Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2015 №4

Радарные модули фирмы RFBeam диапазона ISM 24,05–24,25 ГГц

Горбатов Константин


Швейцарская фирма RFBeam, основанная в 2008 году, специализируется на радарных модулях СВЧ диапазона 24,05–24,25 ГГц (ISM — Instrumentation Scientific Medicine) со встроенными планарными антеннами. Радарный модуль состоит из приемной и передающей антенн, перестраиваемого ГУН, МШУ и квадратурного смесителя. Некоторые модели содержат усилитель ПЧ с полосой пропускания 10 Гц – 15 кГц и фильтры. Диаграмма направленности антенны находится в пределах от 138×132 до 5,6×5°, что позволяет обнаруживать движущийся автомобиль на максимальном расстоянии от 15 м до 1 км, а человека — от 7 до 400 м. Габариты модулей составляют от 25×25×6 до 187×144×10 мм и определяются в основном размерами антенн. Основное назначение радарных модулей — применение в охранных системах (детекторах движущихся объектов); измерение скорости и расстояния с невысокой точностью (ЛЧМ и ЧМ).

Преимущества и недостатки технологии 24 ГГц

Помимо СВЧ, существуют инфракрасные, лазерные и ультразвуковые датчики движения. К преимуществам СВЧ-датчиков относится возможность работы в условиях тумана и запыленности, функционирование на больших дальностях (до 1 км), измерение как больших, так и малых скоростей. Они не подвержены действию ветра, что является недостатком ультразвуковых датчиков, и температуры, что остается проблемой для инфракрасных датчиков. СВЧ-датчики можно устанавливать скрытно, за любым радиопрозрачным материалом. К недостаткам относится сложность детектирования движения по радиусу от датчика, для этого требуется построение хотя бы простейшей ФАР. Сильный дождь или снегопад значительно снижает радиус действия радарного модуля. СВЧ-датчики дороже ультразвуковых и инфракрасных, но дешевле лазерных. Важно, что данные модули не требуют лицензирования на территории России. Вот выдержка из Постановления Правительства РФ от 13.10.2011 № 837 «О внесении изменений в Постановление Правительства Российской Федерации от 12 октября 2004 г. № 539» [1]: «Изъятия из перечня радиоэлектронных средств и высокочастотных устройств, подлежащих регистрации: 26. Устройства для обнаружения передвижения и устройства радиосигнализации в полосе радиочастот 24,05-24,25 ГГц с максимальной эквивалентной изотропно излучаемой мощностью передатчика не более 100 мВт».

Линейка радарных модулей фирмы RFBeam

Параметры радарных модулей представлены в таблице 1 [2]. Надо отметить, что здесь приведены экспериментальные данные и для некоторых моделей они подразумевают цифровую обработку сигнала от датчика. Модули построены по схеме с синхронным детектированием, имеют эффективную изотропно-излучаемую мощность (EIRP) 10-19 дБм и чувствительность приемника sensitivity от -95 до -126 дБм. Чувствительность в Data Sheet дана уже с учетом усиления антенны (при отношении сигнал/шум 6 дБ и полосе ПЧ 10 Гц - 1 кГц). Энергетический потенциал для модулей составляет соответственно 105-145 дБ. Он указан в Data Sheet как overall sensitivity и рассчитан исходя из EIRP модуля и чувствительности приемника. Таким образом, чем больше усиление антенны и уже ее диаграмма направленности, тем чувствительность лучше. Модули не имеют встроенного делителя частоты, поэтому использование их в системах ФАПЧ затруднительно.

Таблица 1. Характеристики модулей фирмы RFBeam

Модель Дистанция обнаруженияДиаграмма направленностиI/Q-выходУсилитель ПЧПитаниеГУНРазмер, мм
человек машина вертик. ° горизонт. ° Напряжение, В Ток, мА
K-LC3 7 15 138 132 нет нет 5 35 нет 25×25×6
K-LC3_V2 7 15 138 132 нет нет 3,3 35 нет 25×25×6
K-LC2 9 22 80 34 да нет 5 35 да 25×25×6
K-LC1a 12 30 80 34 нет нет 5 35 да 25×25×6
K-LC1a_V2 12 30 80 34 нет нет 5 35 нет 25×25×6
K-LC1a_V4 12 30 80 34 нет нет 3,3 35 да 25×25×6
K-LC1a_V5* 12 30 80 34 нет нет 3,3 35 нет 25×25×6
K-XC1_SMA - - внешняя антеннада да 12-24 300 нет -
K-XC1_Ant 8 15 25 12 да да 12-24 300 нет 110×77×10
K-LC5 25 60 80 34 да нет 5 45 да 25×25×6
K-LC5_V2 25 60 80 34 да нет 5 45 нет 25×25×6
K-LC6 35 80 80 12 да нет 5 45 да 66×25×6
K-LC6_V2 35 80 80 12 да да 5 47 да 66×25×6
K-MC4 40 100 30 12 да да 5 120/10 да 98×78×7
K-MC5_LP* 40 100 6,5 4,9 да да 3-6 9 нет 187×144×10
K-MC1 60 150 25 12 да да 5 100/10 да 65×65×6
K-MC1 LP 60 150 25 12 да да 3-6 7,5 нет 65×65×6
K-MC3 70 180 25 7 да да 5 100/10 да 105×85×5
K-HC1 400 1000 25 12 да да 15-30 220 ФАПЧ 110×77×19

Примечание. *Новые модели в разработке

Исключение составляет модуль K-HC1, в котором реализована ФАПЧ и стабильность частоты составляет 1 ppm/°C со встроенным генератором. Он может работать либо в режиме с внешней частотной модуляцией, либо с внутренней со сдвигом частоты на 10 МГц. В модуле предусмотрен супергетеродинный приемник с частотой ПЧ 10 МГц, логарифмический и обычный детекторы, интерфейс USB, I/Q-детектор и преобразователь напряжения. Заявленная чувствительность -144 дБм, а потенциал линка 164 дБ исходя из 20 дБм излучаемой мощности.

Следует также выделить модуль K-XC1, представляющий собой полноценный измеритель дальности с разрешающей способностью 1 см и интерфейсом USB. Модули K-MC1_LP и K-MC5_LP относятся к категории низкопотребляющих, поскольку работают в импульсном режиме со скважностью 1%.

Практический опыт применения модуля K-LC6_V2

Внешний вид модуля K-LC6_V2 показан на рис. 1, а его структурная схема изображена на рис. 2. Габариты модуля 66x25x6 мм, а диаграмма направленности 80°x12°, так что при высоте подвеса 18 м он позволяет охватить площадь порядка 100 м2. При включении модуль потребляет ток примерно 90 мА. Проверка устройства выполнялась с помощью осциллографа и производилась при размахивании металлической пластиной вблизи (10-20 см) от антенны модуля. В итоге удалось получить сигнал ПЧ с размахом около 1 В, который показан на рис. 3 (данная и последующие осциллограммы получены с помощью цифрового осциллографа фирмы GW Instek GDS-2104), и это при наличии встроенного усилителя 20 дБ. Соответственно, для модуля K-LC6 (без дополнительного усилителя) следует ожидать размах сигнала около 100 мВ.

Внешний вид K-LC6_V2

Рис. 1. Внешний вид K-LC6_V2

Блок-схема K-LC6_V2

Рис. 2. Блок-схема K-LC6_V2

Максимальный сигнал с выхода K-LC6_V2

Рис. 3. Максимальный сигнал с выхода K-LC6_V2

Согласно схеме, рекомендованной производителем [3], был изготовлен усилитель с общим коэффициентом усиления 73 дБ и полосой пропускания 2,5 Гц - 1,6 кГц, его схема представлена на рис. 4. Он предназначен для применения с модулями без усилителя ПЧ (например, K-LC6). Для использования совместно с K-LC6_V2 его усиление слишком большое, и его пришлось уменьшить на 6 дБ.

Схема дополнительного усилителя

Рис. 4. Схема дополнительного усилителя

Первое, что удалось выяснить, — высокая чувствительность модуля к качеству питания. Источник питания фирмы GW Instek GPS-4303 имеет пульсации 10 мВ. Развязка «питание +5 В — СВЧ-выход» составляет лишь 26 дБ, а чувствительность модуля -108 дБм. Проблема была решена постановкой гасящего резистора 10 Ом и емкости 2200 мкФ по +5 В и стабилизатора напряжения SPX1117M3-L-5-0, который в свою очередь обеспечивает подавление помехи по питанию на величину порядка 75 дБ.

Второе — это чувствительность модуля к помехам от ламп дневного света. Они излучают в очень широком диапазоне частот, в том числе и в ISM. К тому же их излучение модулировано сетевой помехой 100 Гц. Для таких условий на рис. 5 показан сигнал с K-LC6_V2 в отсутствие движущегося объекта, а на рис. 6 сигнал, когда объект (человек) движется на расстоянии 16-17 м, при этом полоса пропускания внешнего усилителя 7-70 Гц, а расчетное усиление 67 дБ. Для больших дальностей, ввиду помехи в сигнале от ламп дневного света, простой детектор уровня неприменим. В связи с низкой стоимостью современных микроконтроллеров, более перспективным представляется метод цифровой обработки, то есть оцифровка сигнала с помощью встроенного АЦП, построение спектра с помощью БПФ и его дальнейший анализ. К примеру, цена [4] для 32-разрядных микроконтроллеров семейств XMC1100/XMC1200 фирмы Infineon со встроенным 12-разрядным АЦП и тактовой частотой 32 МГц находится в интервале 0,6-1,1 евро, что в несколько десятков раз меньше стоимости самого радарного модуля и сопоставимо со стоимостью аналоговой обвязки.

Выходной сигнал усилителя на LM258N, нет движущегося объекта

Рис. 5. Выходной сигнал усилителя на LM258N, нет движущегося объекта

Выходной сигнал усилителя на LM258N, человек движется на расстоянии 16—17 м

Рис. 6. Выходной сигнал усилителя на LM258N, человек движется на расстоянии 16—17 м

У предложенной схемы выявлен и недостаток, который заключается в том, что средняя точка 2,5 В формируется резисторным делителем R10, R11 и емкостью C10. Она подключена к прямым входам обоих каскадов ОУ. В случае когда второй каскад однократно входит в ограничение при большом уровне сигнала, напряжение между входами ОУ становится отличным от нуля, а поскольку внутри ОУ установлены встречно включенные защитные диоды, напряжение средней точки изменяется, что приводит к изменению режима работы и первого каскада. Постоянная же времени τ R10||R11&C10 равна 50 мс. Учитывая общий высокий коэффициент усиления, этот эффект будет действовать еще значительное время. Так, 1% от изменения режима будет наблюдаться через время 5τ, или 250 мс. Осциллограмма выхода усилителя в режиме ограничения показана на рис. 7. Следует отметить, что ограничение ОУ по выходу не симметричное. Если низкий уровень близок к уровню «земли», то высокий уровень отстоит от уровня питания на 1,3 В. Шумовая дорожка усилителя при его входе, замкнутом на «землю», показана на рис. 8. Ее размах около 4-5 мВ, внутри видна наводка 50 Гц. Отметим, что усилитель был собран на макетной плате с использованием LM258N (DIP-8, -40°...+85 °C). Для печатной платы и компонентов SMD результат должен быть лучше. Для построения более качественного усилителя можно рекомендовать LMV772 (шумы f = 100 Гц 12,5 нВ/√Гц) или OP284 (f = 1 кГц 3,9 нВ/√Гц). Оба ОУ способны работать от однополярного питания +5 В и являются Rail-to-Rail, то есть максимальный размах выходного сигнала очень близок к напряжению питания. Но при этом стоимость такого усилителя увеличивается в несколько раз по сравнению с рассмотренным вариантом.

Усилитель LM258N в режиме ограничения

Рис. 7. Усилитель LM258N в режиме ограничения

Собственные шумы усилителя на LM258N, вход замкнут на «землю»

Рис. 8. Собственные шумы усилителя на LM258N, вход замкнут на «землю»

Собственные шумы модуля K-LC6_V2

Заявленная чувствительность модуля -108 дБм дана [5] с учетом усиления антенны. Поскольку усиление антенны 12,5 дБ, собственная чувствительность приемника будет -95,5 дБм при отношении сигнал/шум 6 дБ в полосе 1 кГц. Это означает, что собственные шумы приемника меньше на эту же величину и составляют -101,5 дБм. Пересчитаем -101,5 дБм мощности со входа к выходу, учитывая вклад:

  • +10 дБ — МШУ;
  • -6 дБ — потерь в смесителе;
  • +20 дБ — встроенного усилителя;
  • +40 дБ — внешнего усилителя.

В итоге получим 64 дБ усиления, соответственно, на выходе будет -37,5 дБм мощности, или 0,178 мкВт. Переведем эту величину в размах синусоидального напряжения согласно формуле:

где P — мощность, Вт; R — сопротивление, Ом и U — размах напряжения, В. В результате получим:

Так как реальная форма шумовой дорожки на выходе усилителя отлична от синусоидальной, данная формула является оценочной. Шумовая дорожка для полосы пропускания 10 Гц - 1 кГц представлена внизу на рис. 9 и неплохо совпадает с расчетной. Вверху же показано распределение плотности мощности шумов в зависимости от частоты. Следует отметить, что при практическом измерении шумов непосредственно с внешнего усилителя возникают сложности из-за наличия в шумовой дорожке помех 100 и 50 Гц.

Спектр шумов и шумовая дорожка K-LC6_V2

Рис. 9. Спектр шумов и шумовая дорожка K-LC6_V2

Расчет дальности действия модуля K-LC6_V2

Согласно [5] дальность действия модуля может быть рассчитана исходя из «энергетического потенциала», который для данного модуля составляет 126 дБ, ЭПР объекта и формулы (2). Формула является вариацией известной формулы радиолокации для частоты 24,125 ГГц:

где r — расстояние до объекта в метрах; s — энергетический потенциал в децибелах, σ — ЭПР объекта в квадратных метрах.

Используя формулу, получим расстояние обнаружения в центре диаграммы направленности (ДН). Исходя из ЭПР в 1 м2 (человек): 0,0167×10(126/40)×1 = 0,0167×103,15 = 23,6 м. Для ЭПР 50 м2 (машина): 23,58×2,659 = 62,7 м. Рассчитанная таким образом дальность действия для разных модулей приведена в таблице 2. Заметим, что цифры не всегда совпадают с таблицей 1. Например, для модуля K-LC6 приведено расстояние 35/80 м, что объясняется специальными методами обработки сигнала.

Таблица 2. Расчетная дальность обнаружения для модулей фирмы RFBeam

МодельЭффективная изотропно излучаемая мощность, дБмЧувствительность модуля, с учетом усиления антенны, дБмЭнергетический потенциал, дБДистанция обнаружения, рассчитанная по формуле (2), мДистанция обнаружения, приведенная в таблице 1, м
Человек, ЭПР = 1 м2 Машина, ЭПР = 50 м2 Человек, ЭПР = 1 м2 Машина, ЭПР = 50 м2
K-LC3 10 -95 105 7,042331607 18,72660165 7 15
K-LC3 V2 10 -95 105 7,042331607 18,72660165 7 15
K-LC2 15 -96 111 9,947557797 26,45202791 9 22
K-LC1a 15 -96 111 9,947557797 26,45202791 12 30
K-LC1a V2 15 -96 111 9,947557797 26,45202791 12 30
K-LC1a V4 15 -96 111 9,947557797 26,45202791 12 30
K-LC5 15 -103 118 14,88389067 39,57846733 25 60
K-LC5 V2 15 -103 118 14,88389067 39,57846733 25 60
K-LC6 18 -108 126 23,589377 62,72764344 35 80
K-LC6 V2 18 -108 126 23,589377 62,72764344 35 80
K-MC4 18 -116 134 37,38664301 99,41661507 40 100
K-MC1 18 -123 141 55,93922834 148,7506843 60 150
K-MC1 LP 18 -123 141 55,93922834 148,7506843 60 150
K-MC3 19 -126 145 70,42331607 187,2660165 70 180

Об охраняемой зоне K-LC6_V2

Проведем оценку охраняемой площади для двух вариантов расположения датчика K-LC6_V2: перпендикулярно охраняемой зоне, как показано на рис. 10, и сбоку от охраняемой зоны, как видно на рис. 11.

Расположение K-LC6_V2 перпендикулярно охраняемой поверхности

Рис. 10. Расположение K-LC6_V2 перпендикулярно охраняемой поверхности


Расположение K-LC6_V2 под углом к охраняемой поверхности

Рис. 11. Расположение K-LC6_V2 под углом к охраняемой поверхности

При первом варианте датчик располагается в точке I, из которой опущен перпендикуляр IO к плоскости XY. Треугольник KIM — это раскрыв ДН антенны по уровню 3 дБ в плоскости XZ с углом α = 12°. Треугольник JIL — раскрыв ДН в плоскости YZ, угол β = 80°. В направлениях IJ, IK, IL, IM из-за уменьшения усиления антенны энергетический потенциал будет на 6 дБ меньше (120 дБ), что даст нам расстояние обнаружения 16,7/44,5 м для человека и машины соответственно. Приняв расстояние JI = IL = 16,7 м, а получившуюся фигуру JKLM за эллипс, вычислим высоту размещения датчика 12,8 м, расстояния: JO = OL = 10,74 м, KO = OM = 1,34 м и площадь эллипса 45,39 м2. Фактическая охраняемая площадь будет больше примерно на 5-10%, то есть около 50 м2, поскольку точки K, M еще можно сместить от центра O до достижения энергетического потенциала 120 дБ. Для точных вычислений необходима трехмерная модель ДН антенны. Недостаток данной схемы размещения заключается в том, что в окрестности точки О движение объекта в плоскости XZ практически не будет создавать радиальной составляющей по отношению к датчику в точке I. Этот эффект в какой-то степени компенсируется максимальной мощностью излучения в данной области.

При втором варианте размещения (рис. 11) антенна установлена в точке G, предполагается, что плоскость ZY — это стена, центр ДН антенны расположен к ней под углом γ, а в плоскости XY лежит охраняемая поверхность. Треугольник FGD — это раскрыв ДН антенны по уровню 3 дБ, угол α = 12°. Треугольник BGE — это половина раскрыва ДН антенны, угол β/2 = 40°. В направлениях GF, GD энергетический потенциал будет меньше на 6 дБ, а в GA, GC — на 12 дБ с расстояниями обнаружения человек/машина 16,7/44,5 и 11,8/31,4 м соответственно. Задав расстояния GA = GC = 12,8 м, GF = GD = 16,7 м, найдем угол γ = 45°17'05" и высоту подвеса 11,685 м. Площадь трапеции ACDF 68,25 м2, фактическая же охраняемая площадь будет представлять сечение 3-мерной ДН, проходящее через точки ACDF, и будет больше примерно на 15-20%, то есть составит около 82 м2. Заметим, что в этом варианте размещения площадь больше, чем в первом, и вообще нет зоны с нулевой радиальной составляющей.

В обоих случаях не учитывалось изменение ЭПР объекта от угла падения радиоволны. Также следует помнить, что при применении цифровых методов обработки сигнала дальность обнаружения K-LC6_V2 увеличивается до 35 м в центре ДН антенны, а охраняемая площадь примерно в 2 раза.

Литература

  1. Постановление Правительства РФ от 13.10.2011 № 837 «О внесении изменений в Постановление Правительства Российской Федерации от 12 октября 2004 г. № 539».
  2. Product Selection Guide. RFbeam Microwave GmbH. December 2014. www.rfbeam.ch/fileadmin/downloads/datasheets/_SelectionGuide.pdf
  3. “Typical Doppler Signal Amplifier” Application Note AN-04, RFbeam Microwave GmbH. www.rfbeam.ch/fileadmin/downloads/appnotes/AN-04%20TypicalSignalAmp.pdf
  4. www.rutronik24.com
  5. K-LC6 RADAR TRANSCEIVER. RFbeam Microwave GmbH. www.rfbeam.ch/fileadmin/downloads/datasheets/ProductBrief_K-LC6.pdf
-->

Сообщить об ошибке