ДЕТЕКТОР СВЧ
SHF DETECTOR

Изобретение относится к волноводной технике СВЧ, в частности к детекторам (смесительным элементам) СВЧ (видеодетекторам), которые применяются в различных областях радиотехники для целей индикации и измерения интенсивности электромагнитного (э/м) поля, в частности в охранных извещателях радиотехнического принципа действия, работающих в микроволновом диапазоне радиоволн и получивших название радиоволновые извещатели или радиолучевые средства обнаружения (РЛСО).
РЛСО предназначены для обнаружения и регистрации фактов вторжения посторонних лиц (нарушителей) на территорию охраняемого объекта. По структуре и конструктивному исполнению РЛСО разделяются на двухпозиционные и однопозиционные.
Принцип действия двухпозиционных РЛСО основан на формировании между антеннами передатчика (ПРД) и приемника (ПРМ), устанавливаемыми на противоположных концах охраняемого участка, зондирующего э/м поля, и регистрации в ПРМ модуляции огибающей интенсивности этого поля, возникающей при пересечении целью (нарушителем) охраняемого участка. В однопозиционных РЛСО ПРД и ПРМ объединены в одном конструктиве-приемопередатчике, который устанавливается на одном из концов охраняемого участка. Принцип их действия основан на регистрации отраженного нарушителем зондирующего э/м поля по направлению «назад».
Максимальная длина участка ограничивается максимальной дальностью действия РЛСО, которая в наиболее известных вариантах изделий составляет от 50 до 300 м.
Конечной целью настоящего изобретения является увеличение максимальной дальности действия РЛСО, что позволило бы снизить затраты на оборудование протяженных периметров объектов системами охранной сигнализации. Основными возможными путями увеличения максимальной дальности действия РЛСО являются:
- увеличение уровня излучаемой передатчиком мощности СВЧ;
- повышение чувствительности приемного тракта.
Первый путь неприемлем, так как уровень излучаемой мощности ограничен требованиями нормативных документов государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ). Поэтому остается один путь - повышение чувствительности приемного тракта РЛСО, основным узлом которого является детектор (смеситель) СВЧ.
В большинстве современных РЛСО применяются волноводные конструкции детекторов СВЧ, которые строятся на базе детекторных полупроводниковых диодов СВЧ, помещенных в специальный высокочастотный держатель - детекторную секцию с резонатором, выполненным из отрезка волновода прямоугольного сечения.
Основным параметром, характеризующим эффективность работы детектора СВЧ, как и детекторного СВЧ-диода, является чувствительность по напряжению βν, которая определяется выражением (Справочник. Полупроводниковые приборы. Сверхвысокочастотные диоды. Под редакцией В.А.Наливайко. Томск МГП «РАСКО». 1992):
пд
пер.
где ΔV - приращение выходного напряжения детектора, нагруженного на согласованное входное сопротивление НЧ приемного тракта; P - падающая мощность СВЧ-сигнала (поступающая на вход детектора). (На практике параметр βν называют также коэффициентом передачи по напряжению K)
Чувствительность детектора СВЧ зависит не только от характеристик детекторного диода, но и от правильного выбора конструкции детекторной секции.
Известны следующие аналоги изобретения:
- детекторная секция ФЫМ 3.565.046, используемая ОАО НИИПП г.Томск - заводом изготовителем детекторных СВЧ-диодов АА121А в качестве измерительной оснастки при проверке диодов по аАО.336.316 ТУ;
- серия облучателей детекторных разработки НИКИРЭТ - филиала ФГУП ФНПЦ «ПО «Старт» им. М.В.Проценко», используемых в серийно выпускаемых РЛСО: «РЛД-73», «Губка 1», «Гербицид», «РЛД 94 УМ», «РЛД Редут 300» и др.
- узел крепления СВЧ-диода в устройстве, описанном в патенте РФ «Радиолучевой извещатель охраны, способ его установки и узел крепления СВЧ-диода для него» №2103743 от 24.10.95, Кл. G08В 13/18, 13/24, Н01Р 1/00.
Перечисленные аналоги работают в диапазоне радиочастот от 9.0 ГГц до 37 ГГц.
Конструкции первых двух аналогов во многом сходны и содержат объемный резонатор, который представляет собой отрезок ступенчатого прямоугольного волновода с короткозамыкателем на одной торцевой стенке, коаксиальный цанговый узел крепления первого электрода (анода) диода, установленный на широкой стенке волновода, пружинный контакт второго электрода (катода) диода, установленный на противоположной широкой стенке волновода; связь диода с волноводом - емкостная, обеспечивается установкой СВЧ-диода в пучности напряженности электрической составляющей электромагнитного поля, поступающего в волновод. Ступенчатая форма отрезка волновода обеспечивает согласование сопротивления питающего прямоугольного волновода с коаксиальным цанговым узлом крепления анода диода. Электрическое соединение электродов диода с волноводом и цанговым узлом крепления осуществляется с помощью пружинящих контактов. Связь детектора с питающим антенным волноводным трактом осуществляется посредством фланцевых, или бесфланцевых соединений.
в
Грубая настройка согласования детекторной секции с внешним трактом достигается установкой диода возможно ближе к максимуму (пучности) напряженности электрической составляющей э/м поля. Это достигается подбором расстояния короткозамыкателя (торцовой стенки резонатора) относительно диода, которое должно быть близко или кратно четверти длины волны в волноводе (λ).
Точная настройка детекторов на максимум чувствительности производится путем перемещения СВЧ-диода по его оси параллельно узкой стенке волновода с помощью узла крепления.
Недостатками этих аналогов являются:
пер
- малая чувствительность (достигнутый коэффициент передачи по напряжению в этих аналогах находится в пределах K=600-1800 В/Вт);
- сложная конструкция детектора и высокая трудоемкость его изготовления, которые вызваны наличием сложных в изготовлении деталей: цангового зажима диода, второго соосного узла крепления детекторного диода на противоположной широкой стенке волновода. Это обуславливает жесткие требования к точности изготовления деталей и сборочных единиц детектора.
Наиболее близким к изобретению аналогом по конструктивному исполнению является узел крепления СВЧ-диода в устройстве, описанном в патенте РФ «Радиолучевой извещатель охраны, способ его установки и узел крепления СВЧ-диода для него» №2103743 от 24.10.95, Кл. G08В 13/18, 13/24, Н01Р 1/00.
Известный узел крепления СВЧ-диода содержит отрезок прямоугольного питающего волновода, внутри которого перпендикулярно к широким стенкам установлен СВЧ-диод патронного типа, к второму электроду диода параллельно широким стенкам волновода присоединен плоский металлический диск, крепление первого электрода СВЧ-диода осуществляется через цилиндрическую металлическую втулку, закрепленную резьбовым соединением с широкой стенкой волновода через отверстие в широкой стенке, глубина погружения нижней части втулки в волновод ограничена контргайкой, закрепленной на верхней части втулки, первый электрод диода закреплен в первом глухом отверстии, выполненном соосно со стороны нижнего конца втулки с обеспечением возможности перемещения диода вдоль оси втулки при закреплении, в металлической втулке выполнено сквозное второе отверстие, ось которого смещена по диаметру параллельно оси втулки, во второе отверстие установлена диэлектрическая втулка, через которую в волновод введен металлический стержневой вывод, длина которого превышает совокупную длину втулки и диода, нижний конец стержневого вывода закреплен на металлическом диске, верхний конец вывода является электрическим выходом узла.
Грубая настройка узла на требуемую резонансную частоту осуществляется выбором расстояния между металлическим диском и нижним торцевым концом втулки, выбором диаметра и толщины диска, выбором расстояния между осями втулки и стержневого вывода. Точная настройка осуществляется перемещением втулки в резьбовом отверстии волновода, выбором угла поворота втулки относительно оси волновода и перемещением короткозамыкающего волновод прямоугольного поршня, который после настройки опаивается по контуру.
Настоящее изобретение содержит следующие сходные технические признаки с признаками известного узла крепления СВЧ-диода: отрезок прямоугольного питающего волновода, внутри которого перпендикулярно к широким стенкам установлен СВЧ-диод патронного типа, крепление первого электрода СВЧ-диода осуществляется через цилиндрическую металлическую втулку, закрепленную резьбовым соединением с широкой стенкой волновода через отверстие в широкой стенке, глубина погружения нижней части втулки в волновод ограничена контргайкой, закрепленной на верхней части втулки, первый электрод диода закреплен в первом глухом отверстии, выполненном со стороны нижнего конца втулки, в металлической втулке выполнено сквозное второе отверстие, ось которого смещена по диаметру параллельно оси втулки, во второе отверстие установлена диэлектрическая втулка, через которую в волновод введен металлический стержневой вывод, длина которого превышает совокупную длину втулки и диода, верхний конец вывода является электрическим выходом узла.
Недостатками известного узла крепления СВЧ-диода являются:
- низкая чувствительность детектора, построенного на основе этого узла крепления (при установке в него детекторного СВЧ-диода АА121А измеренная чувствительность детектора СВЧ на частотах 18,5 и 13.7 ГГц составила 600-800 В/Вт);
- сложность конструкции узла крепления и высокая трудоемкость его изготовления.
Причины низкой чувствительности детектора, построенного на основе этого узла крепления и упомянутых выше других аналогов, по мнению авторов, обусловлены следующим.
Во-первых, наличие в волноводе перемещающихся при настройке неоднородностей (цилиндрической металлической втулки, металлического диска и других деталей), а также технологические разбросы геометрических размеров упомянутых деталей вносят искажения в распределение э/м поля в волноводе, что может привести к смещению максимума (пучности) напряженности электрической составляющей э/м поля, в том числе и относительно продольной оси волновода. В этом случае, по причине отсутствия в упомянутых аналогах возможности перемещения диода в плоскости, параллельной широким стенкам волновода, оптимальная настройка положения диода в волноводе (в максимуме напряженности электрической составляющей э/м поля) становится невозможной.
Во-вторых, в упомянутых аналогах используется емкостная связь диода СВЧ с волноводом и не используется индуктивная связь, которая позволила бы дополнительно увеличить чувствительность детектора за счет использования энергии магнитной составляющей э/м поля, поступающего на вход волновода,
Сложность конструкции известного узла крепления СВЧ-диода и высокая трудоемкость его изготовления вызваны наличием в волноводе резонаторного металлического диска и связанной с ним необходимостью выполнения ряда трудоемких операций по сборке и настройке детектора: закрепления диода с помощью пайки на металлическом диске и в глухом отверстии втулки, неоднократной перепайки диода в процессе настройки с целью дискретной его переустановки вдоль оси втулки, а также необходимость перемещения и пайки короткозамыкателя при точной настройке детектора.
Целями настоящего изобретения являются:
- повышение чувствительности детектора СВЧ;
- упрощение конструкции и снижение трудоемкости изготовления детектора СВЧ.
Для повышения чувствительности детектора в изобретении поставлены следующие технические задачи:
1) обеспечить возможность изменения положения СВЧ-диода в плоскости, параллельной широким стенкам волновода, в том числе, относительно продольной оси волновода, при вращении металлической втулки в процессе настройки детектора;
2) дополнить имеющуюся емкостную связь детекторного диода с волноводом индуктивной связью.
С целью упрощения конструкции и снижения трудоемкости изготовления детектора, в изобретении поставлена третья техническая задача:
3) имеющееся в ближайшем аналоге жесткое крепление диода (с применением пайки) заменить разъемным соединением с помощью пружинящих контактов.
Упомянутые технические задачи 1) и 2) в настоящем изобретении решены следующим образом. В известный узел крепления СВЧ-диода патронного типа, содержащий отрезок прямоугольного питающего волновода, внутри которого перпендикулярно к широким стенкам установлен СВЧ-диод, крепление первого электрода диода осуществлено через цилиндрическую металлическую втулку, закрепленную резьбовым соединением с широкой стенкой волновода через отверстие в широкой стенке, глубина погружения нижней части втулки в волновод ограничена контргайкой, закрепленной на верхней части втулки, первый электрод диода закреплен в первом глухом отверстии со стороны нижнего конца втулки, в металлической втулке выполнено сквозное второе отверстие, ось которого смещена по диаметру параллельно оси втулки, во второе отверстие установлена диэлектрическая втулка, через которую в волновод введен металлический стержневой вывод, длина которого превышает совокупную длину втулки и диода, верхний конец вывода является электрическим выходом детектора СВЧ, согласно настоящему изобретению введены следующие усовершенствования: ось глухого отверстия со стороны нижнего конца металлической втулки, в котором закреплен первый электрод СВЧ-диода, смещена по диаметру параллельно оси вращения металлической втулки, имеющийся в аналоге резонаторный диск исключен, а второй электрод диода соединен с нижним концом стержневого вывода металлическим проводником, образующим индуктивную петлю связи диода с волноводом.
Упомянутая техническая задача 3) решена тем, что в детекторе СВЧ, усовершенствованном по задачам 1) и 2), крепление первого электрода диода в первом глухом отверстии со стороны нижнего конца металлической втулки выполнено разъемным, металлический проводник, соединяющий нижний конец металлического стержневого вывода и второй электрод диода, выполнен жестким и одним своим концом жестко соединен с нижним концом металлического стержневого вывода, на другом конце металлического проводника выполнено глухое отверстие, в которое установлен диод своим вторым электродом, стержневой вывод выполнен подвижным вдоль оси диэлектрической втулки с обеспечением прижимного усилия на второй электрод диода, достаточного для удержания диода в глухих отверстиях металлической втулки и металлического проводника и обеспечения электрического контакта электродов диода с цилиндрической металлической втулкой и металлическим проводником.
Прижимное усилие может быть обеспечено общеизвестными методами: путем установки пружины в верхней части стержневого вывода или приданием пружинящих свойств металлическому проводнику, соединяющему нижний конец металлического стержневого вывода и второй электрод диода.
На фиг.1 представлена предлагаемая конструкция детектора СВЧ, где в разрезе показаны основные узлы и детали, поясняющие сущность изобретения. На фиг.2 представлены конфигурация э/м поля и расположение силовых линий, составляющих э/м поля в прямоугольном волноводе, а также вариант возможного расположения диода внутри волновода, поясняющие достигнутый технический результат.
Предлагаемый детектор СВЧ (фиг.1) содержит отрезок прямоугольного питающего волновода 1 с короткозамыкателем 2 на одном его торцевом конце, внутри волновода перпендикулярно к широким стенкам установлен детекторный СВЧ-диод патронного типа 3, крепление первого электрода диода осуществлено через цилиндрическую металлическую втулку 4, закрепленную резьбовым соединением с металлическим кольцом 12, который жестко соединен с широкой стенкой волновода через отверстие в широкой стенке, глубина погружения нижней части втулки в волновод ограничена контргайкой 5, закрепленной на верхней части втулки, первый электрод диода закреплен в первом глухом отверстии 10 со стороны нижнего конца втулки 4, ось этого глухого отверстия смещена по диаметру параллельно оси вращения втулки 4, в металлической втулке выполнено сквозное второе отверстие, ось которого смещена по диаметру параллельно оси втулки, во второе отверстие установлена диэлектрическая втулка 6, через которую в волновод введен металлический стержневой вывод 7, длина которого превышает совокупную длину втулки и диода, металлический проводник 8 соединяет второй электрод диода с нижним концом металлического стержневого вывода 7, образуя индуктивную петлю связи диода с волноводом, верхний конец металлического стержневого вывода 7 и контактный лепесток 13 (корпус) являются электрическим выходом детектора СВЧ по постоянному току (НЧ).
у
у
в
у
у
Предложенные технические решения позволяют повысить чувствительность детектора СВЧ. Достигнутый в изобретении технический результат объясняется следующим образом. Известно (X.Мейнке и Ф.Гундлах. Радиотехнический справочник, Госэнергоиздат, Москва, 1960 г. - 416 с), что в волноводе, замкнутом на одном конце проводящей плоскостью, при возбуждении основного типа волн э/м поля образуется стоячая волна, в которой максимумы напряженностей электрической E и магнитной H составляющих поля сдвинуты друг относительно друга как в продольном, так и в поперечном сечениях волновода на величину 1/4 λ. В качестве иллюстрации, на фиг.2 представлена конфигурация э/м поля в прямоугольном волноводе, замкнутом с одной стороны проводящей стенкой, при возбуждении в нем колебаний типа Н101, где показано: на фиг. 2а - изменение напряженности электрической E и магнитной H составляющих поля вдоль продольной оси (Z) и в поперечном сечении волновода; на фиг. 2б - распределение силовых линий электрической составляющей поля; на фиг 2в - распределение силовых линий магнитной составляющей поля в плоскости, параллельной широким стенкам волновода (XOZ).
в
в
Как видно из фиг.2, максимумы (пучности) напряженности электрической составляющей э/м поля располагаются на продольной оси волновода (их силовые линии направлены параллельно узким стенкам), а пучности напряженности магнитной составляющей э/м поля сосредоточены вблизи узких стенок и короткозамыкателя волновода (их силовые линии направлены параллельно широким стенкам). Первая от короткозамыкателя волновода пучность напряженности электрической составляющей э/м поля располагается на расстоянии ~1/4 λ. Как показывает практика, в реальных конструкциях детекторных камер это расстояние может отличаться от величины 1/4 λ из-за наличии в резонаторе неоднородностей (деталей узла крепления диода), приводящих к искажению картины распределения э/м поля относительно приведенной на фиг.2. Поэтому при настройке для достижения максимальной чувствительности детектора возникает необходимость корректировки положения короткозамыкателя в волноводе.
в
В изобретении отмеченные свойства э/м поля используются следующим образом. Благодаря тому, что детекторный диод установлен со смещением относительно оси металлической втулки, при ее вращении в процессе настройки детектора расстояние от диода до короткозамыкателя, а также до узких стенок волновода изменяется (при каждом витке резьбы втулки) на величину, близкую к 1/4 λ, Кроме того, диод перемещается и вдоль оси вращения металлической втулки. Таким образом, при настройке детектора диод может занимать положение как близко к пучности напряженности электрической составляющей э/м поля, так и на некотором расстоянии от нее. Благодаря этому расширяются пределы регулировки положения диода в плоскости, параллельной широким стенкам волновода, и отпадает необходимость перемещения и пайки короткозамыкателя в процессе точной настройки детектора.
Кроме того, упомянутый металлический проводник и соединенный с ним стержневой вывод детектора образуют индуктивную петлю связи диода с волноводом, плоскость которой перпендикулярна широким стенкам волновода (направлению силовых линий магнитной составляющей э/м поля). Эта петля при вращении металлической втулки, удаляясь от продольной оси волновода, позволяет охватывать силовые линии магнитной составляющей э/м поля, обеспечивая тем самым дополнительную индуктивную связь СВЧ-диода с волноводом. Таким образом, в процессе настройки детектора, даже при некотором искажении картины э/м поля в волноводе, которое может быть вызвано наличием неоднородностей в волноводе и технологическим разбросом геометрических размеров деталей крепления диода, можно выбрать такое положение СВЧ-диода, при котором в нем наиболее оптимально суммируются энергии и электрической, и магнитной составляющих э/м поля. Это позволяет получить повышенную чувствительность детектора, значительно большую, чем при использовании только электрической составляющей э/м поля, как это сделано в известных аналогах.
в
Величина смещения оси первого глухого отверстия от оси вращения металлической втулки ограничивается размерами поперечного сечения волновода и во всех случаях не превышает 1/4 λ. Вариант конструкции детектора, приведенный на фиг.1, рассчитан на диапазон рабочих частот 9-20 ГГц. Для этих частот величина смещения оси первого глухого отверстия от оси вращения металлической втулки меньше, чем смещение второго глухого отверстия. На более высоких частотах (24 ГГц и более) применяются волноводы с меньшими размерами поперечного сечения, которые соизмеримы с диаметром диэлектрической втулки. Поэтому добиться сколько-нибудь значительного смещения положения диода относительно оси вращения втулки весьма затруднительно по конструктивным соображениям. Для достижения полученного технического результата на более высоких частотах целесообразно стержневой вывод и детекторный диод поменять местами. При этом величина смещения оси первого глухого отверстия, в котором устанавливается детекторный диод, от оси вращения металлической втулки становится больше, чем смещение второго глухого отверстия. Но образованная металлическим проводником и стержневым выводом петля индуктивной связи сохраняет свои свойства по увеличению чувствительности детектора за счет использования дополнительной энергии индуктивной составляющей э/м поля, поступающего на вход детектора. Такой вариант конструкции детектора СВЧ не изменяет сущности настоящего изобретения.
Кроме того, предлагается второй вариант конструкции детектора СВЧ, который является частным случаем основного варианта и внешне аналогичен приведенному на фиг.1. Отличие заключается в том, что крепление диода в первом глухом отверстии со стороны нижнего конца металлической втулки выполнено разъемным, металлический проводник 8, соединяющий второй электрод диода с нижним концом металлического стержневого вывода, выполнен жестким, на одном его конце выполнено глухое отверстие 11, в котором установлен диод своим вторым электродом, второй конец металлического проводника 8 жестко соединен с нижним концом металлического стержневого вывода, который выполнен подвижным с возможностью перемещения вдоль оси диэлектрической втулки и обеспечения прижимного усилия металлического проводника на второй электрод диода, достаточного для удержания диода в первом глухом отверстии и обеспечения электрического контакта электродов диода с цилиндрической металлической втулкой 4 и металлическим проводником 8. В качестве одного из вариантов обеспечения прижимного усилия в верхней части стержневого вывода может быть установлена цилиндрическая пружина 9. Упомянутые глухие отверстия 9 и 11, в которые устанавливается СВЧ-диод, выполнены глубиной не более толщины его фланца.
Данное техническое решение позволяет упростить конструкцию и снизить трудоемкость изготовления детектора СВЧ, так как исключается необходимость выполнения ряда трудоемких операций по сборке и настройке детектора: закрепления диода с помощью пайки на диске и в глухом отверстии втулки, неоднократной перепайки диода в процессе настройки с целью дискретной его переустановки вдоль оси втулки, а также необходимость перемещения и пайки короткозамыкателя при точной настройке детектора.
Для подтверждения возможности получения заявленного технического результата были изготовлены два экспериментальных образца детектора СВЧ на рабочую частоту 13,7±0,3 ГГц. Первый образец (зав №003) изготовлен по чертежам известного узла крепления СВЧ-диода, второй образец (зав №004) - по чертежам предлагаемого изобретения. Результаты экспериментальной проверки образцов показали:
- чувствительность первого образца детектора СВЧ с детекторным диодом АА121А составила 800 В/Вт;
- чувствительность второго образца с детекторным диодом АА121А составила 3500 В/Вт, а с детекторным диодом 3А121А - 3700 В/Вт.
Таким образом, предлагаемые технические решения позволяют значительно увеличить достигнутую в известных аналогах чувствительность детектора СВЧ.