приемник прямого усиления

Формула изобретения

1. Приемник прямого усиления, содержащий антенну, параллельно которой подключены модуляторный диод и детекторный диод, соединенный с усилителем низкой частоты, и блок вывода информации, отличающийся тем, что антенна выполнена в виде резонансного отрезка полосковой линии передачи длиной L = _эф/n, где n 2,4. между токонесущим и экранным проводниками которого включен модуляторный диод, а подключение к резонансному отрезку детекторного диода выполнено через введенный отрезок полосковой линии, расположенной перпендикулярно резонансному отрезку с зазором относительно своего торца меньшим 0,01_эф и большим 0,001_эф где _эф эффективная длина волны.

2. Приемник по п.1, отличающийся тем, что при выборе длины резонансного отрезка, равной _эф/2, модуляторный диод расположен на расстоянии _эф/3 от одного из его концов, а его продольная ось совпадает с продольной осью введенного отрезка полосковой линии.

3. Приемник по п.1, отличающийся тем, что при выборе длины резонансного отрезка, равной _эф/4, модуляторный диод расположен у одного из концов резонансного отрезка, через середину которого проходит продольная ось введенного отрезка полосковой линии.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано как приемник немодулированных электромагнитных полей, в частности, для индикации и экологического контроля излучения промышленных и бытовых источников микроволновой энергии, используемых при термообработке различных веществ, в том числе и пищевых в домашних условиях.

Промышленные и бытовые источники микроволновой энергии имеют выходные уровни мощности от 0,5 кВт до сотен киловатт непрерывной мощности и работают на разрешенных к применению для этих целей фиксированных частотах f_o (длинах волн _o), например, f_o 2450 МГц (_o 12,24 см), f_o 915 МГц (_o 32,79 см) и других. Ширина полосы частот, отведенная для каждого диапазона, ограничена величиной 0,5 от средней частоты.

Известны различные типы приемников прямого усиления [1 и 2]

При приеме слабых немодулированных сигналов для их измерения и регистрации требуется усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления. Усилители постоянного тока обладают дрейфом нуля, который увеличивается с ростом коэффициента усиления. Это приводит к флуктуации показаний индикатора. Указанный недостаток преодолевается введением модуляции в измеряемый сигнал в самом приемнике. Это позволяет оперировать с сигналом переменного напряжения и применять усилители со значительными коэффициентами усиления.

Как правило, модуляция производится с помощью специального модулятора, располагаемого после антенны в фидерном тракте [3 и 4]

Основным преимуществом приемников прямого усиления является их простота, а значит, и малые габариты, масса, энергопотребление и стоимость. Эти качества являются определяющими при разработках бытовых дозиметров микроволнового излучения СВЧ-печей.

Из известных приемников прямого усиления наиболее близким к изобретению по технической сущности является антирадар [5] Этот приемник-антирадар (фиг. 1) имеет антенну, модулятор, детектор, усилитель низкой частоты, устройство вывода информации (прототип).

В приемнике-прототипе используется волноводная антенна, и работает он в коротковолновой части сантиметрового диапазона.

Приемники прямого усиления дозиметры микроволновые должны принимать сигнал на промышленных частотах (например, 2450 МГц, _o 12,24 см и 915 МГц, _o 32,78 см), при этом использование волноводной антенны в приемнике-дозиметре приведет к существенно большим габаритам, напрямую связанным с большей длиной волны. Таким образом, прямое применение конструкции приемника-прототипа для микроволнового дозиметра приведет к неприемлемому увеличению габаритов дозиметра в диапазоне фиксированных частот 2450 МГц и 915 МГц.

Кроме того, антенна приемника-прототипа является достаточно широкополосным устройством, поэтому антенна принимает, а приемник усиливает и индицирует сигналы не только на рабочей частоте, а в широкой полосе антенны, в том числе на частотах, кратных частоте полезного сигнала, что, конечно, искажает показания приемника-дозиметра.

Указанные недостатки устраняются тем, что в предполагаемом изобретении антенна выполнена в виде резонансного отрезка полосковой линии передачи длиной, равной эф/п, где п 2, 4,

Величина _эф связана с длиной волны в свободном пространстве _o, излучаемой источником микроволновой энергии, соотношением [6]

,

где _o длина волны в свободном пространстве;

_эф длина волны в полосковом волноводе;

_эф эффективная диэлектрическая проницаемость диэлектрика подложки.

,

где диэлектрическая проницаемость подложки;

d толщина подложки;

w ширина полоска.

Таким образом, этот отрезок полосковой линии является резонансной антенной, т. е. выполняет одновременно две функции: антенны и избирательного входного резонансного контура. В результате будет получено два полезных эффекта настройка антенны только на рабочую длину волны (узкополосная настройка) и повышение чувствительности приемника с помощью входного резонансного контура.

В полосковую резонансную антенну между токонесущими и экранными проводниками, встроены модуляторные диоды, к которым подключен выход модулятора, при этом элемент связи полосковой резонансной антенны с детекторным диодом выполнен в виде введенного отрезка полосковой линии, который располагается на расстоянии l от полосковой резонансной антенны, обеспечивающем оптимальную электромагнитную связь антенны с детектором. Опытным путем определено: 0,001_эф<l<0,01_эф

Затем низкочастотный сигнал с детектора поступает в усилитель низкой частоты и далее на индикаторное устройство вывода информации. На фиг. 2 показано одно из возможных устройств приемника прямого усиления.

Полосковая антенна выполнена в виде полуволнового резонансного отрезка полосковой линии 1 со встроенным в него модуляторным диодом 6, причем модуляторный диод 6 располагается на расстоянии _эф/3 от одного из концов резонатора 1 между токонесущим и экранными проводниками, при этом элемент связи 8 полоскового резонатора 1 с детектором 3 выполнен в виде отрезка полосковой линии и располагается перпендикулярно продольной оси резонансного отрезка 1 на расстоянии _эф/3 от того же конца отрезка 1, т. е. у модуляторного диода 6.

Полосковый элемент связи расположен с зазором относительно своего торца на таком расстоянии от боковой стороны полосковой антенны l, чтобы обеспечить оптимальную, называемую также критической, связь антенны и детектора, которая характеризуется режимом согласования электромагнитной волны, передаваемой от антенны к детектору, т. е. коэффициент стоячей волны напряжения в тракте от антенны до детектора близок к единице. Опытным путем величина определена: 0,001_эф<l<0,01_эф.. На практике надо учитывать влияние элемента связи на резонансную частоту полосковой антенны емкостная связь потребует некоторого укорочения длины антенны относительно расчетной _эф/2..

Ненагруженная добростность Q_o полосковой антенны в дециметровом диапазоне длин волн, как правило, находится в пределах 100 200 единиц [6] При оптимальной связи с детектором нагруженная добротность Q_н предлагаемой полосковой резонансной антенны находится в пределах 0,5 - 1,0 обеспечивая перекрытие необходимого диапазона частот вокруг разрешенной для промышленного применения конкретной частоты f_o

Полосковая антенны модуляторным диодом разделена на два отрезка. Резонансные длины волн этих отрезков будут равны



Как видно, резонансные длины волн четвертьволновых резонаторов 9 и 10 существенно отличаются от резонансной длины волны антенны как полного полуволнового резонатора 1. Таким образом, резонансные частоты полосковых резонаторов 9 и 10 не будут кратны частоте f_o измеряемого сигнала. Это ослабляет влияние помех с частотой, кратной частоте измеряемого сигнала. К тому же элемент связи размещен у модуляторного диода, где в моменты подачи модулирующего напряжения электромагнитные поля резонаторов равны нулю.

На фиг. 3 показано устройство приемника прямого усиления, которое более предпочтительно для применения в длинноволновом диапазоне (например, на f_o 915 МГц), так как продольные габариты антенны в этом случае уменьшаются вдвое по сравнению с первым вариантом.

В этом случае полосковая резонансная антенна 1 выполнена в виде отрезка полосковой линии длиной, равной четверти эффективной длины волны _эф в полоске со встроенным модуляторным диодом 6 у одного из концов резонансной полосковой антенны.

Модуляторный диод гальванически связан с токонесущим и экранным проводником 7 резонатора и подключен к выходу модулятора. Элемент связи 8 резонансной полосковой антенны с детектором выполнен в виде отрезка полосковой линии и располагается соосно с поперечной осью антенны, делящей ее по длине пополам, с зазором на расстоянии от нее, обеспечивающем оптимальную связь антенны с детектором.

Элемент связи в этом случае внесет дополнительную емкость в четвертьволновый резонатор, что вынудит на практике укоротить длину полосковой антенны относительно расчетной _эф/4 (что полезно для длинноволнового диапазона с точки зрения уменьшения габаритов прибора).

Приемник прямого усиления (схема на фиг. 2) работает следующим образом.

Предположим, что в начальный момент времени модуляторный диод 6 выключен, и его сопротивление велико, т. е. его влиянием на резонансную антенну можно пренебречь, тогда электрическая длина антенны 1 будет равна _эф/2. Электромагнитная СВЧ-волна возбуждает в антенне 1 колебания, амплитуда которых зависит от нагруженной добротности резонаторной антенны. Часть электромагнитной энергии из антенны 1 через элемент связи 8 подводится к СВЧ-детектору 3, на выходе которого появляется напряжение.

Когда с модулятора на модуляторный диод 6 поступит включающее напряжение, сопротивление модуляторного диода 6 станет близким нулю, т. е. в полосковой антенне в этом месте появляется короткозамкнутая "стенка", и резонатор 1 будет разделен на два четвертьволновых резонатора 9 и 10. Элемент связи 8 оказывается в области нулевого электрического поля четвертьволновых резонансных отрезков линий передач 9 и 10. При этом сигнал в элемент связи 8 не проходит, не подводится к детектору 3, и на выходе детектора напряжение станет равно нулю. Достигается 100-ная амплитудная модуляция сигнала, принимаемого от источника микроволновой энергии.

Приемник (схема на фиг. 3) работает следующим образом.

Предположим, что в начальный момент времени модуляторный диод 6 выключен, и его сопротивление велико, т. е. его влиянием на резонансную антенну можно пренебречь. Антенна имеет длину _эф/4, поэтому при выключенном модуляторном диоде она может резонировать только как полуволновая антенна на длине волны в 2 раза короче длины волны полезного сигнала, к тому же в этом случае элемент связи детектора с антенной окажется в области нулевого электрического поля.

Когда же с модулятора на модуляторный диод поступит включающее электрическое напряжение, сопротивление модуляторного диода станет близким к нулю и конец полосковой антенны будет короткозамкнутым на землю, антенна превратится в резонансную с длиной волны _эф/4.

Сигнал с длиной волны _o будет приниматься.

Элемент связи детектора с антенной окажется в области электрического поля для такого сигнала.

Таким образом, дозиметр принимает сигналы с длиной волны _o только при включенном модуляторном диоде.

Затем в обоих случаях для приемников (схемы на фиг. 2 и 3) низкочастотный сигнал с детектора поступает на усилитель 4 и далее на устройство вывода информации 5 дозиметра. Устройство вывода информации 5 может быть применено, например, на линейке светодиодов, управляемых компараторами напряжения.

В зависимости от величины усиленного сигнала, т. е. в зависимости от измеряемой дозиметром мощности излучения промышленных и бытовых источников микроволновой энергии, компараторы зажигают определенные светодиоды, характеризующие конкретные величины измеренной микроволновой энергии.

Для бытовых условий (для контроля паразитного излучения микроволновых печей) можно проградуировать светодиоды дозиметра на такие уровни излучения:

на уpовень, существенно меньший санитарных норм;

на уровень, равный санитарной норме;

на уровень, превышающий санитарную норму на 50 100

на уровень опасного для здоровья людей излучения (больше нормы в 3 5 раз).

Практически возможно изготовить микроволновый дозиметр, работающий на нескольких существенно отличающихся промышленных частотах.

Для этого полосковые резонансные антенны с модуляторными диодами могут быть выполнены как комбинации вышеописанных полуволновых и четвертьволновых резонаторов, настроенных благодаря соответствующему выбору их длин и расположения нескольких модуляторных диодов.

На фиг. 4 показан вариант многочастотного приемника-дозиметра.

Выбор рабочей частоты осуществляется переключателем модулятора 11.

Авторами изготовлен приемник прямого усиления микроволновый дозиметр на частоту f_o 2459 МГц. Благодаря внедренному согласно настоящего предполагаемого изобретения устройству уменьшены габариты приемника прямого усиления микроволнового дозиметра до 100 х 60 х 40 мм, повышена помехоустойчивость за счет уменьшения влияния помехи, кратной частоте полезного сигнала при чувствительности 2 мкВт/см² на рабочей длине волны и массе 150 г.

В настоящее время ведется подготовка производства микроволнового дозиметра с целью выпуска для контроля излучения бытовых микроволновых печей.