Jiri Polivka - Обзор технологии микроволнового сенсора.

Аннотация

Эта статья представляет собой описание функций многих видов датчиков, которые используют микроволновые технологии. Микроволновые датчики применяются в промышленности, медицине, хорошее знание их функций, принципов работы и ограничений необходимо для правильного выбора.

Введение

Есть много типов микроволновых датчиков, которые были разработаны, и еще больше в стадии разработки. Многие их принципы во многом новы и могут удивить. в целом

Микроволновые датчики используются для генерации или же оптередения электромагнитных полей. Устройства включающие в свой состав эти датчики работают на частотах от ~ 300 МГц до терагерцового диапазона. Такие устройства могут быть найдены в следующих классах:

Радар импульсного типа
Радары с эффектом Допплера
РЛС с частотной модуляцией и непрерывным излучением
Широкополосные системы
Приемо-передающие системы
Радиометры
Резонаторы
Измерители импеданса
Шумовые устройства
Модулирование целей

Большинство из указанных выше типов датчиков (кроме радиометров) используют генератор сигналов (передатчик) и детектор (приемник). различие между ними состоит в типе модуляции сигнала и конструкции системы.

Рисунок 1. – Моностатический импульсный радар

Некоторые микроволновые датчики могут работать на расстояние от объекта , в то время как другие должны быть механически соединены с ним.

Пульсирующие радары

Датчики такого типа могут работать в двух основных режимах.Моностатический использует одну общую антенну для передачи и приема, как показано на рисунке 1. Передаваемый сигнал импульса поступает на объект, расположенный в поле, создаваемом антенной и отражается обратно к антенне, в итоге получается задержка во времени:

Рисунок 2. – Обычный пульсирующий радар

Где r-расстояние между антенной и объектом (в метрах) и с-скорость света.

Такая система может измерять расстояние между антенной и выбранным объектом путем рассчета задержки T в (1), и положения объекта. Поскольку антенна должна быть переключена с передачи на прием очень быстро, трудно обнаруживать объекты , которые расположены близко к антенне. Для таких случаев, зондирующий импульс должен быть намного короче короче, чем Т. Подробности многочисленны и могут быть найдены в Skolnik [1].

Радиометры

Пассивные детекторы – радиометры, по существу чувствительные СВЧ приемники, способные обнаружить главным образом тепловое излучение объектов [2]. Рисунок 9 представлена схема СВЧ радиометра

Рисунок 3. – Схема радиометра

Осномными чертами радиометров являются:

1) Отображение температуры в градусах Кельвина достигается за счет использования низкого уровнея шума приемника, и путем сглаживания выходного напряжения, иногда также путем прерывания входного шума:

Рисунок 4. – Принцип радиометрии

Где dT является наименьшим изменением температуры (K), Ts является шумовой температурой системы (K), В – пропускная способности системы (Гц) и t является постоянной времени системного интегратора с.

2) Пространственное разрешение, определяется параметры антенны, в стерадианах. Это разрешение позволяет разделить два объекта перед антенной. См. Рисунок 10 для иллюстрации принципа микроволновой радиометрии.

В дополнение к выявлению температуры объекта на расстоянии, радиометры используют для измерения спектральных характеристик ионизированного газа или плазмы и т.д. В общем, можно сказать, что задачей радиометрической системы (радиометр плюс антенна) является измерения температуры устройства, работающего на расстоянии. Астрономы используют такие устройства с радиотелескопов для точного измерения температуры поверхности далеких планет.[3]

Конструирование СВЧ радиометров остается искусством, но, как микроволновая печь ,компоненты миллиметрового диапазона становятся доступны в хорошем качестве и с низкой стоимостью. В ближайшее время они будут распространены в промышленности, а также в научных приложениях.

Выбор рабочей частоты для радиометрического датчика имеет важное значение. Это необходимо, чтобы избежать вмешательства других систем радиолокации и связи и природных явлений, например: Для антенны радиометра направленной в небо, осадки излучают микроволновой шум выше 8-10 ГГц

Список использованной литературы

1. M.I. Skolnik, Radar Systems, McGraw-Hill, NY, 2001.
2. J. Polivka, “Microwave Radiometry and Applications,” International Journal of IR/MM Waves, Vol.16, No. 9, Sep. 1995, pp. 1593-1672.
3. J.D. Kraus, Radio Astronomy, McGraw-Hill, NY, 1967.