ИНДИКАТОР ПОЛЯ СВЧ ИЗЛУЧЕНИЯ
INDICATOR OF MICROWAVE RADIATION FIELD

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к разделу обнаружения излучения СВЧ и определению местоположения его источников с помощью устройства, содержащего приемную антенну и индикатор ее выходного тока. Данный индикатор поля СВЧ излучения может найти применение для поиска и обнаружения источников такого излучения, определения его местоположения, а также для мониторинга уровня основного и побочных радиоизлучений разного рода бытовых, медицинских и промышленных установок, а также для регистрации зондирующих сигналов РЛС с непрерывным и импульсным излучением в диапазонах дециметровых и сантиметровых радиоволн.
Известен индикатор поля - частотомер СВЧ диапазона [1], отличающийся простотой устройства, но обладающий малой чувствительностью по причине использования одиночной вибраторной антенны и простейшего диодного детектора, выход которого подключен ко входу операционного усилителя, выход которого нагружен на индикатор тока - микроамперметр. Другое устройство такого же названия [2] отличается некоторым усовершенствованием, но сохраняется низкая чувствительность. Кроме того, наличие операционного усилителя требует дополнительного автономного источника питания, имеющего ограниченную электрическую емкость. Последнее обстоятельство при продолжительной или непрерывной работе требует периодической замены гальванических элементов или подзарядки аккумуляторной батареи.
Таким образом, общим недостатком обоих аналогов является низкая чувствительность и наличие автономного источника питания.
От указанных выше недостатков свободны индикаторы поля ВЧ и СВЧ излучения, не имеющие усилительных приборов и не требующих источников питания. Такие приборы имеют простейшую вибрационную антенну, диодный детектор, нагруженный на измеритель постоянного тока - обычно высокочувствительный микроамперметр, и применяются со времен первых опытов по радио в 19-м веке. Но эти индикаторы сохраняют существенный недостаток - низкую чувствительность по причине малой эффективности детекторных диодов. Обычные детекторные диоды на основе германия, кремния и арсенида кремния «открываются» и начинают проводить ток при напряжении сигнала ВЧ и СВЧ более 150-550 мВ, что ограничивает реальную чувствительность детектора. Указанный недостаток устраняется в случае использования для амплитудного детектора обращенных переключающих туннельных диодов на основе арсенида галлия. Последние обладают исключительно высокой эффективностью благодаря тому, что они начинают проводить ток при напряжении, исчисляемом десятками микровольт [3].
Наиболее близким к выполнению заявленных требований можно считать устройство индикатора поля СВЧ [3].
Таким образом, наиболее близким по технической сущности является устройство [3], содержащее полуволновой диполь, два обращенных туннельных диода, измеритель тока и шунтирующий его электрический конденсатор постоянной емкости, которое можно выбрать за прототип.
Недостатком наиболее близкого технического решения является его относительно малая чувствительность в диапазонах дециметровых и сантиметровых радиоволн.
Требуемый технический результат - увеличение чувствительности устройства в диапазонах дециметровых и сантиметровых волн.
Требуемый технический результат достигается тем, что изменяется состав элементов детектора, а также число вибраторов, детекторов и электрическая связь между ними. Усовершенствование детектора обеспечивается использованием только одного обращенного туннельного диода, соединяющего своими выводами внешние концы обоих вибраторов диполя, а измеритель тока и шунтирующий его конденсатор постоянной емкости соединяют собой внутренние концы вибраторов диполя. Благодаря этому осуществляется оптимальное согласование высокоомных сопротивлений диполя и входного сопротивления детектора, что повышает эффективность детектирования и чувствительность устройства.
Дальнейшее улучшение технического результата - повышение чувствительности устройства достигается путем введения в устройство дополнительных обращенных туннельных диодов и вибраторов, соединенных между собой последовательно и синфазно, в результате чего суммарное выходное напряжение данной антенной линейки значительно возрастает по сравнению с выходным напряжением двух вибраторов и одного обращенного туннельного диода. При этом в диапазонах дециметровых и сантиметровых волн число диодов может исчисляться десятками.
Анализ научно-технической и патентной литературы показал, что до даты подачи заявки отсутствовали устройства с указанной совокупностью признаков. Следовательно, заявляемое предложение отвечает требованиям новизны.
Кроме того, требуемый технический результат достигается всей вновь введенной совокупностью существенных признаков, в частности, использованием только одного обращенного туннельного диода вместо двух, включенного между внешними концами вибраторов диполя и подключением измерителя тока вместе с шунтирующим его конденсатором постоянной емкости к внутренним концам вибраторов, а последовательным однородным соединением дополнительно введенных обращенных туннельных диодов и вибраторов.
Результатом реализации данного предложения может быть реальное увеличение чувствительности (выходного напряжения сигнала) в десятки раз. Следовательно, предложение отвечает требованиям изобретательского уровня.
Суть предлагаемого устройства раскрывается нижеприведенными графическими материалами и пояснительным текстом.
На фиг.1 приведен эскиз антенны устройства, выбранного в качестве прототипа (а) и его эквивалентная принципиальная схема индикатора поля СВЧ (б).
Фиг.2 дает представление о вольтамперной характеристике обращенного туннельного диода на основе арсенида галлия АИ402 и полярности его включения.
Фиг.3 изображает конструкцию предлагаемого устройства, где введены следующие условные обозначения:
1 - левый по схеме вибратор;
2 - правый по схеме вибратор;
3 - обращенный туннельный диод;
4 - шунтирующий конденсатор постоянной емкости;
5 - измеритель тока РА;
6 - точки пайки выводов диода 3;
7 - «минусовой» вывод устройства;
8 - «плюсовой» вывод устройства;
9 - печатная монтажная плата;
λ - длина волны;
l=λ/2 - длина вибратора;
λ/4 - ширина вибратора;
0
0
U и -U - противофазные напряжения СВЧ сигнала на внешних концах вибраторов.
0
0
0
Фиг.4 поясняет распределение огибающей тока I(l)=Icos(2πl/λ) и напряжения U(l)=Usin(2πl/λ) вдоль вибратора общей длиной l=λ/2 при нормальном падении СВЧ волны Ecos(wt).
Фиг.5 иллюстрирует взаимное положение диаграммы направленности приема/излучения полуволновых диполей при параллельном размещении их в одной плоскости (варианты АС и ВД) и последовательно друг за другом в одну линию (варианты АВ и СД), где θ - угол падения волны СВЧ излучения относительно нормали к центру каждого полуволнового диполя.
Фиг.6 представляет собой топологию индикатора поля согласно заявляемому устройству при использовании трех обращенных туннельных диодов и четырех вибраторов, где:
1-1 и 1-2 - левые вибраторы;
2-1 и 2-2 - правые вибраторы;
3-1, 3-2, 3-3 - обращенные туннельные диоды;
4 - отсутствует;
5 - отсутствует;
6 - точки пайки;
7 - «минусовой» вывод;
8 - «плюсовой» вывод;
9 - печатная монтажная плата;
l=4λ/2=2λ - длина печатной платы;
λ/4 - ширина вибраторов;
0,46λ - длина каждого вибратора;
λ/2 - расстояние между точками пайки выводов диодов.
Фиг.7 представляет собой топологию индикатора поля СВЧ, в котором задействованы 10 обращенных туннельных диодов и 12 вибраторов для длины волны λ=6,0 см, где введены следующие обозначения:
1-1, 1-2, 1-3, 1-4, 1-5, 1-6 - шесть левых вибраторов;
2-1, 2-2, 2-3, 2-4, 2-5, 2-6 - шесть правых вибраторов;
3-1, 3-2, 3-3, 3-4, 3-5, 3-6, 3-7, 3-8, 3-9, 3-10 - десять обращенных туннельных диодов;
4 - отсутствует;
5 - отсутствует;
6 - точки пайки;
7 - «минусовой» вывод;
8 - «плюсовой» вывод;
9 - печатная монтажная плата;
10 - дополнительный проводник, соединяющий собой внутренние выводы вибраторов 2-3 и 1-4.
2
Фиг.8 представляет собой зависимость относительной величины эффективной площади поверхности обратного рассеяния, приема и излучения энергии СВЧ излучения σ/λ от длины вибратора при его длине l≤λ (2πl/λ≤3) и l≤4λ (2πl/λ≤12). Теоретические данные представлены сплошной линией, данные эксперимента - точками.
Как видно из эскиза и схемы прототипа на фиг.1, антенна - полуволновый диполь длиной l=0,46λ, где λ - длина волны, м, выполненный способом печатным односторонним монтажом на стеклотекстолитовой подложке. Детектор содержит два диода, VD1 и VD2 типа АИ 402 на основе арсенида галлия, нагруженный на микроамперметр РА со шкалой 0-50 мкА и внутренним сопротивлением 500 Ом. По высокой частоте выход детектора зашунтирован конденсатором постоянной емкости C1 200 пФ. Диод VD1 детектирует прямую волну, диод VD2 - обратную.
-9
Согласно [3], данный индикатор поля благодаря уникальной вольт-амперной характеристике арсенид-галлиевых обращенных переключающих туннельных диодов АИ402, приведенной на фиг.4, обладает высокой чувствительностью [5]. Как следует из фиг.2, вольт-амперная характеристика диодов АИ402 проходит через нуль напряжения, что позволяет детектировать очень слабые сигналы мощностью до 10 Вт. Диоды других типов начинают процесс детектирования при напряжении сигнала более нуля, около 0,15 B для германиевых и 0,55 B для кремниевых диодов. Правда, детектирование осуществляется не на прямой, а на обратной ветви характеристики, вследствие чего диоды этого типа называются обращенными [5].
Обращенный режим сохраняется при амплитуде входного сигнала не более 500-600 мВ, после чего начинает сказываться влияние прямой ветви. Поэтому полярность выходного напряжения детектора на обращенных диодах является обратной графического изображения диода, как показано на фиг.2.
Таким образом, с точки зрения главных требований к портативному индикатору поля СВЧ излучения - высокая чувствительность и отсутствие автономного источника тока, устройство, описанное в [3], можно принять за прототип. Согласно описанию [3], прототип способен обнаруживать излучение УКВ радиостанций и определять направление на них по максимуму сигнала на большом расстоянии. И в этом нет ничего удивительного, если регистрировать излучение в метровом диапазоне радиоволн, как это подтверждено в [3]. Покажем это на простом примере.
Согласно основам теории радиолокации [7], максимальное значение эффективной площади поверхности излучения, приема и рассеяния энергии электромагнитных излучений, полуволновым диполем определяется простым соотношением:
Пусть λ=1,0 м, тогда
2
σ=0,86, м,
что представляет собой значительную величину. При этом выпрямленное напряжение детектора, подключенного к антенне, составит
2
где ρ - плотность потока мощности измерения в точке приема, Вт/м;
вх
R - входное сопротивление детектора, Ом.
2
вх
вых
Если предположить средние значения ρ=2,0 мВт/м и R=500 Ом, то тогда согласно (2) выходное напряжение детектора должно составлять U=930 мВ, что весьма значительно.
Однако здесь следует признать, что совершенно иная картина будет наблюдаться в диапазонах дециметровых и сантиметровых волн. Например, на волне λ=0,1 м формула (2) с учетом (1) дает
вых
U=9,3 мВ,
а на волне λ=0,03 м и того меньше:
вых
U≈1,0 мВ.
и
Следовательно, в самых распространенных диапазонах СВЧ радиоволны S (3,0-3,9 ГГц) и Х (8,5 - 12,5 ГГц) индикатор поля [3] будет функционировать неэффективно.
Низкая эффективность детектора при ранее существовавшей схеме подключения входа детектора в разрыв диполя, находящийся в точке O, связана с очень малым выходным сопротивлением его, равным 73 Ом, тогда как входное сопротивление диодного детектора не менее 0,5 кОм. В этом случае наблюдается резкое рассогласование сопротивления, что снижает КПД преобразования энергии. Обеспечить практически полное согласование обоих сопротивлений можно, если детектор включить между крайними выводами диполя, где согласно данным фиг.4 разность потенциалов и выходное сопротивление максимально. В этом случае нагрузка детектора - измеритель тока и шунтирующий его электрический конденсатор должны быть включены в разрыв диполя, как представлено на фиг.3.
Согласно данным [4], проволочные вибраторные диполи обладают резко выраженным резонансом на частотах, когда их длина кратна нечетному числу полуволн наблюдаемого поля СВЧ излучения. Практика показывает, что резкая резонансная характеристика диполей может быть заметно уменьшена, если увеличить площадь поверхности диполя. Лучше всего это можно сделать путем выполнения диполей плоской формы на диэлектрической подложке методом печатного монтажа. При этом ширина диполя выбирается близкой к величине λ/4.
Принятие указанных выше мер способствует повышению чувствительности нового устройства по сравнению с прототипом при одновременном сокращении числа используемых диодов с двух до одного.
Малые размеры диполей дециметрового и сантиметрового диапазонов СВЧ радиоволн позволяют значительно увеличить чувствительность индикатора поля новой конструкции за счет последовательного синфазного соединения выходов нескольких однотипных измерителей. Например, общая длина выводов обращенного переключаемого туннельного диода АИ402А-АИ402В составляет 3,0 см, следовательно, вариант схемы на фиг.6 пригоден для наблюдения за излучением на длине волны λ=2·3,0=6,0 см.
Согласно техническим требованиям к монтажу обращенных туннельных диодов АИ402 и ЗИ402 с любым последующим буквенным индексом [5], допускается укорачивание выводов до 7,5 мм с каждой стороны без приложения механической нагрузки к корпусу прибора. Таким образом, общая длина укороченных выводов диполя может достигать 15 мм, что позволяет создавать индикаторы поля СВЧ излучения с минимальной длины волны λ=2·15=30 мм=3,0 см.
Дальнейшее значительное повышение чувствительности предлагаемого устройства осуществляется за счет увеличения числа вибраторов и обращенных туннельных диодов, соединенных между собой последовательно и однополярно параллельно в одной плоскости или друг за другом в одной линии, как представлено на фиг.5.
При компланарном размещении вибраторов (варианты А, С и В, Д) минимальное расстояние между диполями регламентируется нежелательным влиянием внешних полей соседних диполей друг на друга, так как при этом их диаграммы направленности направлены навстречу друг другу, описываемые как
где θ - угол между направлением прихода волны E и продольной оси диполя;
0
U - максимальное напряжение при нормальном падении волны E, когда θ=0.
Практически этим влиянием можно пренебречь, когда диоды размещены на границе первой зоны Френеля [7], то есть далее одной длины волны λ друг от друга.
вых
Что касается последовательной схемы, то при θ=90° U=0 взаимное влияние практически отсутствует, а поэтому можно допустить электрический контакт между внешними концами соседних диполей, минимизируя при этом геометрические размеры группы пар диполей.
В соответствии с изложенным выше, в качестве примера ниже приводится описание варианта конструкции индикатора поля СВЧ излучения заявленного изобретения, содержащего 3 обращенных туннельных диода и 4 вибратора, представленного на фиг.6. Конструкции диполей выполнены на основе односторонней фольгированной медью подложке из стеклотекстолита печатным способом, а соединение выводов диодов с поверхностью диполей осуществляется низкотемпературным оловянно-свинцовым припоем.
На фиг.6 отсутствуют элементы 4 и 5, указанные выше на фиг.1 и фиг.3. Измеритель тока РА на позиции 5 представлен выводами 7 и 8, которые подключены к прибору. Наличие конденсатора 4 в диапазонах дециметровых и сантиметровых волн не является необходимым, так как шунтирование прибора 5 по переменному току эффективно осуществляется за счет собственной емкости микроамперметра (10 пФ) и паразитной емкости монтажа (2 пФ). Например, на длине волны 10 см (частота 3,0 ГГц) модуль реактивного сопротивления паразитной емкости составляет всего
Очевидно, что на более высокой частоте, например 9 ГГц, модуль сопротивления будет еще меньше, всего 1,6 Ом.
Если принимать во внимание только паразитную емкость монтажа, то модуль реактивного сопротивления составит 25 и 8 Ом соответственно, что вполне приемлемо для амплитудного детектора.
Последовательность соединения выходов детекторов достигается тем, что диод 3-1 соединяет по постоянному току плечо 1-1 с вибратором 2-1, которое имеет прямой электрический контакт с вибратором 2-2, а тот через диод 3-2, соединенным непосредственно с вибратором 1-2, имеет контакт с диодом 3-1, соединенным непосредственно с вибратором 2-3. Выходное напряжение отрицательной полярности снимается с точки 7, а положительной - с точки 8. Ширина разрыва между плечами диполей 1-2 мм.
Как можно видеть из схемы на фиг.6, распайка выводов каждого диода в отдельности производится на расстоянии λ/2 друг от друга, что обеспечивает максимум выходного напряжения каждого диода и всей их совокупности в последовательной цепи.
Если источник СВЧ излучения находится на расстоянии, значительно большем, чем размеры платы устройства, то можно полагать, что выходные напряжения всех трех детекторов равны между собой, а поэтому при их синфазном сложении выходное напряжение устройства с тремя детекторами будет втрое больше, чем для одного. Очевидно, что в случае последовательного соединения N оно будет в N раз больше:
Теоретически число детекторов в предлагаемом изобретении может быть значительным. При этом следует учитывать, что одновременно с увеличением выходного напряжения растет выходное сопротивление
1
вых
Практически диоды АИ402А-АИ402В в режиме малого сигнала имеют выходное сопротивление R≅500 Ом, следовательно, в случае использования N детекторов общее выходное сопротивление составит
При этом общее число N может составлять от нескольких единиц до нескольких десятков.
В качестве примера на фиг.7 приведена топология печатной монтажной платы индикатора поля СВЧ излучения, на которой размещены N=10 диодов по последовательной схеме и N+2=12 вибраторов.
Из сравнения топологии печатных плат устройства следует, что если число диодов нечетно (3 на фиг.6), то число вибраторов - на единицу больше (4 на фиг.6). В случае четного числа диодов (10 на фиг.7) число вибраторов на 2 больше (12 на фиг.7). Таким образом, если число диодов N=2n+1, то число вибраторов равно N+1, если N=2n, то число вибраторов равно N+2.
С целью подтверждения технического эффекта заявленного изобретения, были проведены экспериментальные исследования макета индикатора поля СВЧ излучения, рассчитанного на длину радиоволны 6,0 см. Детекторы выполнены на арсенид-галлиевых обращенных переключающих туннельных диодах АИ402В, имеющие при прямом токе 1,0 мА сопротивление обратной ветви 140-160 Ом и прямой 1400-1800 Ом, что обеспечивает эффективное детектирование очень слабых сигналов.
Печатная плата - односторонний фольгированный стеклотекстолит толщиной 2,0 мм, пайка выводов диодов осуществлялась оловянно-свинцовым припоем ПОС-61И при температуре накала паяльника +190°C.
2
Проверка работоспособности макета индикатора поля СВЧ излучения осуществлялась с помощью генератора стандартных сигналов НР83711В фирмы Hewlett Packard в диапазоне гармонических колебаний от 1,0 до 20 ГГц. Выходная мощность генератора в пределах от +10 до -90 дБ мВт, уровень нелинейных искажений (гармоник) не более 1,5%. Нагрузкой генератора являлся одновибратор длиной l=5/8λ=37 мм. На расстоянии 0,3 м плотность потока мощности горизонтально поляризованного поля СВЧ составляла 1,5 мВт/м.
В качестве измерительных приборов применялись 3 микроамперметра класса 2,5 со шкалой: 0-20 мкА; 0-50 мкА и 0-150 мкА, а также цифровой милливольтметр со шкалой 0-200 мВт с шагом квантования 100 мкВ Китайского производства типа PMLCD-3-1/2 Didital Panel Meter. При напряжении питания 9,0 В его потребляемый ток составлял 1,2 мА, а входное сопротивление по постоянному току было равно 100 мОм. Срок службы батареи 6LF 22 составил 400 часов. Микроамперметры имели внутреннее сопротивление около 2,0 кОм и шкалу, квантованную с шагом 0,5 мкА; 1,0 мкА и 10 дБ соответственно.
Измерения показали, что при использовании микроамперметров отклонение стрелки на одно деление наблюдалось на удалении от 5 до 10 м, а перегрузка («зашкаливание») вблизи источника на расстоянии 0,3-1,0 м. Наибольшая дальность обнаружения наблюдалась при использовании цифрового милливольтметра - до 30 м. На расстоянии 1,0 м напряжение, развиваемое одним детектором, составляло 32 мВ на волне 6,0 см. Суммарное напряжение было примерно в 10 раз больше - 305 мВ.
Сравнение данных измерений с теоретическими расчетами показали занижение на 15-20% за счет дополнительных потерь, не учитываемых в методике. Как и следовало ожидать, микроамперметр со шкалой 0-20 мкА дал наилучшие результаты, но пришлось последовательно с ним включить дополнительный переменный резистор на 15 кОм с целью предотвращения перегрузки (зашкаливания») прибора вблизи источника излучения.
2
Возможности генератора стандартных сигналов позволили провести измерения в широкой полосе частот от 1,0 до 20,0 ГГц, то есть на волнах длиной от 1,5 см до 30 см. Оказалось, что устройство, содержащее 10 диодов (две линии по 5 диодов), обладает высокой чувствительностью на более низких частотах, вплоть до 1,0 ГГц, имея ослабление здесь всего на 8 дБ менее чем на резонансной частоте 6,0 ГГц. Это явление можно объяснить тем, что линию из 5 диодов общей длиной 18 см можно рассматривать как полуволновой диполь для λ=2·18=36 см. Это следует из данных фиг.8. Так, для случая одиночного полуволнового диполя (а) наблюдается острый резонанс при l=λ/2 и резкий спад как в области низких частот (рассеяние Рэлея), так и в области более высоких частот. Для вибратора длиной l>>λ/2 наблюдается быстрый рост относительной величины эффективной площади σ/λ, что подтверждает полученные результаты.
Таким образом, положительный технический эффект данного заявленного изобретения является очевидным и отличается новизной. При этом суть изобретения заключается в следующем: индикатор поля СВЧ излучения, включающий в себя два вибратора одинаковой длины, обращенный туннельный диод и измеритель постоянного тока, отличающийся тем, что в него дополнительно включены N обращенных переключающих туннельных диодов и N+1 или N+2 вибраторов таким образом, что все вибраторы имеют одинаковую длину, равную половине длины волны СВЧ излучения λ, размещенные в одной плоскости вдоль общей продольной оси симметрии последовательно друг за другом; все диоды соединены между собой также последовательно и однополярно в точках, находящихся в центрах вибраторов; измеритель постоянного тока своим «минусом» соединен с внутренним выводом первого по счету вибратора, а своим «плюсом» - с внутренним выводом последнего по счету вибратора, при этом, если общее число диодов N - нечетное, то число вибраторов равно N+1, а при N - четном число вибраторов равно N+2.
Источники, принятые во внимание
1. Индикатор поля - частотомер СВЧ диапазона. Патент РФ на изобретение №2272300 по заявке №2004132090 от 04.11.2004, зарегистрирован 20.03.2006. Владелец Военная академия РВСН имени Петра Великого, г.Москва. Авторы Омельченко Б.В., Николаев А.В., Васильев В.А., Аксенов С.С.
2. Индикатор поля - частотомер излучения радиодиапазона СВЧ. Патент РФ на изобретение №2308040 по заявке №2006126067 от 19.07.2006, зарегистрирован 10.10.2007. Владелец Военная академия РВСН имени Петра Великого, г.Москва. Авторы Васильев В.А., Аксенов С.С, Пикалов О.Г.
3. Индикатор поля // Радио, 2003, №3, с.66.
4. Котт В.М., Гавриков Г.К. Баваров С.Ф. Туннельные диоды в вычислительной технике. - М.: Советское радио, 1967. - 216 с. См. с.34-36.
5. Полупроводниковые приборы: диоды высокочастотные, диоды импульсные, оптоэлектрические приборы. Справочник. - М.: Радио и связь, 1988.-680 с. См. с.240-255.
6. Теоретические основы радиолокации. Под редакцией профессора. Я.Д.Ширмана. - М.: Советское радио, 1970. - 560 с. См. с.35-39.
7. Кинг Р., У Тай-Цзунь. Рассеяние и дифракция электромагнитных волн. Перевод с английского под редакцией Э.Л. Бурштейна. - М.: Иностранная литература, 1962. - 194 с. См. с.95, рис.35а, с.139 рис.47.