Полосковый мостовой пассивный нелинейный радиоответчик
STRIP BRIDGE PASSIVE NON-LINEAR RADIO RESPONDER

Изобретение относится к пассивным маркерам-ответчикам, являющимся вторичными источниками электромагнитного излучения.
Известен по [А.А. Горбачев, С.В. Ларцов, С.П. Тараканков, Е.П. Чигин. Амплитудные характеристики нелинейных рассеивателей // Радиотехника и электроника, 1996, т. 41, №5, с. 558] радиоответчик нелинейный рассеиватель в виде дипольной антенны, настроенной на частоту запросного сигнала f, нагруженной на нелинейный элемент в виде полупроводникового диода. При облучении одночастотным запросным сигналом с частотой f радиоответчик - нелинейный рассеиватель переизлучает в окружающее пространство ответный сигнал на частоте 2f, который появляется в результате искажения запросного сигнала в нелинейном элементе.
Недостатком радиоответчика - нелинейного рассеивателя является то, что его антенна настроена только на частоту запросного сигнала. Кроме того, такой радиоответчик нельзя располагать вблизи других объектов из-за их влияния на антенну, что затрудняет возможности маркировки различных объектов при помощи данного радиоответчика - нелинейного рассеивателя.
Недостатки радиоответчика - нелинейного рассеивателя устранены в радиоответчике - мостовом нелинейном рассеивателе, известном по [Д.Ш. Агрба, Н.Ю. Бабанов, О.Н. Бычков, Л.В. Васенкова, А.А. Горбачев, С.В. Ларцов, С.П. Тараканков, Е.П. Чигин Нелинейные рассеиватели как средства маркировки // Радиотехника, 1998, №10, с. 96-100]. Радиоответчик - мостовой нелинейный рассеиватель состоит из приемной антенны, настроенной на частоту запросного сигнала, переизлучающей антенны, настроенной на частоту ответного сигнала, равной удвоенной частоте запросного сигнала, и последовательно соединенных в виде мостовой схемы полупроводниковых диодов.
Антенны выполнены в виде рефлекторных антенн, у которых излучателями являются двойные петлевые излучатели, а рефлекторами – пластины из металлической фольги.
Конструктивно радиоответчик - мостовой нелинейный рассеиватель выполнен по следующей схеме: вход третьего диода соединен с выходом четвертого диода и подключен к первому полюсу приемной антенны, вход пятого диода, соединен с выходом шестого диода и подключен ко второму полюсу приемной антенны, вход четвертого диода соединен с входом пятого диода и подключен к первому полюсу переизлучающей антенны, выход третьего диода соединен с выходом шестого диода и подключен ко второму полюсу переизлучающей антенны.
Такая конструкция решает проблемы радиоответчика - нелинейного рассеивателя в виде дипольной антенны, а именно каждая из антенн может быть согласована с системой из нелинейных элементов, рефлекторная конструкция позволят располагать ее на объектах, не опасаясь их влияния на процессы преобразования запросного сигнала в ответный сигнал и его переизлучения в окружающее пространство.
Радиоответчик - мостовой нелинейный рассеиватель функционирует так же как и радиоответчик - нелинейный рассеиватель. При облучении одночастотным запросным сигналом с частотой f радиоответчик мостовой нелинейный рассеиватель переизлучает в окружающее пространство ответный сигнал на частоте 2f, который появляется в результате искажения запросного сигнала в нелинейном элементе.
Однако у данного радиоответчика - мостового параметрического рассеивателя имеется недостаток. Конструкция рефлекторной антенны предполагает, что расстояние между рефлектором и излучателем равно примерно 0,25 длинны волны, а при расстояниях менее 0,1 длинны волны эффективность антенны резко падает. Выступающие части антенн радиоответчика - мостового нелинейного рассеивателя могут в некоторых случаях быть серьезной конструктивной проблемой.
Известен по [Ларцов С.В. Нелинейный пассивный маркер параметрический рассеиватель // Патент Российской Федерации на изобретение №2336538 С2, дата подачи заявки 28.06.2006 г., опубликован 20.10.2008 г., бюллетень №29 от 20.10.2008] полосковый параметрический рассеиватель для размещения на спасательном жилете или любом другом объекте. Предложенный полосковый параметрический рассеиватель конструктивно представляет полосковую антенну двухполюсник, вход которой соединен с входом параметрического генератора, представляющим собой параметрический контур, состоящего из индуктивности и нелинейной емкости и настроенного на половинную частоту запросного. Индуктивность параметрического генератора изготавливается в виде закрытого или полузакрытого резонатора, в частности проволочной структуры над рефлекторной металлической плоскостью.
При облучении одночастотным запросным сигналом с частотой f полосковый параметрический рассеиватель обладает способностью переизлучать в окружающее пространство ответный сигнал на частоте 0,5f, который появляется в результате возбуждения параметрического генератора на частоте половинной субгармоники запросного сигнала.
Такой нелинейный пассивный маркер - параметрический рассеиватель обладает способностью не испытывать влияние объекта, на котором он закреплен: спасательный жилет (то есть тело человека), металлические поверхности корпуса контейнера, транспорта и др. Расстояние между экранирующей плоскостью и излучателем может быть менее 0,1 длины волны. Данный полосковый параметрический рассеиватель является двухполюсником. Из-за этого его антенна должна быть настроена одновременно и на частоту запросного сигнала и на частоту ответного сигнала, что трудно реализовать технически. В результате эффективного согласования, как правило, достичь не удается.
Известен по [Бабанов Н.Ю., Куликов А.А., Ларцов С.В. Субгармонический параметрический рассеиватель // Патент Российской Федерации на изобретение №2495450 по заявке №2012111791., бюллетень №28 от 10.10.13] полосковый двухгенераторный параметрический рассеиватель, структурная схема которого представлена на фиг. 2.
Полосковый двухгенераторный параметрический рассеиватель конструктивно представляет собой систему из двух соединенных последовательно параметрических генераторов - параметрических контуров, настроенных на одну и ту же частоту 0,5f и состоящих из индуктивностей и нелинейных емкостей в виде полупроводниковых диодов варакторов. Параметрические генераторы соединены с антенной запросного сигнала, настроенной на частоту f, и антенной ответного сигнала, настроенной на частоту 0,5f. При этом 1-й полюс антенны запросного сигнала соединен со входом 2-го параметрического генератора, выход которого соединен со входом 1-го параметрического генератора, а выход 1-го параметрического генератора соединен со 2-м полюсом антенны запросного сигнала. Одновременно вход 1-го параметрического генератора соединен со 2-м полюсом антенны ответного сигнала, а выход 1-го параметрического генератора соединен с 1-м полюсом антенны ответного сигнала. Конструктивно 2-й полюс антенны запросного сигнала, 1-й полюс антенны ответного сигнала и выход 1-го параметрического генератора соединены общим заземляющим проводником, что позволяет выполнять данный параметрический рассеиватель в виде общей полосковой конструкции.
Полосковый двухгенераторный параметрический рассеиватель функционирует так же как и полосковый параметрический рассеиватель. Антенной запросного сигнала принимается запросный сигнал на частоте f, который переизлучается в обратном направлении на частоте 0,5f при помощи антенны.
Как показала практика, при настройке полоскового двухгенераторного параметрического рассеивателя наблюдалось достаточно сильное взаимное влияние, поэтому более перспективным оказался полосковый трехгенераторный параметрический рассеиватель, у которого антенны запросного и ответного сигнала лучше развязаны (находятся на большем расстоянии и поэтому оказывают меньшее влияние друг на друга). Полосковый трехгенераторный параметрический рассеиватель известен по [Н.Ю. Бабанов, А.В. Клюев, С.В. Ларцов. Экспериментальное исследование полосковых параметрических рассеивателей // Материалы XXII международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии» ИСТ-2016, Нижний Новгород, 2016, стр. 41]. Полосковый трехгенераторный параметрический рассеиватель конструктивно представляет собой систему из трех соединенных последовательно нелинейных элементов в виде параметрических контуров - параметрических генераторов, настроенных на одну и ту же частоту 0,5f, которые являются нагрузкой полосковой антенны запросного сигнала, настроенной на частоту запросного сигнала f, присоединенной к выходам первого и третьего параметрических контуров, а третий из параметрических контуров подсоединен ко второй полосковой антенне ответного сигнала, настроенной на частоту ответного сигнала 0,5f. При этом общий полюс антенн запросного и ответного сигналов является общей заземляющей плоскостью обеих полосковых антенн, к которой присоединен первый полюс 3-го параметрического генератора. Фотография макета полоскового трехгенераторного параметрического рассеивателя представлена на фиг. 4.
И полосковый двухгенераторный параметрический рассеиватель, и полосковый трехгенераторный параметрический рассеиватель являются по своей конструкции трехполюсниками.
Известен по [Бабанов Н.Ю., Ларцов С.В. Маркер-субгармонический параметрический рассеиватель // Патент Российской Федерации на изобретение №2496123 по заявке №2012111796 от 27.03.12., бюллетень №29 от 20.10.13] мостовой параметрический рассеиватель.
Мостовой параметрический рассеиватель состоит из системы нелинейных элементов - двухполюсников, образующих четырехполюсник, которая состоит из четырех одинаковых, настроенных на частоту f, последовательно соединенных параметрических генераторов в виде электрических параметрических контуров, при этом к входу первого параметрического генератора, соединенного с выходом четвертого параметрического генератора, подключен первый полюс антенны запросного сигнала, второй полюс антенны запросного сигнала подключен к выходу второго параметрического генератора, соединенного с входом третьего параметрического генератора, а к входу четвертого параметрического генератора, соединенного с выходом третьего параметрического генератора, подключен первый полюс антенны ответного сигнала, а второй полюс антенны ответного сигнала подключен к выходу первого параметрического генератора, соединенного со входом второго параметрического генератора.
Каждый из параметрических генераторов состоит из индуктивности и нелинейной емкости, роль которой выполняет полупроводниковый диод варактор. Конструкция мостового параметрического рассеивателя представляет собой четырехполюсник.
Мостовой параметрический рассеиватель функционирует так же как и полосковый параметрический рассеиватель, то есть антенной запросного сигнала принимается запросный сигнал на частоте f, который переизлучается в обратном направлении на частоте 0,5f.
Мостовой параметрический рассеиватель оказался наилучшим по уровню ответного сигнала среди известных параметрических рассеивателей с проволочными конструкциями антенн.
Мостовой параметрический рассеиватель выбран в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является то, что его антенны не могут быть непосредственно реализованы по полосковой технологии, так как в этом случае два полюса антенн запросного и ответного сигналов должны быть соединены проводником в виде экранирующей плоскости. Другими словами конструкция полосковых антенн запросного и ответного сигнала, размещенных на одной заземляющей плоскости, предполагает, что к ним подключается нелинейный элемент - трехполюсник, а мостовая конструкция нелинейного элемента является четырехполюсником. Недостаток радиоответчика - мостового нелинейного рассеивателя связан с тем же противоречием.
Недостаток прототипа устраняется в предлагаемом полосковом мостовом пассивном нелинейном радиоответчике.
Полосковый мостовой пассивный нелинейный радиоответчик состоит из приемной и переизлучающей антенн, системы последовательно соединенных нелинейных элементов - двухполюсников, образующих четырехполюсник, каждый из нелинейных элементов настроен на частоту запросного сигнала, при этом протекающий по нему ток на частоте запросного сигнала обогащается спектральными составляющими на частоте ответного сигнала, при этом вход первого нелинейного элемента соединен с выходом второго нелинейного элемента и подключен к первому полюсу приемной антенны, настроенной на частоту запросного сигнала, вход четвертого нелинейного элемента соединен с выходом третьего нелинейного элемента и подключен ко второму полюсу приемной антенны, настроенной на частоту запросного сигнала, вход второго нелинейного элемента соединен с входом третьего нелинейного элемента и подключен к первому полюсу переизлучающей антенны, настроенной на частоту ответного сигнала, выход четвертого нелинейного элемента соединен с выходом первого нелинейного элемента и подключен ко второму полюсу переизлучающей антенны, настроенной на частоту ответного сигнала, при этом, по крайней мере, одна из приемной и переизлучающей антенн представляет собой решетку из двух близкорасположенных полосковых излучателей, две противофазные точки на которых выбираются в качестве полюсов антенны, вторая из приемной или переизлучающей антенн либо имеет аналогичную конструкцию, либо реализуется в виде одиночного полоскового излучателя, на котором размещается первый полюс, а второй полюс размещается на общей заземляющей плоскости системы полосковых приемной и переизлучающей антенн.
Задача - повысить эффективность применения полоскового мостового пассивного нелинейного радиоответчика за счет обеспечения возможности применения полосковых антенн для приема запросного сигнала и переизлучения ответного сигнала на частотах второй гармоники или половинной субгармоники запросного сигнала.
Технический результат - повышение эффективности применения полоскового мостового пассивного нелинейного радиоответчика за счет обеспечения возможности применения полосковых антенн для приема запросного сигнала и переизлучения ответного сигнала на частотах второй гармоники или половинной субгармоники запросного сигнала.
Технический результат достигается тем, что полосковый мостовой пассивный нелинейный радиоответчик состоит из приемной и переизлучающей антенн и системы последовательно соединенных нелинейных элементов - двухполюсников, образующих четырехполюсник, при этом каждый из нелинейных элементов настроен на частоту запросного сигнала, а протекающий по нему ток на частоте запросного сигнала обогащается спектральными составляющими на частоте ответного сигнала, при этом вход первого нелинейного элемента соединен с выходом второго нелинейного элемента и подключен к первому полюсу приемной антенны, настроенной на частоту запросного сигнала, вход четвертого нелинейного элемента соединен с выходом третьего нелинейного элемента и подключен ко второму полюсу приемной антенны, настроенной на частоту запросного сигнала, вход второго нелинейного элемента соединен с входом третьего нелинейного элемента и подключен к первому полюсу переизлучающей антенны, настроенной на частоту ответного сигнала, выход четвертого нелинейного элемента соединен с выходом первого нелинейного элемента и подключен ко второму полюсу переизлучающей антенны, настроенной на частоту ответного сигнала, по крайней мере, одна из приемной и переизлучающей антенн представляет собой решетку из двух близкорасположенных полосковых излучателей, две противофазные точки на которых выбираются в качестве полюсов антенны, вторая из приемной или переизлучающей антенн либо имеет аналогичную конструкцию, либо реализуется в виде одиночного полоскового излучателя, на котором размещается первый полюс, а второй полюс размещается на общей заземляющей плоскости системы полосковых приемной и переизлучающей антенн.
Решение поставленной задачи достигается за счет того, что предлагается, по крайней мере, одну из антенн приема запросного сигнала или переизлучения ответного сигнала выполнить в виде решетки из двух последовательно включенных полосковых излучателей.
Суть изобретения заключается в том, что предлагается такое техническое решение, которое позволяет сформировать четыре независимых полюса у системы антенн, к которым могут быть подключены четыре полюса нелинейного элемента, выполненного по мостовой схеме.
Суть изобретения заключается в том, что предложенная конструкция полосковых антенн полоскового мостового пассивного нелинейного радиоответчика позволяет подключить нелинейный элемент - четырехполюсник, выполненный по мостовой схеме, наиболее эффективной для нелинейного рассеяния, при этом использование полосковых антенн существенно (в несколько раз) уменьшает высоту полоскового мостового пассивного нелинейного радиоответчика, что повышает его потребительские качества.
Полосковый мостовой пассивный нелинейный радиоответчик может быть реализован и как полосковый мостовой параметрический рассеиватель и как полосковый мостовой нелинейный рассеиватель.
На фиг. 1 представлена структурная схема полоскового мостового параметрического рассеивателя. В качестве нелинейного элемента - двухполюсника в полосковом мостовом параметрическом рассеивателе использован параметрический генератор в виде электрического контура, состоящего из индуктивности и нелинейной емкости в виде полупроводникового диода - варактора. Таким образом, полосковый мостовой параметрический рассеиватель состоит из параметрических генераторов 1, 2, 3, 4 в виде электрических контуров, состоящих из индуктивности и нелинейной емкости в виде полупроводникового диода - варактора, полосковой антенны запросного сигнала - 5, системы из 2-х полосковых антенн ответного сигнала 6 и 7, настроенных на переизлучение ответного сигнала на частоте половинной субгармоники запросного сигнала.
Фотография действующего макета полоскового мостового параметрического рассеивателя представлена на фиг. 2.
На фиг. 3 представлен полосковый мостовой нелинейный рассеиватель.
На фиг. 4 представлена структурная схема полоскового мостового нелинейного рассеивателя. В качестве нелинейного элемента - двухполюсника в полосковом мостовом нелинейном рассеивателе использован полупроводниковый диод.
Полосковый мостовой нелинейный рассеиватель состоит из полупроводниковых диодов 8, 9, 10, 11, антенны, принимающей запросный сигнал 12, состоящей из 2-х излучателей 13 и 14, и антенны 15, переизлучающей ответный сигнал на частоте 2-й гармоники запросного сигнала.
Следует отметить, что, если для параметрических рассеивателей полярность включения диодов в нелинейном элементе не принципиальна, то для нелинейных рассеивателей она определена направлением от входа нелинейного элемента к его выходу.
Полосковый мостовой пассивный нелинейный радиоответчик может функционировать в составе поисковой системы маркированных грузов, структурная схема которой представлена на фиг. 4.
Поисковая система маркированных грузов (см. фиг. 4) состоит из генератора 16 запросного сигнала, настроенного на частоту запросного сигнала и подсоединенного к излучающей антенне 17, настроенной на частоту запросного сигнала, антенны 18, принимающей ответный сигнал, и подсоединенного к ней приемника 19, которые настроены на частоту второй гармоники запросного сигнала.
Генератор 16 запросного сигнала, излучающая антенна 17, антенна 18, принимающая ответный сигнал, и приемник 19 размещаются на подвижном носителе.
Кроме того, в состав поисковой системы маркированных грузов входят несколько (по числу маркируемых объектов) полосковых мостовых пассивных нелинейных радиоответчиков в виде полоскового мостового нелинейного рассеивателя 20, которые прикрепляются на маркируемые объекты.
Каждый из полосковых мостовых нелинейных рассеивателей 20 состоит из приемной полосковой антенны 21, настроенной на частоту запросного сигнала, переизлучающей полосковой антенны 22, настроенной на частоту ответного сигнала, имеющих общую экранирующую плоскость, а также нелинейного элемента в виде диодного моста, к полюсам которого подключены полосковые антенны 21 и 22. Приемная антенна 21 состоит из двух полосковых излучателей 23, 24, расположенных над экранирующей плоскостью. Полюса приемной антенны 21 расположены на излучателях 23, 24.
К полосковому излучателю 23 подключен вход диода 25, который соединен с выходом диода 26. К полосковому излучателю 2 4 подключен выход диода 27, который соединен с выходом диода 28. Переизлучающая антенна 22 реализована в виде полоскового излучателя, расположенного над экранирующей плоскостью. Первый полюс переизлучающей антенны 22 расположен на полосковом излучателе, второй полюс переизлучающей антенны 22 расположен на экранирующей плоскости.
К полосковому излучателю переизлучающей антенны 22 подключены входы диодов 26 и 27. Выходы диодов 28 и 25 подключены к экранирующей плоскости.
Поисковая система маркированных грузов работает следующим образом. Предварительно на маркируемый объект прикрепляется полосковый мостовой нелинейный рассеиватель 20. Пр решении задачи обнаружения маркированного объекта поисковая система маркированных грузов, располагаясь на подвижном носителе, излучает в пространство при помощи генератора 16 запросного сигнала и излучающей антенны 17 запросный сигнал в направлении поиска.
В случае, если в зоне облучения окажется маркированный объект, запросный сигнал наводится на антенне 21 и через излучатели 23 и 24 поступает на последовательно соединенные по мостовой схеме полупроводниковые диоды 28, 25, 26, 27. Протекающий по диодам 28, 25, 26, 27 эйдетический ток на частоте запросного сигнала искажается из-за нелинейного вида вольт-амперной характеристики диодов. В результате в спектре протекающего по диодам 28, 25, 26, 27 эйдетического тока появляются спектральные компоненты на частоте второй гармоники запросного сигнала. Это приводит к тому, что на полюсах переизлучающей антенны 22 появляется ЭДС на частоте второй гармоники запросного сигнала, тог есть на частоте ответного сигнала. В результате переизлучающей антенной 22 излучается сигнал на частоте ответного сигнала в направлении антенны 18, принимающей ответный сигнал, и поступает на вход приемника 19. При появлении на индикаторе приемника 19 сигнала о приеме сигнала на частоте ответного сигнала делается заключение о том, что в зоне облучения находится маркированный объект с прикрепленным к нему полосковым мостовым нелинейным рассеивателем 20.
В качестве генератора 1 запросного сигнала может быть использован измерительный генератор типа Г4-159.
В качестве излучающей антенны 17 и антенны 18, принимающей ответный сигнал, могут быть использованы измерительные антенны П6-33. В качестве приемника 19 может быть использован измерительный приемник типа SMV-8.5.
Полосковые излучатели 23, 24 антенны 21 и полосковый излучатель антенны 22 могут быть изготовлены по [Ломан В.И., Ильинов М.Д., Гоцуляк А.Ф. // Зарубежная радиоэлектроника. 1981. №10. С. 99-116]. В качестве нелинейных элементов 28, 25, 26, 27 могут быть использованы полупроводниковые диоды Д311, аналогично [Д.Ш. Агрба, Н.Ю. Бабанов, О.Н. Бычков, Л.В. Васенкова, А.А. Горбачев, С.В. Ларцов, С.П. Тараканков, Е.П. Чигин. Нелинейные рассеиватели как средства маркировки // Радиотехника. - 1998. - №10. - С. 96-100].
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет маркировать различные объекты при помощи эффективных маловыступающих полосковых мостовых пассивных нелинейных радиоответчиков.