flui para fora, propagando-se através de seus limites. Esse efeito permite combinar a energia de duas linhas de micro faixas fisicamente localizadas próximas umas das outras. No caso de tomadas de força e divisores, isso é muito benéfico e, ajustando a distância entre eles, você pode ajustar a quantidade de energia que passa entre eles para o valor desejado.

Usando o Qucs, um simulador de circuito universal, os autores calcularam as dimensões do conector da tira de microtira e da própria microtira na placa de circuito impresso. Alguns deles desempenharam o papel de transformadores de impedância de onda de 50 Ohms.



O eixo vertical é a atenuação em dB e o eixo horizontal é a frequência em Hz.

A curva azul (S11) é a potência refletida pelo conector minimizada em torno da frequência fundamental do radar de 2,4 GHz. A curva vermelha (S13) é a potência transmitida conectada através de um acoplador, -12 dB corresponde a cerca de 6% da potência. Quase toda a energia é transmitida como mostrado pela curva rosa (S12).

Os autores fabricaram um protótipo em um substrato de fibra de vidro de microondas FR-1 e mediram os parâmetros de espalhamento usando um analisador de rede. O protótipo é mostrado abaixo.

Protótipo do divisor

O protótipo criado não foi sintonizado com precisão para uma frequência de 2,4 GHz e possuía um coeficiente de reflexão bastante alto (-10 dB); no entanto, o acoplamento de potência (-17 dB) e a transmissão (-7 dB) eram muito decentes. Parte das perdas foi obviamente determinada pela fraca conexão entre os conectores SMA e PCB.

O circuito do misturador consiste em um misturador de soma e um circuito RC de um retificador de meia onda para isolar o envelope. O mixer de soma é um combinador de potência Wilkinson que possui excelente propriedade de isolamento de porta, as duas portas de entrada (à direita na figura) são divididas em meias ondas (1,2 GHz) através do combinador e resistor.

O protótipo mostrado abaixo também foi fabricado com a mesma fibra de vidro de microondas FR-1. E, de alguma forma, acabou sendo muito mais estético do que o divisor acima, a atenuação do sinal atingiu -25 dB a uma frequência de 2,4 GHz, a atenuação máxima do sinal de cerca de -35 dB foi observada mais próxima de uma frequência de 3,5 GHz, o que indica Como o comprimento do loop era fisicamente muito pequeno para as propriedades do nosso protótipo, acabou não sendo exatamente igual a um quarto do comprimento de onda a uma frequência de 2,4 GHz.

Protótipo do misturador

Após testar os protótipos, os autores desenvolveram uma placa que combina todos os módulos mostrados acima no diagrama estrutural. A placa foi gravada em um substrato de fibra de vidro FR-4, que tem aproximadamente a mesma permissividade relativa que o FR-1.



Imagem do quadro após a gravação com toner



Refinamento com ar quente para remover o toner

Quando os autores finalmente terminaram de instalar a placa e conectaram-na a um gerador funcional que fornece a tensão de sintonia ao VCO e a um osciloscópio que mede a tensão na saída do mixer, eles não podiam medir nenhum tom de batida, mesmo com um "cubo" angular altamente reflexivo (mostrado abaixo).

Canto "cubo" para refletir a onda

Por fim, depois de verificar quase todas as frequências de modulação possíveis e colocar a placa na caixa de proteção, verificou-se que o movimento do refletor levou a um desvio com uma frequência diretamente proporcional à velocidade do refletor.

Este resultado confirmou que o divisor de potência e o misturador funcionavam, portanto o radar Doppler foi projetado. Um refletor em movimento cria um deslocamento Doppler, para que o sinal recebido tenha uma frequência diferente do sinal transmitido, que os autores puderam medir usando um mixer.