Niuren tarafından el yapımı DIY'in S-band radar sistemi
Bu makale ağırlıklı olarak benim gibi elektronik DIY meraklıları ve RF alanında yeni başlayanlar içindir. Odak noktası, üretim sürecindeki deneyim ve eksikliklerin daha fazla arkadaşla paylaşımını kolaylaştırmak için üretim sürecinde kendi kazanımlarını ve deneyimlerini paylaşmaktır. Ve bu radar meraklıları yapmak için, aynı hatta daha iyi üretim sonuçları elde etmek için daha düşük bir maliyet kullanabilirler. Tasarım sürecinde, bazı ağların mevcut devre ve sistem tasarımına değindim.Açık sınıflar, diğer alanlarda bilgi edinmemiz için çok iyi bir yol. Acemiyseniz, bu makalede basit radar üretim sürecinde ihtiyaç duyulan araçlar, ekipmanlar ve ilgili temel bilgiler hakkında bilgi edinebilir, bileşenleri satın alabilir ve gerektiğinde devreleri bağlayabilir ve ardından s-bant radarının temel işleyişini anlayabilirsiniz. . Deneyimli biriyseniz, bu makalede açıklanan tasarım süreci ve fikirler de öğrenme ve iletişim için kullanılabilir. Yazar bana daha fazla öneri, eleştiri ve düzeltme verebileceğinizi umuyor!
Radar, radyo algılama ve menzilinin kısaltması olan ve "elektromanyetik dalgalar kullanarak algılama ve menzil değiştirme" anlamına gelen English Radar'ın çevirisi. Radar söz konusu olduğunda, çoğu insan büyük parabolik antenleri ve askeri geçit törenlerinde ve büyük film ve televizyon çalışmalarında sürekli taranan R-şekilli ekranları düşünür ve "uzun" hisseder. Aslında, radar prensibini anladığımız sürece, standart bir radar mimarisine sahip bir S-band radarını kaynaklamak ve araçların, yayaların ve hatta dronların doğru menzil ve hız ölçümünü gerçekleştirmek için elimizdeki evrensel kartı, dirençleri ve kapasitörleri de kullanabiliriz. . Deneyde kullanılan DIY radarı Şekil 1'de gösterilmektedir.
Şekil 1. Radarın genel etkisi
Genel tasarım fikirleri
Ortaokul fizik dersinde tren yaklaştıkça ve trenden uzaklaştıkça, trenin hareket eden sesinin yerdeki insanlar tarafından duyulan frekansının da değişeceğini öğrendik. Bu Doppler kaymasıdır. Bir hedefe elektromanyetik dalgalar fırlatırsak ve hedef de hareket ediyorsa, o zaman hareketli hedef elektromanyetik dalga üzerinde bir etkiye sahip olacaktır, yani yansıyan elektromanyetik dalganın frekansını değiştirecektir.Frekans değişiminin derecesi, hedefin ne kadar hızlı hareket ettiğini yansıtır. Elektromanyetik dalgaların yayılmasından alınmasına kadar geçen süre, hedefin radardan uzaklığını da belirler. Bu frekans değişimini ve emisyon ve yansıma süresini çıkarabilirsek, radyo menzilini ve hız ölçümünü de elde edebiliriz!
Aslında DIY meraklılarının elindeki ekipmanlar ile tespit radarı yapmak hiç de zor değil. Öncelikle ağ üzerindeki bilgileri kontrol ettik ve Şekil 2'de gösterildiği gibi radarın birkaç parçadan oluştuğunu öğrendik.
Şekil 2. Sürekli dalga radarının şematik diyagramı
Basitleştirmeden sonra, radarın mikrodalga sinyal kaynağı, güç bölücü, mikser, yüksek frekanslı amplifikatör, alıcı-verici anten, düşük frekanslı amplifikatör ve filtre ve A / D dönüşüm modülüne ayrıldığını gördük.Bu modülleri tek seferde tamamlamak gerçekten zor. Öyleyse önce özetlemeliyiz. Bu radar sistemini tasarım için aşağıdaki 3 modüle ayırıyoruz.
(1) Yüksek frekanslı elektromanyetik dalga modülü. Önce radarın çalışma frekansını ve iletim gücünü belirleyin. Ardından, daha kolay bulunabilen yüksek frekanslı bileşenleri arayın. Cihaz satın alındıktan sonra, aynı çalışma frekansına sahip bir anten arayın, elektromanyetik dalgalar yayar ve nesnelerle karşılaştıklarında elektromanyetik dalgaların yansıttığı yankıları alırsınız. İletilen sinyal ile alınan sinyal arasındaki frekans değişikliğini karşılaştırmak için bir karıştırıcı kullanılır ve bu frekans değişikliği, işlenmek üzere düşük frekanslı analog sinyal kısmına girilir.
(2) Ara frekans sinyali işleme modülü. Mikserden çıkan küçük sinyalleri yükseltmek için amplifikatörler ve filtreler oluşturmak için düşük gürültülü işlemsel amplifikatörler kullanın. Basit hesaplamalarla, Doppler frekans kayması yaklaşık olarak v × cos / 'dır; burada v, ölçeceğimiz hedefin hızı, yaydığımız elektromanyetik dalganın dalga boyu ve elektromanyetik dalganın ve nesnenin hızıdır. Hareket yönünün açısı. Dalga boyunun 1 cm ila 1 m olduğunu varsayıyoruz (bu dalga boyu 300MHz ila 30GHz arasındaki sinyalleri kapsıyor ve seçim için bolca yerimiz var) ve v 1 ila 50m / s (yayalardan, arabalardan dronlara kadar olan hızı kapsıyor).
(3) Güç kaynağı, iletim hattı ve destek modülü. Tüm sistemin gereksinimlerini karşılayan bir güç kaynağı modülü, basit bir arayüze ve güçlü çalışabilirliğe sahip bir iletim hattı / kontrol modülü ve tüm sistem için bir destek modülü tasarlayın.
Yüksek frekanslı elektromanyetik dalga modülünün tasarımı
Her şeyden önce, radarın çalışma frekansını belirlemek için, radar frekansı, radar vericisi tarafından modüle edilmeden önce üretilen güç elektromanyetik dalga sinyalinin frekansıdır, aynı zamanda iletilen sinyalin taşıyıcı frekansı olarak da bilinir.
Elektromanyetik dalgaları, özellikle yüksek frekanslı sinyalleri iletmek, iki prensibi takip etmelidir: (1) Sinyal, ilgili yönetmeliklerin izin verdiği frekans aralığı dahilinde iletilmelidir ve diğer sivil teçhizatın çalışmasını engelleyemez. (2) 2.4GHz lisanssız frekans bandında kullanılan iletim gücü 100mW'den az olmalıdır.Anten kazancı 10dBi'den yüksek olduğunda, eşdeğer gücü 500mW'den fazla olmamalıdır. 14dBi anteni seçiyoruz, bu yüzden karşılık gelen güç değerini eşdeğer hesaplama yoluyla hesaplamamız ve bunu belirtilen aralıkla sınırlamamız gerekiyor.
Bu nedenle, 2300 2500MHz yüksek frekanslı sinyaller üretebilen piyasada bulunan RF voltaj kontrollü osilatör ZX95-2536C-S + 'yı seçtim Modülasyon voltajının büyüklüğünü değiştirerek çıkış frekansı değiştirilebilir. Yüksek frekanslı sinyalleri işlemek için kaynak olarak kullanın. Prensip blok diyagramının açıklamasına göre, güç bölücü, RF yükselticisi, karıştırıcı ve frekansına karşılık gelen diğer ilgili bileşenleri de satın almamız gerekiyor.
Bununla birlikte, kılavuza bakıldığında, VCO'nun çıkış gücü 6dBm, radyo amplifikatörünün amplifikasyon parametresi 13-14dBm ve antenin kazancı 14dBi'dir. Aslında, çıkış gücü zaten lisanssız güçten daha büyüktür.Bu nedenle, bir zayıflatıcı VAT-3 eklememiz gerekir, Radarın güç aralığını azaltacak olsa da, iletim gücünü belirtilen gücün altına düşürmek, Bununla birlikte, radyo alımı ve iletimi içeren tüm bölümler, özellikle radyo iletimi için, ilgili düzenlemelere başvurmalı ve iletimi, eyaletin belirlediği menzil ve frekans aralığına tam olarak uygun şekilde yürütmelisiniz.
Radyo frekansı parçasının tasarımının anahtarı, gereksinimleri karşılayan ticari olarak temin edilebilen bileşen modüllerini seçmektir. RF sisteminin üretim süreci için yüksek gereksinimler nedeniyle, bunu kendiniz yapmanız gerekiyorsa, hata ayıklama için pahalı ağ analizörleri, spektrum analizörleri ve RF sinyal kaynakları kullanmanız gerekir.Bu nedenle, bu kısım uzun ömürlü ve iyi kararlılığa sahip bileşenleri seçebilir ve Bileşenleri yakıp maliyet artışına neden olmamak için enerji vermeden önce dikkatli bir inceleme yapın. Koşullar elverdiğinde daha fazla VCO ve yüksek amplifikatör satın almanız önerilir.Bu cihazların yanması kolaydır Kalan mikserler, güç bölücüler, zayıflatıcılar ve konektörler normal miktarlarda satın alınır (bkz. Şekil 3).
Şekil 3. Yüksek frekanslı elektromanyetik dalga modülündeki mikrodalga bileşenleri
Verici ve alıcı anten kısmı hakkında ISM bant sinyalini kullandığımız için, ticari olarak satılan tüm Wi-Fi antenleri ihtiyaçlarımızı karşılayabilir, bu yüzden satın alınabilecek olanları seçtim. En büyük kazanç faktörüne sahip anten ve ilgili besleyici satın alındı. Bir besleyici satın alırken veya yaparken, 50 ve 75'luk eşleşen empedanslara dikkat etmeniz gerektiğini unutmayın.Burada, iletim sırasında elektromanyetik dalgaların kaybını azaltmak için bir 5O besleyici kullanılması önerilir (bkz. Şekil 4 - Şekil 9).
Şekil 4. Yüksek frekanslı elektromanyetik dalga modülündeki anten
Şekil 5. Eski braketler ve konektörler kullanılarak anten parçasının yeniden yapılandırılması
Şekil 6. Konektörün ortasındaki bakır sütun besleme noktasıdır
Rakam 7. Anten besleyicinin yeniden yapılandırılması Anten besleyicinin bir iç vida deliği ve yüksek frekans modülünün bağlanması için iki konektör gerektiren bir dış vida iç deliği vardır
Şekil 8. 4 çeşit konektörün ortak şekli
Şekil 9. Besleyici parçasının iki konektör ekleyen reformu. Anten besleyici sistemini ve yüksek frekans sistemini bağlamak için kullanılır
Son olarak, mikser, yayılan ve alınan elektromanyetik dalgalar arasındaki frekans ilişkisini tespit edecek ve frekanstaki farkı yansıtan sinyali bir voltaj sinyali olarak çıkaracaktır (bkz. Şekil 10). Bu sinyal, ihtiyacımız olan hedef mesafe ve hız bilgilerini içerir.Tüm radarın anahtar sinyalidir.İletim işlemi sırasında, bu sinyalin iletim kaybını ve korumasız sinyal iletim hattının uzunluğunu mümkün olduğunca azaltmalıyız. Çeşitli gürültü sinyallerinin karışmasından kaçının. Bu nedenle, bu sinyali iletmek için korumalı bir SMA konektörü iletim hattı kullanmayı seçtim ve evrensel karta bir SMA konektörü kaynak yaptım.
Şekil 10. Sinyalin ara frekans işleme modülüne gönderildiği karıştırıcının çıktısı
IF sinyal işleme modülünün tasarımı
Ara frekans sinyali işleme bölümü iki yöne ayrılmıştır, birincisi modüle edici yüksek frekanslı VCO sinyal üretme devresi ve ikincisi, karıştırıcı çıkış sinyalinin filtreleme ve yükseltme devresidir.
İlk olarak sinyal üreten devreyi ele alıyoruz. Radyo frekansı bileşenlerinin yanmamasını sağlamak için, giriş sinyalinin voltaj genliğini dikkatlice kontrol etmeliyiz, çünkü tüm radar sisteminin maliyetinin% 85'i radyo frekansı bileşenleri üzerindedir.Yandığında, bütçemiz için çok büyüktür. Kayıp. Ara frekans sinyal kısmının kablolaması ve bağlantısı Şekil 11-14'te gösterilmektedir.
Şekil 11. Ara frekans bölümünün devresi
Şekil 12. Bir havacılık fişi kullanılır.Bu fiş ana fiştir ve tüm sistemin tek arayüzüdür Lehimleme sırasında özel dikkat gösterin ve daha sonra sert olduğu belirlendiğinde ısıyla daralan boruyu takın.
Şekil 13. Yüksek frekans bölümü ile ara frekans bölümü arasındaki bağlantı bir dizi SMA arabirimi aracılığıyla yapılır.
Şekil 14. Kablo bağlantısı, gerektiğinde kayışlar ve konektörler kullanılarak olabildiğince düzgün olmalıdır
ZX95-2536C-S + kılavuzuna bakın, aşılmaz bir "kırmızı çizgi" olan limit parametresini alabiliriz (bkz. Şekil 15).
Şekil 15. ZX95-2536C-S + sınır parametreleri
Bu "kırmızı çizginin" geçilmemesini sağlamak için, sinyal üreten devremizin sinyalin genliğini ve frekansını kontrol edebilmesi gerekir. İlgili devre şematik diyagramı Şekil 16'da gösterilmiştir.
Şekil 16. XR2206'ya dayalı sinyal üretme devresi
Daha sonra, karıştırıcı çıkış sinyalinin filtre yükseltici devresini ele alıyoruz. , Devre tasarımı ve karıştırıcının içinde üretilen gereksiz sinyaller nedeniyle, çıkış sinyalimiz bir dizi işe yaramaz sese sahiptir. Önceki hesaplamalarda, istediğimiz sinyal frekansının onlarca ila yüzlerce Hz olduğunu biliyoruz.Bu nedenle, onu yükseltmek ve filtrelemek için düşük geçişli bir filtre amplifikatör devresi tasarlamamız gerekiyor.Burada MAX414CPD + 'ya dayalı bir tasarım şeması kullanıyoruz. İlgili devre Şekil 17'de gösterilmiştir.
Şekil 17. MAX414CPD + tabanlı filtre amplifikatör devresi
İşlenmiş sinyali 3,5 mm ses kablosuyla dizüstü bilgisayara giriyoruz ve A / D dönüştürme gerçekleştirmek için Cool Edit kayıt yazılımını kullanıyoruz, bu da kendi başımıza bir A / D modülü yapma zahmetinden kurtarıyor.
Yazılım parçası tasarımı
Donanım, kendin yap işlevini gerçekleştirmemiz için gerekli ekipmandır ve yazılım "ana" olanın özüdür. Donanım olmadan radar işin temelini kaybedecek ve yazılım olmadan radar işin ruhuna sahip olmayacaktır. Daha sonra, MATLAB yazılım programı aracılığıyla, sürekli değişen sinyalden hedefin mesafesini, hızını ve diğer bilgilerini çıkaran bir "sinyal matematikçisi" olmalıyız.
A / D dönüşümünden sonra, programımız dönüştürülmüş dijital dalga formunu okuyacak ve işleyecektir. Bazı arkadaşların program tasarımına aşina olmadıklarını düşünerek, herkesin ilkeyi anlamasını etkilememek için yazar koda daha fazla Çince yorum ekledi, tüm programı MATLAB'a kopyaladı, wavread fonksiyonunda dosya adresini ayarladı, Doğrudan Çalıştır'a tıklayabilir ve ardından yazılımın işleme sonucunu bekleyebilirsiniz.
Şekil 18, arkadaşım ve ben tarafından yapılan mesafe ölçüm deneyini göstermektedir. Deney sırasında radarı kullanmaktan sorumluydum Arkadaşım 100 m düz bir yolda sabit hızda yeniden giriş hareketi gerçekleştirdi, radardan 40 m uzaktaki işarete koştu ve sonra geri döndü.İşlemden sonra, tespit edilen görüntü sonuçları Şekil 19 ve Şekil 20'de gösterildiği gibi elde edildi.
Şekil 18. Test sitesi
Şekil 19: Yayalar için mesafe ve hız ölçüm sonuçları
Şekil 20. Cool Edit yazılımı ile kaydedilen gerçek yankı, yankının dalgalanması Doppler kaymasını temsil eder
Genel sistem etkisi ve tasarım deneyimi
Pek çok profesyonel içerik sunduktan sonra, hasarlı masa lambasından çıkarılan parçaları antenin destek parçası olarak kullandım ve tüm makine kabuğu atık Lego tuğlalarla birleştirildi ve konektör, dekorasyondan kalan aydınlatmayı kullanıyor. Kullanılan konektör ve anahtar da çıkarılan anahtarlardır.
Kendin yap yapmanın eğlencesi, fikrinizi, ideallerinizi ve hatta duygularınızı sabit bir elektronik sistemde tasarıma aktarabilmenizdir. Hayal gücünüze ve uygulamalı yeteneğinize tam anlamıyla oyun verirken birçok pratik deneyim öğrenebilir ve bu fırsatı, kitaplardaki bilgileri gerçek hayata "3B basmak" için benzer düşünen pek çok meraklıyla iletişim kurmak için kullanabilirsiniz. Yani, bir kez Bir ideale sahip olduğunuzda, onu gerçekleştirmenin bir yolunu bulmalısınız.
