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

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.

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.

Рис. 1. Внешний вид K-LC6_V2

Рис. 2. Блок-схема 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.

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.

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

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.

Рис. 7. Усилитель LM258N в режиме ограничения

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.

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 = 0,0167×10^3,15 = 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.

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.

Рис. 10. Расположение K-LC6_V2 перпендикулярно 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.